污水稀釋聚合物體系粘度的影響因素研究

張貞貞 魏靜 張文輝 韓世寰 苑培培（新疆科力新技術(shù)發(fā)展股份有限公司，新疆 克拉瑪依834000）

1 離子

1.1 Na+和K+對聚合物溶液粘度的影響

選取約5000mg/L 的母液進(jìn)行Na+和K+的配置，分別配制成含有不同濃度的Na+和K+溶液并用定量的清水進(jìn)行稀釋（HPAM質(zhì)量濃度確定為1700mg/L），通過不同濃度Na+、K+以及相同濃度分別對聚合物粘度的影響對比，可知在Na+、K+的濃度在0～1500mg/L 時，隨著Na+、K+濃度的增高，聚合物粘度快速降低，并與離子濃度呈二次多項式遞減的關(guān)系，當(dāng)Na+、K+的濃度大于1500mg/L 時，HPAM 粘度在離子濃度增高時，下降過程逐漸變慢，兩者慢慢處于一種趨勢較為平緩的線性關(guān)系，隨著離子濃度的再加大，粘度逐步穩(wěn)定下來。當(dāng)Na+、K+濃度相同時，可明顯的看到Na+對聚合物粘度比K+影響更強(qiáng)。

1.2 Ca2+、Mg2+、Mn2+對聚合物溶液粘度的影響

同（1），配制出Ca2+、Mg2+、Mn2+的聚合物溶液，由實驗可得出，Ca2+濃度在0～40mg/L時聚合物粘度下降較快，但是到40～80mg/L，粘度下降逐漸變緩，隨著離子濃度進(jìn)一步加大，在80～140mg/L 時，粘度再一次快速下降；Mg2+濃度在0～40mg/L 時聚合物粘度也在快速下降，在40～60mg/L時，粘度下降變緩，當(dāng)離子濃度達(dá)到60～80mg/L，粘度再次快速下降；Mn2+濃度在20～40mg/L時，對聚合物粘度影響較大，粘度處于快速下降階段，當(dāng)濃度在80～100mg/L時，下降趨勢變緩，直到、Mn2+濃度升至100～160mg/L，粘度進(jìn)一步快速下降。Ca2+、Mg2+、Mn2+三種離子雖然在不同濃度時對聚合物粘度有差別影響，但是整體對粘度的影響都是下降的趨勢，只是不同濃度區(qū)間，下降趨勢快慢的問題，其中Ca2+和Mn2+對聚合物粘度的影響程度要高于Mg2+。

1.3 三價金屬離子對聚合物粘度的影響

通過前期的調(diào)研，可知在污水中主要含有Fe3+、Al3+兩種三價金屬離子，在進(jìn)行實驗時發(fā)現(xiàn)，只需要很少量的Fe3+和Al3+就可以使聚合物出現(xiàn)絮狀沉淀。

1.3.1 Al3+

同上面講述的配制方法，將配制完成的0.5g/L 的Al3O2以0.125mL/滴的速度逐滴加入被稀釋的聚合物溶液中，聚合物溶液的濃度統(tǒng)一都被稀釋成1700mg/L。當(dāng)前兩滴Al3O2滴入聚合物溶液后，聚合物粘度快速加大，當(dāng)?shù)谌蜛l3O2加入后開始出現(xiàn)白色絮狀沉淀現(xiàn)象。為此開展對該種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因分析，結(jié)果表明，三價的Al3+在此過程中起到了絡(luò)合劑的效果，前人對此現(xiàn)象曾做過研究，水解聚丙烯酞胺可以與部分離子發(fā)生反應(yīng)，絡(luò)合成鋁凍膠和鉻凍膠。而這種反應(yīng)不具有穩(wěn)定性，因此在實際應(yīng)用中一般不使用這類離子作為增粘劑。

1.3.2 Fe3+

與Al3+實驗步驟相同，配制出濃度為1g/L的Fe3+溶液，并將其逐滴加入聚合物溶液中，溶液濃度依然被稀釋成1700mg/L，將第一滴配置好的Fe3+溶液加入后，聚合物粘度雖然在加大，但是卻沒有較為明顯的反映，但是在加入第二滴后，聚合物溶液中出現(xiàn)了褐色沉淀物，產(chǎn)生原因和三價鋁離子對聚合物粘度的影響一樣，而且價位越高的正離子會更快的讓聚合物出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。在目前的研究中，一般要求使用低于10mg/L的三價金屬離子，有些學(xué)者曾使用高于20mg/L的Fe3+進(jìn)行聚合物粘度的研究實驗，研究表明，這種濃度的的Fe3+會使聚合物的粘度急劇下降。

1.4 Fe2+對聚合物粘度的影響

1.4.1 Fe2+在有氧環(huán)境下

用氯化亞鐵和水配制成濃度為0.5g/L 的溶液，按比例用清水稀釋聚合物母液，將配制好的Fe2+溶液逐滴加入聚合物溶液中，可較為明顯的看出，F(xiàn)e2+對聚合物粘度的影響非常大，只需要一點點的Fe2+就可以大大降低聚合物的粘度，并且溶液的顏色也會發(fā)生變化，從淺綠色慢慢變成了黃褐色。當(dāng)Fe2+的濃度高于1.5mg/L后，聚合物的粘度下降趨勢逐漸變慢，而聚合物的粘度已經(jīng)小于10mPa.s，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要原因是使用清水稀釋過的聚合物溶液中含有大量的氧，F(xiàn)e2+會與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氧化為Fe3+，而聚合物溶液粘度得變化主要是根據(jù)自由基的反應(yīng)原理，具有強(qiáng)還原性的Fe2+在此過程中起到催化的影響，產(chǎn)生了更多的活性自由基，加快了聚合物的粘度下降速率，因此在應(yīng)用Fe2+進(jìn)行降低聚合物粘度時，需要嚴(yán)格把控Fe2+的添加量。

1.4.2 Fe2+在無氧環(huán)境下

前面的實驗已經(jīng)得出，在有氧條件下Fe2+會極大地降低聚合物粘度，為了在無氧條件配制Fe2+溶液，先將500mL的水溶液通入氮氣2.5h，再將濃度為0.0043g/L的Fe2+與該溶液溶合，將其配制成濃度為1700mg/L 的聚合物溶液，實驗證明，在沒有氧氣的條件下，F(xiàn)e2+不能對聚合物粘度產(chǎn)生較大的影響，而在有氧的條件下，聚合物的粘度會大幅下降，因此，在使用Fe2+進(jìn)行聚合物粘度降解時，有沒有氧起著關(guān)鍵性的作用，因此，若需要使用Fe2+來降低聚合物的粘度，需要適當(dāng)?shù)亟佑|氧氣，才可以對其粘度產(chǎn)生大幅下降。通過對Fe2+的兩種實驗，可知相對于無氧條件，在有氧條件下Fe2+對聚合物粘度有更大的影響。

1.5 無機(jī)陰離子對聚合物粘度的影響

為了驗證陰離子對聚合物溶液粘度的影響，使用相同濃度的陽離子Na+進(jìn)行溶液的配置，陰離子有Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-，將配置好的四種溶液逐滴加入被稀釋成相同濃度的四個聚合物溶液中，可知當(dāng)Na+濃度相同時，四種陰離子對聚合物粘度都沒有產(chǎn)生較大的影響，雖然隨著陰離子以及含鹽量的不斷加大，聚合物的粘度會有增大的現(xiàn)象，但是其增加幅度卻比較平緩。

2 溫度

用適量的清水稀釋出濃度為1000mg/L的聚合物溶液，在不同溫度條件下，觀察其粘度的變化。實驗表明，溫度對聚合物粘度有較大的影響，基本上呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，每增加10℃的溫度，聚合物的粘度也相應(yīng)降低10%左右。主要是因為隨著溫度的升高，分子加速活躍，會降低分子間的作用力，很多大分子會分解為很多的小分子，增加分子之間的接觸關(guān)系，對于一些纏在一起的大分子也會產(chǎn)生疏離現(xiàn)象，減少分子的流動阻力，同時會減少一些大分子的結(jié)構(gòu)鏈，也會降低離子之間的吸附作用，對于溶液中的水分子而言，隨著溫度的升高，水分子活躍速度加快，擴(kuò)散能力加強(qiáng)，也加大了水的極性，較少了分子的流體力學(xué)體積。并且溫度的升高也會加速一些化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。因此對于一些高溫油藏，在對其開展聚合物復(fù)合驅(qū)時，需要加入一些耐高溫的添加劑在驅(qū)油劑中，不然會降低驅(qū)油性能的效果。

3 pH值對聚合物粘度的影響

同溫度實驗對聚合物粘度的影響實驗一樣，配制相同濃度的聚合物溶液，pH值使用HCl和NaCl兩種溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，由時間表明，pH 值對聚合物粘度影響非常大，在酸性溶液中，pH 值在2～4 時，聚合物的粘度小于5mPa.s，隨著pH 值逐漸升高，當(dāng)其處于4～5值時，聚合物粘度變化加快，當(dāng)溶液趨于中性時，粘度變化變小，pH值繼續(xù)增大，溶液呈堿性時，聚合物粘性再次大幅度變化，因此，從整體實驗效果來看，當(dāng)聚合物溶液處于酸性條件下，粘度下降較快，pH趨于中性時，粘度小幅變化，在堿性條件下，聚合物濃度大幅增加，隨后又逐步趨于穩(wěn)定。在實驗中，堿性條件下，聚合物溶液會出現(xiàn)白色針狀物質(zhì)，pH值越大，增加的越明顯。由此，在對聚合物溶液進(jìn)行配制時，需要處在弱堿條件下，pH值再好在6～7。

4 S2-離子對聚合物粘度的影響

在油田污水中，S2-是以還原狀態(tài)的形式存在，因此在進(jìn)行實驗時，也要盡可能的使其處在還原態(tài)，因此，需要選用一種較好的方法來清除氧，既可以使溶液處于無氧的狀態(tài)又對聚合物本身不會造成影響。

（1）除氧方法

①NaNO2

在完全封閉的容器中，放進(jìn)加入NO2-的自來水中，放置2天左右時間，之后進(jìn)行容器內(nèi)的氧氣測量，可知在此種條件下，水中的氧并沒有得到很好的去除；再進(jìn)行二次實驗，將配置好的溶液煮沸兩小時左右，經(jīng)測量，可以將溶液中的氧幾乎完全去除，但是煮沸后，原溶液中的亞硝酸水開始呈現(xiàn)堿性，若用其配制聚合物溶液，需要再使用鹽酸中和，再次加入新的離子，因此這種方法并不可取。

②C3H7NO

同上亞硝酸的實驗配制C3H7NO 溶液進(jìn)行實驗，得到的結(jié)果表明其對自來水中的氧并沒有很好的去除效果。因此C3H7NO不適合進(jìn)行去氧處理

③鐵粉

在裝有自來水的封閉瓶子中加入適量鐵粉，每天測量容器中的含氧量，連續(xù)測量三天，由實驗數(shù)據(jù)可知，鐵粉不僅對水中的氧沒有去除效果，反而自身會氧化生銹。

④N2

在裝有自來水的封閉瓶子中通入適量N2，間隔半小時測量1 次水溶液中的含氧量，可以得到在接近3h 以后，水中的氧幾乎被全部去除，并且不含任何其他雜質(zhì)。

通過以上4種實驗結(jié)果對比，N2是最佳的除氧方法。

5 結(jié)語

（1）鹽性溶液對聚合物粘度具有較強(qiáng)的影響，Na+和K+對聚合物的降粘效果相差不大，Ca2+和Mg2+也有相似的降粘效果，但是二價的Ca2+、Mg2+比一價的Na+、K+對聚合物的降粘有更大的影響。

（2）溫度對聚合物溶液的濃度具有較大的影響，基本上呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，每增加10℃的溫度，聚合物的粘度也相應(yīng)降低10%左右。由于HPAM進(jìn)行水化和溶解的速度比較慢，一般需要處在常溫條件下配制聚合物溶液。

（3）在酸性和堿性溶液中，聚合物溶液粘度都會產(chǎn)生很大的變化，當(dāng)聚合物溶液處在酸性條件下，會降低其粘度，在堿性溶液中，聚合物粘度也會發(fā)生較大變化并產(chǎn)生白色針狀沉淀，由此，在對聚合物溶液進(jìn)行配制時，需要處在弱堿條件下，pH值最好在6～7。