熱活化過(guò)硫酸鹽氧化聚丙烯酰胺降黏效果及影響因素分析*

劉園園，荊國(guó)林，董秋璇

(1.東北石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.大慶石油天然氣化工技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

中分子量的水溶性HPAM：工業(yè)品，大慶煉化公司；過(guò)硫酸鈉(Na2S2O8)、氫氧化鈉、叔丁醇：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)；鹽酸：分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；甲醇：分析純，遼寧泉瑞試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

數(shù)顯集熱式磁力攪拌器：DF-Ⅱ，常州市江南實(shí)驗(yàn)儀器廠(chǎng)；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)：DV-Ⅱ+Pro，美國(guó)Brookfield公司；電子分析天平：TG328B，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；超級(jí)恒溫水浴槽：DKB-501A，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；pH計(jì)：PHS-3D，衡水瑞豐化玻儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

使用蒸餾水配制ρ(HPAM)=1 000 mg/L的溶液500 mL，水樣初始pH=8，加入定量的Na2S2O8，水浴加熱磁力攪拌，按不同時(shí)間取適量水樣于測(cè)量筒內(nèi)，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定黏度。研究不同溫度、不同氧化劑投加量、不同pH值條件下溶液的降黏規(guī)律，觀(guān)察0～60 min HPAM溶液黏度的變化情況。

黏度去除率定義見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：Δη為降黏率，%；η0為HPAM溶液初始黏度值，mPa·s；η為處理后HPAM溶液黏度值，mPa·s。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

采用超級(jí)恒溫水浴對(duì)水樣控溫，ρ(HPAM)=1 000 mg/L，磁力攪拌下連續(xù)反應(yīng)1 h，考察t=15、25、35、45、55 ℃對(duì)HPAM黏度的去除效果。間隔一定時(shí)間取樣測(cè)量水樣黏度情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。

t/min圖1 溫度對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

2.2 c(Na2S2O8)對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

t=45 ℃，ρ(HPAM)=1 000 mg/L，考察c(Na2S2O8)=2、3、4、5、6 mmol/L對(duì)HPAM黏度的去除效果。水樣反應(yīng)1 h，間隔一定時(shí)間測(cè)量黏度，結(jié)果見(jiàn)圖2。

t/min圖2 c(Na2S2O8)對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

2.3 初始pH值對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

使用NaOH、HCl溶液調(diào)節(jié)pH值，考察pH=7、8、9、10、11對(duì)HPAM黏度的降低效果。水樣反應(yīng)1 h，間隔一定時(shí)間測(cè)量黏度。在不同初始pH值條件下，水樣黏度的降低情況見(jiàn)圖3。

t/min圖3 pH值對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

由圖3可知，pH=7、8，黏度差別較大，60 min降黏率分別為92.6%和87%，這表明添加酸有利于HPAM降解。pH=8、9黏度比較接近，60 min降黏率分別為87%和88.94%，表明添加酸對(duì)HPAM黏度的影響大于添加堿。pH=10、11，黏度降低效果顯著，60 min降黏率分別為95.7%和98.3%。這是因?yàn)檫^(guò)硫酸鹽在堿性條件下可以完全轉(zhuǎn)化自由基，并通過(guò)鏈反應(yīng)的過(guò)程氧化降解HPAM，使HPAM的黏度降低。pH值的變化對(duì)Na2S2O8和HPAM在水中的溶解度和水解程度有較大影響。增加pH值會(huì)增加Na2S2O8在水中的溶解度，促進(jìn)Na2S2O8在水中轉(zhuǎn)化為·OH，有效地氧化降解HPAM，降低聚合物的分子量，從而降低黏度。綜上所述，選擇pH=11。

2.4 不同攪拌速率對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

c(Na2S2O8)=4 mmol/L，t=45 ℃，ρ(HPAM)=1 000 mg/L，考察n=100、300、500、700、900 r/min對(duì)HPAM黏度的去除效果，見(jiàn)圖4。

t/min圖4 攪拌速率對(duì)熱活化PS體系降低HPAM黏度的影響

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用正交實(shí)驗(yàn)方法對(duì)c(Na2S2O8)(A)、溫度(B)和pH值(C)進(jìn)行了優(yōu)化。正交實(shí)驗(yàn)在恒溫水浴中磁力攪拌的條件下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間為50 min。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析中3個(gè)因素的編碼和水平見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，影響HPAM降黏率效果為B>A>C，最優(yōu)的理論水平組合為A2B3C1，即c(Na2S2O8)=4 mmol/L，t=50 ℃，pH=8，降黏率為95.08%。

3 自由基鑒定

pH圖5 淬滅劑對(duì)熱活化PS體系氧化HPAM降黏率的影響

(2)

(3)

4 結(jié) 論

(1)熱活化過(guò)硫酸鹽工藝處理HPAM的降黏率隨溫度增大而增加。優(yōu)化熱活化過(guò)硫酸鹽組合工藝，對(duì)含ρ(HPAM)=1 000 mg/L的溶液，降黏率的最優(yōu)組合為c(Na2S2O8)=4 mmol/L，反應(yīng)體系溫度45 ℃，pH=8，60 min HPAM的最大降黏率高達(dá)95.08%；