胺甲基聚丙烯酰胺在含油污水处理中的应用

Posted 2023-01-12 污水处理

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以胺甲基聚丙烯酰胺作为絮凝剂，对姬塬采油区采出污水进行了絮凝处理，结果表明：随着胺甲基聚丙烯酰胺投加量和胺甲基含量的增加，水中铁含量、油含量明显降低，透光率明显增加。当胺甲基聚丙烯酰胺的加量为2mg/L、胺化率为78.8%时，絮体形成快、沉降快，且处理后水透光率可达98%、残留铁量为0.30mg/L、悬浮物及油含量分别为0.2mg/L、0.308mg/L。
DOI：10.3969/j.issn.1007-3426.2009.05.025
阳离子聚丙烯酰胺是一类新型高效的有机高分子絮凝剂[1，2]，因其分子链节上带有阳离子，与废水中带阴离子的胶体颗粒进行电荷中和作用，降低ζ电位，压缩扩散层。同时，阳离子型聚丙烯酰胺的长链产生架桥效应，使胶体絮凝。其它悬浮的颗粒也被吸附、包卷和捕集，并相互集结形成大的絮体，即“中和"与“架桥"作用。因此阳离子型聚丙烯酰胺在污水处理中越来越受到重视。
姬塬采油区地处陕北定边，属干旱缺水地区，油田渗透率低。在油田开发过程中，为了提高油井产量和原油采收率，需要大量的水资源进行注水驱油同时，随着原油的采出，地层水和注入水又会随着原油一起被采出，在地面进行油水分离后产生大量采油污水，为节约水资源和降低水的应用成本，必须考虑采油污水的净化回用问题。针对姬塬采油区采油污水具有高含油、高机杂、高有机物含量、高矿化度和组成性质复杂且变化大、处理难度大等特点，本试验探讨了胺甲基聚丙烯酰胺对污水中的悬浮物、油等去除的作用效果。
1实验
1.1实验仪器与试剂
主要仪器：电子天平，分光光度计。
主要试剂：硫酸亚铁铵、邻菲罗啉、盐酸、盐酸羟胺、乙酸铵、冰醋酸、石油醚、氢氧化钠为分析纯试剂，胺甲基聚丙烯酰胺为实验室合成样，无机絮凝剂为工业品。
1.2实验方法
1.2.1污水性质测定
离子含量的测定依据SY/T5523-2000规定进行，悬浮物、含油量和总铁含量的测定依据SY/T5329-1994规定进行。
1.2.2胺甲基聚丙烯酰胺(APAM)的合成
通过反应条件的控制，利用曼尼兹反应，用甲醛和二甲胺对聚丙烯酰胺进行改性，合成胺甲基聚丙烯酰胺。合成方法为：在装有温度计?电动搅拌器和回流冷凝器的四口烧瓶中加1%聚丙烯酰胺溶液，加入37%的甲醛溶液，搅拌均匀。温度控制在55℃～75℃左右，反应1h。再加入33%的二甲胺溶液(PAM、甲醛、二甲胺的摩尔比为(1.0∶1.1∶1.5)～(1.0∶1.1∶2.5))，搅拌下反应2～3h即得产物，将产物冷却，用酸碱滴定法测其胺化率，取部分产物在50℃下于真空干燥箱中干燥8h～10h，得到较硬的胶体产物，即APAM。胺甲基的含量用胺化率表示：

式中：n1为加入二甲胺溶液的物质的量，mol；n2为未反应的二甲胺溶液的物质的量，mol；n为加入的聚丙烯酰胺的物质的量，mol。
1.2.3APAM絮凝性能的评价
污水絮凝实验按照SY/T5890-1993标准进行，以NaOH为pH值调节剂将采油污水pH值控制在7.5左右，加入杀菌剂，再加入无机絮凝剂和胺甲基聚丙烯酰胺絮凝剂进行絮凝试验，沉降半小时，测其上清液的透光率。
1.2.4APAM对污水中铁离子含量、油含量的影响取一定体积的水样，调节pH值在7.5左右，加入杀菌剂、无机絮凝剂、胺甲基聚丙烯酰胺后，按SY/T5329-1994有关规定测铁离子含量、油含量。
1.2.5处理后的水与储层产出水的配伍性实验
在50mL的储层产出水中加入不同体积的处理后的污水，在40℃下恒温72h后，测其透光率，依透光率的变化判断配伍性的优劣。
2结果与讨论
2.1污水性质测定结果
污水取自姬塬联合站，污水温度为40℃。污水性质见表1。

由表1可以看出，姬塬采油区采出污水具有高矿化度、高硬度、低pH值、Ca2+含量高的特点，属于CaCl2型水。

姬塬采油区采出污水油含量、悬浮物含量等的分析结果见表2。
2.2PAC浓度对处理效果的影响
当污水pH值调整到7.5时，用PAC为无机絮凝剂进行处理，处理效果见表3。

从表3可以看出，沉降时间为0.5h时，随着PAC用量的增加，处理后水的透光率逐渐增大；而当浓度超过30mg/L时，透光率增加幅度减小；PAC浓度相同时，沉降时间由0.5h增加到3h，上层清液的透光率增加。这主要是PAC浓度的增加，压缩胶体双电层的能力越强，破胶越彻底，处理后水的透光率增大。综合透光率、成本以及沉降时间等因素，确定PAC的用量为30mg/L。
2.3PAC与APAM复配对处理效果的影响
2.3.1APAM的加入量对絮凝结果的影响
将PAC的量确定为30mg/L，加入粘均分子量为800万的APAM絮凝剂，处理效果见表4。

表4表明，在PAC用量为30mg/L条件下，加入APAM能够改善絮凝过程、絮体的大小和强度。这主要是APAM具有吸附能力，能在胶体粒子间形成“桥联"作用，因此加入后能够提高处理效果。加量超过2.0mg/L时，处理后水的透光率可达到98%以上，因此APAM加量控制在2.0mg/L。
2.3.2胺化率对絮凝结果的影响
当污水pH值调整到7.5时，PAC的加量为30mg/L，粘均分子量为800万的APAM加量为2mg/L，胺化率对处理后水透光率的影响见表5。

由表5可知，透光率随胺化率的增大而增加。当胺化率由47.8%增加到78.8%时，处理后水的透光率从79.7%增加到98%。这主要是胺化率的增加，电荷密度增加，电中和能力增强，相应地吸附在颗粒表面的APAM的尾式和环式由于电荷密度高，对另一颗粒负电荷区的吸引力增强，桥连絮凝能力增强。
2.4有机絮凝剂与无机絮凝剂加药间隔对处理效果的影响
PAC与APAM的加量同2.3.2节所述，PAC与APAM加药间隔对处理效果的影响见表6。

从表6可知，当时间间隔在10s～30s时，随着时间间隔的增大，絮体大小逐渐变大，悬浮小絮体的量逐渐减少，处理后清液的浊度逐渐下降；当时间间隔超过30s时，处理效果再次变差。这主要是在加入的药剂中，PAC主要起破胶作用，而APAM主要起“桥联"作用，当PAC加入使体系破胶后，APAM才能够起到良好的助凝作用。因此，适宜的有机絮凝剂与无机絮凝剂加药时间间隔为30s。
2.5APAM对污水含铁量和含油量的影响
调节污水pH值为7.5，PAC加量为30mg/L，APAM浓度0.5mg/L～3.0mg/L时，APAM加量对残留含铁量和含油量的影响实验结果见表7。

由表7可知，当APAM浓度从0.5mg/L增加到2mg/L时，污水中的总铁含量从1.55mg/L减少到0.30mg/L，油含量从1.333mg/L降到0.308mg/L；APAM加量超过2mg/L时，总铁含量和含油量减少幅度并不大，这主要是因为APAM分子中有—OH、—COO-等基团，在合适的pH值条件下，这些基团可与铁离子发生“螯合"，并随絮体一并被去除；同时APAM有表面电中和和“桥联"作用，通过“桥联"作用快速形成较大絮体，加快沉降速度。而当APAM浓度增大到一定数值时，因为吸附饱和，“桥联"作用就变得微弱了。
污水pH值为7.5，PAC加量为30mg/L，APAM浓度为2mg/L，APAM的胺化率对处理效果的影响结果见表8。

由表8可知：当胺化率从47.8%增加到78.8%时，总铁含量由1.98mg/L降到0.30mg/L，油含量从1.575mg/L降到0.308mg/L，这是因为APAM絮凝剂中的胺基与废水中的带阴离子的胶体颗粒进行电荷中和作用及吸附架桥，胺化率大即胺甲基含量高，APAM越易与带有负电荷的悬浮物颗粒起反应，絮体形成快，沉降速度快，与絮体一并被去除的铁离子、油含量大，处理效果好。
当pH值为7.5、PAC与APAM加量分别为30mg/L及2mg/L、APAM胺化率为78.8%、加药间隔为30s时，处理后污水的性质见表9。

2.6处理后水与地层产出水的配伍性实验
将处理后的水与地层水以不同的比例混合并在40℃放置72h，处理后水与地层产出水的配伍性实验结果见表10。

从表10可以看出，水样具有良好的稳定性，放置后水的透光率可以达到98%。上述混合水样放置一个月后透光率仍然可以达到98%，说明处理后水与储层产出水的配伍性好。
3结论
通过实验可以得出以下结论：PAC加量为30mg/L，APAM的加量为2mg/L，胺化率为78.8%时，絮体形成快、沉降快，处理后水的透光率可达98%、残留铁量为0.30mg/L，悬浮物含量及油含量分别为0.2mg/L、0.308mg/L。