聚硅硫酸铝在中原油田注水处理中的应用

Posted 2023-01-13 水处理

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油田采油注水用量很大.出水经处理后循环回注，可大大降低采油成本.由于出水矿化度高、总铁含量和SS高，若处理不当，悬浮物含量高时，易堵塞管道，而且在高矿化度下，总铁含量超标则会腐蚀生产管线和容器，造成经济损失.因此，选用合适的混凝剂对油田循环注水进行处理，降低悬浮物和总铁含量，对于安全生产和降低采油成本具有重要的作用.
中原油田目前采用石灰与聚丙烯酰胺等复合法对出水进行处理，由于处理后水pH升高，钙含量增大，回注水易与地层矿物发生作用生成沉淀物堵塞地层，从而降低采收率.另外，因石灰用量较大，造成混凝沉淀过程中产生大量的污泥，且聚丙烯酰胺的降解产物丙烯酰胺有较强的致癌性，产生较严重的二次污染.因此选用新型混凝剂替代现用药剂，对中原油田的生产具有重要意义.PASS作为新型的混凝剂具有矾花大、沉降快的优点，有关其制备及用于印染废水研究的报道较多，但将其用于油田水处理尚无报道.作者用硅酸钠和硫酸铝制备了PASS，对其处理油田废水的性能进行实验，考察了PASS中硅铝配比、熟化时间以及水样温度和pH对混凝性能的影响，并与PAC，PFS处理结果进行对比，结果表明PASS具有矾花大、沉降快、SS去除率高和残铁量低的优点.
1 实验部分
在HI9321微电脑台式酸碱度计(HANNA)的控制下，用硫酸将硅酸钠的pH调至一定范围内，使硅酸活化，而后与硫酸铝溶液按比例混合，搅拌熟化，制得PASS混凝剂备用.取400mL水样于烧杯中，在SC958实验搅拌机(湖北潜江)上进行混凝实验.在搅拌条件下，投加一定量的混凝剂，以200r/min快速搅拌1.5min，再以60r/min慢速搅拌10min，静沉20min后，吸取上清液用原子吸收分光光度计(Avanta，Australia)测定残铁量，并用722光栅分光光度计(上海第三仪器厂)测定吸光度，依据线性回归方程y=210.291x-0.789，r=09995，计算浊度(y为浊度，其值由标准肼法测得).
2结果与讨论
2.1 油田出水水质分析
中原油田出水水温在40～45℃之间，经测定矿化度为119.7g/L，含油量大于200mg/L，浊度为243NTU，SS为273mg/L，总铁含量为23.8mg/L，水样pH为6.76.此时水中的铁大部分以氢氧化铁胶体的形式存在，由于与乳化态油份和泥沙胶粒相互吸附，悬浮在水中，难以沉降.经过滤后，浊度降为2.34NTU，SS和总铁含量也分别降低到2.3mg/L和0.47mg/L，因此处理后悬浮物数目越少，总铁的含量就会越低.
2.2 n(SiO2)/n(Al)对PASS混凝性能的影响
在室温(10℃)和45±1℃条件下，用硅铝摩尔比不同的PASS对废水进行处理，PASS的投加量为2mg/L(以铝计，下同)，结果见表1和表2.

由表1、2知，随SiO2含量的升高，PASS处理后浊度和残铁量都逐渐降低，在较高温度下混凝处理效果均有提高，而且SiO2含量越高，其混凝效果受温度的影响就越小.在较低温度下，Al3+水解后生成的多羟基络合物分子链较短，不但静电中和能力低，而且对悬浮物的卷扫聚集能力也较小，破乳能力较小，乳化状态油吸附于悬浮物上，阻碍絮体长大，处理效果差.升高温度有利于加快水解速度，增强静电中和及卷扫聚集、吸附架桥能力，提高混凝效果.当有聚硅酸分子存在时，聚硅酸分子长链的吸附架桥和卷扫聚集作用使电中和后的悬浮物更易聚集，即使在较低温度下，由于其良好的助凝作用，仍可强化混凝效果.而且聚硅酸水解物比表面积大，对絮体有较高的吸附网捕能力，所形成矾花的直径较大，沉降速度加快，处理后的浊度降低，残铁量也显著降低.
另外，实验中发现，随PASS中SiO2含量的升高，絮凝体有上浮趋势，高温下此现象尤为明显.这可能是因为破乳后的油滴吸附在絮体上，致使矾花比重降低的缘故，SiO2含量越高，胶粒的聚集度越高，吸附在胶粒上的相应乳化态油的聚集度增大，更易破乳.因此，温度愈高，SiO2含量愈大，矾花上浮的趋势就愈明显.
2.3 pH值对PASS处理效果的影响
分别用硫酸铝和n(SiO2)/n(Al)为2/1的PASS对pH为5，6，7，8，9和10的水样进行混凝实验，结果见图1和2.

由图1和2知，水样pH值对硫酸铝和PASS处理后残铁量均有较大影响，但相同pH条件下，PASS处理后吸光度和残铁量较硫酸铝均有明显降低.原因在于铝的水解与pH值有很大关系，当pH小于5或大于9时，铝水解速度缓慢且不完全.因此处理后吸光度和残铁量都较高，而PASS中聚硅酸长链的卷扫聚集和吸附架桥作用可强化絮凝过程，因此PASS在混凝性能和降低残铁方面，对pH有较强的适应性.
2.4 熟化时间对PASS混凝性能的影响
分别在制备后1d，5d和15d对n(SiO2)/n(Al)为0/1，0.5/1，1/1和2/1的PASS进行混凝实验，静置20min后测定总铁量，结果见表3.

由表3中可知，熟化时间对PASS处理结果有一定影响，而且对不同配比的PASS影响程度不同，延长熟化时间，n(SiO2)/n(Al)为1/1和2/1的PASS处理后水样中的残铁量都有先降低后升高的趋势.此与PASS中硅酸的聚合度和结构有关，初期活性硅酸聚合速度较慢，聚合度较低，对悬浮物的吸附和卷扫能力较差.随着时间延长，聚合度增大，分子链增长，卷扫聚集和吸附架桥作用增强，从而增强混凝效果.当熟化到一定程度时，其线状长链结构则逐渐过渡为空间网状或支叉结构，逐步转变成硅酸凝胶而失去活性，卷扫聚集和吸附架桥能力降低，混凝效果也明显降低.SiO2浓度越高，活性硅酸的聚合速度越快，因而n(SiO2)/n(Al)为2/1的PASS的良好助凝作用出现的虽早，由于硅酸浓度大，聚合速度较快，其良好助凝期也相对较短.
2.5 PASS与PFS和PAC处理性能的比较
用n(SiO2)/n(Al)为2/1的PASS和PFS、PAC分别对油田废水进行混凝处理，药剂中金属离子的浓度相同，操作条件同前，结果见表4.表中的沉降时间是指从静置到絮体完全沉降至烧杯底部所用的时间，该值可反映出絮体直径的大小和沉降速度.由表4知，PASS处理后的水浊度和残铁量远低于PFS和PAC，而PFS中的残铁量比PAC略有上升.PFS和PAC均以静电中和为主，卷扫聚集能力较小，混凝过程中形成絮体的直径较小，沉降速度慢.而PASS中聚硅酸分子长链的卷扫聚集和吸附架桥作用，使处理后的浊度和残铁量均有明显降低.另外其絮体颗粒增大，沉降速度也显著加快.