新型纳米水处理剂的性能

吴鲁宁 王春磊 中国石化石油工程设计有限公司 兰州石化公司化工研究院

新型纳米水处理剂的性能

吴鲁宁1王春磊21中国石化石油工程设计有限公司 2兰州石化公司化工研究院

利用表面包覆技术，在合成纳米四氧化铁的过程中，加入N代酰胺—胺树状大分子，合成一种新型纳米水处理剂，经表征证明产物是目标合成物。研究表明：在加剂量为70 mg/L时，纳米水处理剂除油率95.4%、除悬浮物率59.6%，除油性能远优于N代聚酰胺—胺树状大分子除油率（86.2%）和悬浮物去除率（45.2%）。与现场使用的药剂ROHM AND HAAS进行对比，结果发现：在加剂量70 mg/L的情况下，性能远远优于现场使用的进口药剂ROHM AND HAAS的除油率（88.1%）和悬浮物去除率（54.2%）。

纳米水处理剂；PAMAM树状大分子；表面包覆；合成；除油性能

利用表面包覆技术，用整代数PAMAM树状大分子包覆纳米四氧化三铁颗粒合成一种新型纳米水处理剂，并优化了聚酰胺—胺树状大分子和新型纳米水处理剂的合成条件，研究了两者除油性能及最佳使用量。

1 实验

1.1 实验试剂及仪器

FeCl2·6H2O，AR；FeCl2·4H2O，AR；氨水，AR；氮气，99.5%；乙二胺，AR；丙烯酸甲酯，AR；甲醇，AR。

RE—52A型旋转蒸发仪（上海亚荣）；VECTOR22型傅立叶红外光谱仪（美国）；JEOL 2100型透射电镜（日本）；VIS—721型可见光分光光度计（上海第三分析仪器厂）；玻璃仪器若干。

1.2 水处理剂合成实验

（1）N代PAMAM树状大分子的合成。将固定摩尔比的乙二胺和甲醇的混合溶液加入三口烧瓶中，缓慢滴加丙烯酸甲酯，在一定温度下快速搅拌，用旋转蒸发仪减压提纯，即得到0.5代PAMAM树状大分子。用甲醇溶解0.5代PAMAM树状大分子，加入固定比例的乙二胺，在一定温度下快速搅拌，旋转蒸发仪减压提纯，得到1.0代PAMAM树状大分子。按固定比例重复以上两步反应，可以依次得到高代数的N代PAMAM树状大分子（N为整数）。

（2）新型纳米水处理剂的合成。相同浓度的FeCl3和FeCl2溶液按摩尔比为1.8∶1分别加入三口烧瓶，按二价铁离子、三价铁离子和氢氧根离子的摩尔比为1∶1.8∶8的比例缓慢滴加氨水，反应温度控制在50℃，氮气保护下快速搅拌。至有黑色沉淀产生，然后按一定比例加入自制的N代PAMAM树状大分子，同时暂停滴加氨水，继续搅拌，最后滴加完剩余的氨水。

2 结果与讨论

2.1N代PAMAM树状大分子的合成优化

（1）原料的摩尔比对N代PAMAM树状大分子产率的影响。在反应温度30℃，反应时间18 h，溶剂甲醇量20%的反应条件下，原料的摩尔比对合成N代PAMAM树状大分子产率的影响见图1。从图1中可以看出，N代PAMAM树状大分子产率随着原料摩尔比的增大不断增加，随后产率保持稳定。当原料的摩尔比为1∶10时产率达到99%，选择最佳原料摩尔比为1∶10。

图1 n(半代)/n(乙二胺)对合成N代PAMAM产率的影响

（2）溶剂甲醇量对合成N代PAMAM树状大分子产率的影响。从反应温度30℃，反应时间18h，原料摩尔比为1∶10的反应条件下，溶剂甲醇的量对合成N代PAMAM树状大分子产率的影响曲线可以看出，N代PAMAM树状大分子产率随溶剂甲醇量增加到25%时产率达到最大值99.6%，随后产率呈下降趋势，因此选择甲醇的量为25%。

2.2 新型纳米水处理剂的合成优化

（1）N代PAMAM树状大分子加量对合成的新型纳米水处理剂的性能影响。从不同的N代PAMAM树状大分子加量所合成的6种新型纳米水处理剂，在反应时间30 min、反应温度50℃、加剂量为100 mg/L的条件下处理胜利油田孤岛污水的实验结果可以看出，5#N—PAMAM树状大分子投加量合成的新型纳米水处理剂对孤岛污水有较好的除油效果，在加剂量100 mg/L的情况下，除油率达97.8%，悬浮物去除率达67.8%。

（2）反应时间对合成的新型纳米水处理剂的性能影响。不同的反应时间，5#N—PAMAM树状大分子投加量合成的新型纳米水处理剂在反应温度50℃、加剂量为100 mg/L的条件下处理胜利油田孤岛污水的实验结果见表1。从表1中可以看出，反应时间40 min时合成的新型纳米水处理剂除油率可以达到96.2%，悬浮物去除率为70.7%，继续增加反应时间，合成的新型纳米水处理剂除油效果增加不明显。究其原因，N代PAMAM树状大分子在纳米四氧化三铁颗粒表面形成有效包覆需要一定的时间，克服颗粒表面的吸附层的表面张力，取代这些吸附层进而结合牢固，当形成有效的包覆后，树状大分子之间产生排斥，无法继续包覆。

表1 不同反应时间合成的水处理剂性能影响

（3）反应温度对合成的新型纳米水处理剂的性能影响。从不同的反应温度，5#N—PAMAM树状大分子投加量合成的新型纳米水处理剂在反应时间40 min、加剂量为100 mg/L的条件下处理胜利油田孤岛污水的实验结果见可以看出，新型纳米水处理剂除油性能随着合成反应温度的升高先升高后略有降低，反应温度70℃时除油率97.0%，悬浮物去除率71.3%，均为最佳。此时PAMAM树状大分子在纳米四氧化三铁颗粒表面达到吸附平衡，水处理剂有较强的吸附破乳性能，能够有效地聚结油滴，迅速除油。

（4）新型纳米水处理剂与N代PAMAM树状大分子性能比较及最佳用量研究。取12支具塞量筒分为两组，分别倒入100 mL孤岛污水（含油量1 373.5 mg/L、悬浮物含量147 mg/L），放入恒温水浴中加热至50℃，30 min后分别加入相同加剂量的N代PAMAM树状大分子和新型纳米水处理剂，比较两者处理孤岛污水的除油性能。从实验结果可见，新型纳米水处理剂的除油性能远远好于N代PAMAM树状大分子，新型纳米水处理剂在加剂量大于70 mg/L时除油率保持稳定，悬浮物去除率也达到最佳，除油率可达95.4%，悬浮物去除率59.6%；而N代PAMAM树状大分子加剂量在70 mg/L时除油率86.2%，悬浮物去除率45.2%。

（5）新型纳米水处理剂与现场使用药剂性能对比。在加剂量为70 mg/L下，进行了与现场使用的进口药剂ROHM AND HAAS性能对比实验。从实验结果看出，在加剂量70 mg/L的情况下，纳米水处理剂的除油率可达96.2%，悬浮物去除率61.8%；而现场使用药剂ROHM AND HAAS的除油率只有88.1%，悬浮物去除率54.2%。

3 结论

（1）利用表面包覆技术，在合成纳米四氧化铁的过程中，加入N代酰胺—胺树状大分子，合成一种新型纳米水处理剂，经表征证明产物是目标合成物。

（2）优化了N代PAMAM树状大分子的合成条件：反应温度30℃，反应时间18 h，原料摩尔比为1∶10，溶剂甲醇的量为25%。5#N—PAMAM树状大分子加量、反应时间30 min、反应温度50℃所合成的新型纳米水处理剂除油性能最佳。

（3）研究了N代PAMAM树状大分子和新型纳米水处理剂的除油和除悬浮物性能。研究表明：在弧岛油田污水含油量1373mg/L、悬浮物含量147mg/L的情况下，加剂量为70 mg/L时，纳米水处理剂除油率95.4%、除悬浮物率59.6%，除油性能远优于N代聚酰胺—胺树状大分子除油率（86.2%）和悬浮物去除率（45.2%）。与现场使用的药剂ROHM AND HAAS进行对比，结果发现：在孤岛油田污水含油量1 257 mg/L、悬浮物含量131 mg/L的情况下，加剂量70 mg/L时，纳米水处理剂的除油率可达96.2%，悬浮物去除率61.8%，性能远远优于现场使用的进口药剂ROHM AND HAAS的除油率（88.1%）和悬浮物去除率（54.2%）。

（栏目主持杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.5.013