油田用阳离子絮凝剂的制备及性能评价*
2021-03-03杨红丽武世新
杨红丽，武世新，赵 怡
（延安职业技术学院, 陕西延安 716000）
陕北油田属典型低渗透、特低渗透油藏，随着油田开发的进行，地层能量亏空严重，为了提高原油采收率，必须对油层进行注水来维持地层能量［1-2］。陕北油田地处陕北半干旱区，注水开发的水源不足，目前，多采用油田污水回注技术来克服这个难题［3］，但是油田污水水质差，必须进行高效处理才能满足油田注水水质指标要求。
目前陕北油田污水处理技术主要涵盖絮凝、气浮、膜处理技术、磁过滤等处理工艺，通过添加一定量絮凝剂等水处理剂，将油田污水处理达到油田注水水质指标要求［4-5］。但随着油田开发过程中酸化、压裂、调剖堵水等油水井施工措施的进行，油田采出水、油井作业废液日益增多，且污水中愈加成分复杂，原有污水处理工艺必须进行优化，目前最经济的措施是优化水处理剂的类型和加量［6-7］。
目前，以丙烯酰胺单体为主要原料的非离子或阴离子型絮凝剂对油田污水絮凝效果越来越差，非常有必要研制一种新型絮凝剂［6-8］。本文通过自由基聚合合成了一种絮凝性能较好的阳离子型高分子絮凝剂，对油田污水絮凝效果良好，除浊率达95.00%。
1 实验
1.1 实验药品和仪器
丙烯酰胺，分析纯；阳离子单体DADMAC，工业品；过硫酸铵，分析纯；陕北某油田污水，现场取样；硅藻土，工业品；蒸馏水。
JJ-3 型恒温电动搅拌器，一套；CL-SY 精密恒温水浴锅，一台；京制00000246 号电子天平，一台；SGZ-2 浊度仪，一台；温度计，0～100 ℃；三口烧瓶，250mL；量筒，25mL、50mL；烧杯，250mL；玻璃棒。
1.2 合成方法
将装有搅拌器、温度计、通氮管的三口烧瓶置于恒温水浴槽中，称取适量的丙烯酰胺和阳离子单体加入三口烧瓶，升温至反应温度，搅拌通氮驱氧30min；逐滴加入适量过硫酸铵水溶液，引发自由基聚合，并继续通氮气10min，反应一定时间后，停止搅拌，冷却，得稳定黏稠状产品，即为阳离子絮凝剂。烘干粉碎，待用。
1.3 除浊率测定方法
量取一定量陕北某油田污水，测量其浊度，记为 。搅拌状态下加入适量絮凝剂溶液，搅拌一定时间后，较低搅拌速度，一定时间后，停止搅拌。静置5min，测量上层清液浊度，记为x，计算其除浊率。计算公式为：
式(1)中:p为除浊率，%；x为处理后水样浊度，mg/L；x0为处理前水样浊度，mg/L。
2 结果与讨论
2.1 合成条件的确定
为了制得絮凝效果良好的絮凝剂，以引发剂浓度、单体配比（AM: DADMAC）、反应温度、反应时间为因素，以硅藻土悬浊液除浊率为考察指标，设计了4 因素4 水平的正交实验表L16( 44)，各因素的安排及其相应水平见表1，实验方案及结果见表2。
表1 正交实验的因子水平表Table 1 Factor and level of orthogonal experiment
表2 正交实验方案及结果Table 2 Scheme and result of orthogonal experiment
由以上结果可知该阳离子絮凝剂的最佳合成条件是A3B3C2D3，即：单体质量比(AM: DADMAC) 为7:3，引发剂加量为0.6%，反应温度为65℃，反应时间为6h。
由极差可知，单体质量比(AM: DADMAC) 对絮凝效果影响最大。
按照正交实验设计的最佳反应条件制备絮凝剂，其除浊率为95%，大于正交实验方案中的结果，确认该实验条件是该阳离子絮凝剂的最佳合成条件。
2.2 絮凝剂对陕北某油田污水的絮凝实验
用合成的阳离子絮凝剂对陕北某油田污水进行了絮凝实验，探讨了单体质量比、样品投加量对絮凝性能的影响，并与其他种类的絮凝剂进行了比较。
2.2.1 单体质量比(AM: DADMAC) 对絮凝效果的影响
由正交实验结果可知单体质量比对絮凝效果影响最大，本文通过单因素实验研究了单体质量比对絮凝效果的影响，结果如图1 所示。
图1 单体质量比对絮凝效果的影响Fig.1 The effect of monomer mass ratio on the flocculation effect
由图 1 可看出，阳离子单体比例对絮凝性能的影响很大，随着阳离子单体比例增大，高分子链上正电荷增多，絮凝剂电中和作用加强，有利于絮凝沉降；且随着高分子链上正电荷增多，聚合物链节之间静电斥力增大，高分子链更加伸展，有利于架桥效应，絮凝效果变好。当单体质量比(AM: DADMAC)为7:3 时，絮凝效果最好。但是当阳离子单体比例过大，高分子链上正电荷过多，剩余的正电荷会使颗粒表面电荷性质反转，颗粒间斥力增大，絮凝效果降低。
2.2.2 絮凝剂用量对絮凝效果的影响
在特定条件下，絮凝剂均有最佳用量。取适量陕北某油田污水，加入不同量絮凝剂，其絮凝效果如图2 所示。
图2 絮凝剂用量对絮凝效果的影响Fig.2 The effect of the dosage on the flocculation effect
由图2 可知，当絮凝剂投加量小于18mg/L 时，除浊率随絮凝剂用量增大而提高；当絮凝剂投加量为18mg/L 时除浊率为95.00%，絮凝效果最佳；继续增大絮凝剂用量，除浊率有所下降。这是因为絮凝剂用量较少时，电中和和吸附架桥作用较弱，不能将悬浮固体完全捕集；增大絮凝剂用量，电中和和吸附架桥作用增强，悬浮颗粒逐渐被捕集，除浊率逐渐增加；当絮凝剂用量超过最佳用量时，过多的絮凝剂分子包裹在悬浮颗粒表面，改变颗粒表面电荷，使得悬浮颗粒重新分散稳定，除浊率降低。
3 结论
（1）以丙烯酰胺和阳离子单体为原料，通过自由基引发聚合制备了阳离子絮凝剂，对陕北某油田采油污水絮凝性能良好。
（2）通过正交实验，得出该阳离子絮凝剂的最佳合成条件，即：单体质量比(AM: DADMAC) 为7:3，引发剂加量为0.6%，反应温度为65℃，反应时间为6h。
（3）絮凝试验结果表明，针对陕北某油田污水，该阳离子絮凝剂的最佳用量为18mg/L。
（4）絮凝性能试验结果表明，单体质量比(AM:DADMAC) 和引发剂加量、反应温度对絮凝效果都有很大影响。
