基于过硫酸盐高级氧化法的HPAM降黏实验研究

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为了提高石油的采出率,聚丙烯酰胺(HPAM)作为驱油用聚合物在三次采油阶段中广泛应用,导致采出水的黏度大大增加,使污水处理难度增大。针对污水处理系统中沉降过滤装置处理效率下降,出水水质难以稳定达标回注的问题。本文首先通过不同高级氧化法处理高浓度HPAM溶液的效果对比,优选出过硫酸盐(PS)进行降解HPAM的研究,并采用热活化和Fe2+活化过硫酸盐体系,通过不同因素对HPAM降黏率的影响过程与机理进行分析。具体研究内容如下:(1)研究了Fenton试剂、高铁酸钾、Na Cl O和过硫酸盐四种高级氧化方法对HPAM溶液的处理过程和效果。通过对比显示了过硫酸盐在最佳处理结果时使用量最少为4 mmol/L,在较短时间内表现出良好的降黏性能,反应10 min的降黏率可以达到69.0%。与其它氧化方法相比,过硫酸盐具有所需实验条件要求最低,稳定时间长,适用范围广的特点,是氧化降低HPAM溶液黏度的最优方法。(2)建立热活化过硫酸盐氧化降解HPAM的体系,分析了温度、PS浓度和初始p H值等因素对HPAM降黏率的影响。在最佳反应条件下,当HPAM初始浓度为1000mg/L时,过硫酸盐投加量为4 mmol/L,温度为45℃,初始p H值为7,反应60 min时HPAM降黏率为95.1%。采用Box-Behnken Design(BBD)建立了以HPAM降黏率作为响应值的优化模型,模型显示HPAM溶液的降黏效果随热活化温度和PS浓度的增大而升高,随着p H值的升高而降低,且受温度的影响程度最大。对于四种不同的商用HPAM,在最佳实验条件下降黏率均可达到97.8%以上,热活化PS体系对于结构复杂的耐温抗盐型聚丙烯酰胺也有很好的降黏效果。通过电子顺磁共振光谱(EPR)检测确定了体系中SO4·-和·OH的存在。自由基淬灭实验证明了在p H为7的条件下,体系中的主要自由基为SO4·-,在p H为10的条件下,体系中的主要自由基为·OH。(3)建立Fe2+活化过硫酸盐降解HPAM的体系,分析了PS浓度、Fe2+浓度和p H值等因素对HPAM降黏率的影响。采用BBD响应曲面优化出的最佳反应条件为:PS浓度为3.71 mmol/L,初始p H值为4.06,Fe2+浓度为0.05 mmol/L,此时HPAM降黏率的预测值为94.6%,与单独热活化过硫酸盐体系在最佳工艺条件下的降黏效果相近。Fe2+活化过硫酸盐氧化HPAM的降黏率受p H值的影响最大,且HPAM的降黏率随着p H值的升高而降低,随着PS浓度和初始Fe2+浓度的增加而升高。通过EPR检测确定了体系中SO4·-和·OH的存在;通过测定COD的降解过程说明HPAM主要是通过断链降低分子量的形式降解,少量的HPAM被完全矿化成CO2和H2O;通过FT-IR分析表明过硫酸盐使HPAM侧链的酰胺基氧化为羧基;HPAM氧化前后的紫外光谱图表明过硫酸盐使HPAM的长链结构发生变化,断裂成了短链,少量的HPAM被氧化成较小的有机物分子;通过PS氧化前后的SEM对比,说明经过硫酸盐氧化后的HPAM分子破坏严重,长链断裂为小的碎片。以上两种活化过硫酸盐方式均可快速、有效的实现HPAM氧化降黏。考虑实际工业化处理过程中污水处理的条件,Fe2+活化因其具有温度低、更节能的优点。综合对比,Fe2+活化过硫酸盐体系更适合于作为实际油田含聚污水的降解技术。
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