聚丙烯酰胺降解研究

宮麗斌

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司職業(yè)病防治所，山西 太原 030053)

引 言

在我國，油田的開采過程中已經(jīng)普遍采用聚丙烯酰胺驅(qū)油技術(shù)，聚丙烯酰胺提高原油采收率的同時(shí)也使采出污水黏度及乳化程度升高，如何降解聚丙烯酰胺成為近些年化工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題[1-3]。本文從化學(xué)降解角度入手，分別對氧化降解與光催化降解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，增加聚丙烯酰胺降解率，并對其機(jī)理進(jìn)行分析。

1 樣品制備及藥劑準(zhǔn)備

本文所使用的實(shí)驗(yàn)藥劑主要為聚丙烯酰胺(PAM)、Fenton法所用藥劑以及光催化劑，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)藥劑表

2 實(shí)驗(yàn)部分

本文主要通過化學(xué)方法對聚丙烯酰胺進(jìn)行降解研究，其中包括氧化降解與光催化降解。在氧化降解實(shí)驗(yàn)中使用Fenton法對聚丙烯酰胺進(jìn)行降解，實(shí)驗(yàn)過程中分別考慮溫度、FeSO4·7H2O投放量和H2O2(30%)投放量3個(gè)因素對降解結(jié)果的影響，得出最佳降解結(jié)果的實(shí)驗(yàn)條件。在光催化降解實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)過程分別考慮不同催化劑以及不同光源對聚丙烯酰胺降解結(jié)果的影響，得出最佳降解結(jié)果的實(shí)驗(yàn)條件。本文在氧化降解實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)文獻(xiàn)，最佳反應(yīng)pH值定為3.0；聚丙烯酰胺初始質(zhì)量濃度定為300 mg·L-1。在光催化降解實(shí)驗(yàn)過程中，聚丙烯酰胺初始質(zhì)量濃度定為200 mg·L-1。恒溫水浴鍋型號為TY10WB-10，磁力攪拌器型號為德國IKA C-MAGMS10。

PAM含量檢測方法為：利用淀粉-三碘化物分光光度法分析體系的PAM含量[4-6]。

2.1 氧化降解實(shí)驗(yàn)(Fenton法)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)條件

本文在實(shí)驗(yàn)Fenton法對聚丙烯酰胺降解過程時(shí)，F(xiàn)eSO4·7H2O投放量分別為100、200、400、500、600 mg·L-1，H2O2(30%)的投放量分別為45、90、180 mg·L-1。

2.1.2 分步實(shí)驗(yàn)

2.1.2.1 溫度變化對聚丙烯酰胺降解影響實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)方法

取聚丙烯酰胺溶液100 mL，加入FeSO4·7H2O藥劑400 mg·L-1，加入H2O2(30%)藥劑90 mg·L-1，攪拌均勻，調(diào)節(jié)pH值為4，放入恒溫水浴鍋，設(shè)定溫度分別為30、40、50、60 ℃，反應(yīng)15 min后取樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺的殘存率。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)對不同溫度下反應(yīng)后聚丙烯酰胺殘存率的分析，總結(jié)降解率與溫度的關(guān)系，如表2。

表2 溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)表2所示，PAM的降解率隨著溫度的升高同時(shí)也在升高，但超過50 ℃后，降解率反而下降，因此，反應(yīng)的最佳溫度為50 ℃。原因可能是，適當(dāng)?shù)臏囟葧?huì)激活反應(yīng)過程中的自由基，但溫度過高時(shí)，會(huì)使得H2O2進(jìn)行分解，反而影響到反應(yīng)。

2.1.2.2 FeSO4·7H2O投放量變化對聚丙烯酰胺降解影響實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)方法

取聚丙烯酰胺溶液100 mL，加入FeSO4·7H2O藥劑量分別為100、200、400、500、600 mg·L-1，加入H2O2(30%)藥劑90 mg·L-1，攪拌均勻，調(diào)節(jié)pH值為3.0，放入恒溫水浴鍋，設(shè)定溫度為50 ℃，反應(yīng)15 min后取樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺的殘存率。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)對不同F(xiàn)eSO4·7H2O投放量的聚丙烯酰胺殘存率分析，總結(jié)出降解率與FeSO4·7H2O投放量變化關(guān)系，如表3。

表3 FeSO4·7H2O投放量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)表3所示，當(dāng)FeSO4·7H2O投放量為500 mg·L-1時(shí)，PAM的降解率最大。溶液體系中FeSO4·7H2O投放量表示Fe2+的投入量，F(xiàn)e2+與H2O2反應(yīng)，在溶液體系中生成大量的OH-，同時(shí)，F(xiàn)e2+被氧化成Fe3+，大量的OH-可以和有機(jī)物快速反應(yīng)，使聚丙烯酰胺迅速降解；而Fe3+與H2O2反應(yīng)生成O2H和Fe2+，O2H可以繼續(xù)氧化聚丙烯酰胺。

2.1.2.3 H2O2(30%)投放量對聚丙烯酰胺降解影響實(shí)驗(yàn)

1) 實(shí)驗(yàn)方法

取聚丙烯酰胺溶液100 mL，加入FeSO4·7H2O藥劑量為500 mg·L-1，加入H2O2(30%)藥劑量分別為45、90、180 mg·L-1，攪拌均勻，調(diào)節(jié)pH值為3.0，放入恒溫水浴鍋，設(shè)定溫度分別為50 ℃，反應(yīng)15 min后取樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺的殘存率。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)對不同H2O2(30%)的投放量的聚丙烯酰胺殘存率分析，總結(jié)出降解率與H2O2(30%)投放量變化關(guān)系，如表4。

表4 H2O2(30%)投放量變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

根據(jù)表4所示，H2O2(30%)投放量對PAM的降解并沒有特別大的影響。降解率微小變化的原因可能是,OH-與H2O2發(fā)生反應(yīng)，或者是2個(gè)OH-結(jié)合形成H2O2。這2個(gè)反應(yīng)都會(huì)使溶液體系中OH-減少，使得降解反應(yīng)相對減少，聚丙烯酰胺降解率微小降低。

2.1.3 總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2～表4可以得出聚丙烯酰胺最佳的氧化降解反應(yīng)條件為，溫度50 ℃、pH=3.0、FeSO4·7H2O投放量500 mg·L-1及H2O2(30%)投放量90 mg·L-1。Fenton試劑氧化降解聚丙烯酰胺發(fā)生的主要反應(yīng)是聚丙烯酰胺斷鏈，變成更小的聚丙烯酰胺分子，最后降解生成無機(jī)物。

2.2 光催化降解實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

本文在光催化聚丙烯酰胺降解過程中，選用催化劑分別為Fe2O3和TiO2；選用光源的種類分別為紫外燈、白熾燈和高功率紫外燈。

2.2.2 分步實(shí)驗(yàn)

2.2.2.1 不同催化劑對聚丙烯酰胺降解實(shí)驗(yàn)影響

1) 實(shí)驗(yàn)方法

取聚丙烯酰胺溶液300 mL，加入催化劑分別為Fe2O3和TiO2，加入催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%；選用紫外光照射，恒溫水浴溫度設(shè)定為25 ℃；在反應(yīng)過程中，間隔10 min取一次樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺殘存率。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)分析使用不同催化劑時(shí)反應(yīng)過程中聚丙烯酰胺殘存率，得出催化劑種類對PAM降解的影響，如圖1。

圖1 不同催化劑對降解影響圖

2.2.2.2 光源的種類對聚丙烯酰胺降解實(shí)驗(yàn)影響

1) 實(shí)驗(yàn)方法

取聚丙烯酰胺溶液300 mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的催化劑TiO2。分別選用紫外燈、白熾燈、高功率紫外燈照射，同時(shí)再進(jìn)行一組沒有燈光照射的對比實(shí)驗(yàn)。恒溫水浴溫度設(shè)定為25 ℃。在反應(yīng)過程中，間隔10 min取一次樣，檢測樣品中聚丙烯酰胺殘存率。

2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)分析使用不同光源時(shí)，反應(yīng)過程中聚丙烯酰胺殘存率，得出光源種類對PAM降解影響，如圖2。

圖2 不同光源對降解率的影響

根據(jù)圖2所示，在無光源和白熾燈照射下聚丙烯酰胺幾乎不降解，其中，PAM含量減少是因?yàn)榇呋瘎AM有一定的吸附作用，并沒有發(fā)生降解反應(yīng)。對比白熾燈和紫外燈照射情況可以得出，PAM光催化降解所需的光源為紫外光線和近紫外光線。對比紫外燈和高功率紫外燈情況可以得出，光的強(qiáng)度越大對降解反應(yīng)越有利。

3 結(jié)論

1) 在聚丙烯酰胺氧化降解實(shí)驗(yàn)中，最佳的氧化降解反應(yīng)條件為：溫度50 ℃、pH=3.0、FeSO4·7H2O投放量500 mg·L-1、H2O2(30%)投放量90 mg·L-1。

2) 在聚丙烯酰胺光催化降解實(shí)驗(yàn)中，最佳光催化降解反應(yīng)條件為，催化劑選用TiO2，光源選用高功率紫外燈。

3) 采用Fenton法、光催化法對聚丙烯酰胺進(jìn)行降解在技術(shù)上是可行的。本文對聚合物采油污水的處理提供理論依據(jù)。