毕业设计论文浊度法测定废水中聚丙烯酰胺的含量.docx

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毕业设计论文浊度法测定废水中聚丙烯酰胺的含量

致谢20

摘要

本论文采用次氯酸钠氧化法（浊度法），应用紫外分光光度计对部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）质量浓度进行测定，探讨了聚丙烯酰胺的相对分子质量、次氯酸钠溶液浓度、反应时间、波长、反应温度、矿化度等对透光率的影响，确定了测试的最佳条件，绘制了不同条件下测定HPAM质量浓度的标准曲线；研究了不同价态阳离子及阴离子的存在对该方法产生的影响，并提出了解决办法，对浊度法的实施给出了建议。

实验结果表明，该方法检测的HPAM质量浓度范围宽，精确度高，重现性好。

关键词：

部分水解聚丙烯酰胺；质量浓度；浊度法；透光率；矿化度

Abstract

Throughusingsodiumhypochloriteoxidation（turbiditymethod）,thequalityconcentrationofsomehydrolysispolyacrylamide（HPAM）weredeterminedbytheapplicationoftheuvspectrophotometer.relativemolecularmassofpolyacrylamidetoandtheconcentrationwith,

solutionconcentrationofsodiumhypochlorite,reactiontime,reactiontemperature,salinitywavelength,andtheinfluenceoflighttransmittanceweredisscussed.Theoptimumconditionwereconfirmed,andstandardcurveofHPAMqualityconcentrationwithdifferentconditionsweredrew.Thesolutionandtheimplementationofturbiditymethodareproposed.Theexperimentalresultsshowthatthroughthismethod,HPAMconcentrationhaswidetherange,highprecisionandgoodrepeatability.

Keywords:

parthydrolysisPAM;qualityconcentration;Turbiditymethod;Lighttransmittance;

salinity

第一章前言

大庆油田自20世纪60年代以来，一直十分重视三次采油的基础科学研究和现场试验。

大庆油田在会战初期就提出，如果采收率提高1%就相当于找到了1个玉门油田；如果提高5%，就相当于找到一个克拉玛依油田。

为此，大庆油田在萨中和萨北地区开辟了三次采油提高采收率试验区。

由于大庆原油属于石蜡基低酸值原油,开展表面活性剂驱难度很大，因此，20世纪80年代初，大庆油田开展了以聚合物驱为重点的三次采油科技攻关。

大庆油田聚合物驱油技术已大规模进入工业化应用，2000年大庆油田聚合物驱原油产量达900×104t以上，为大庆油田“高水平,高效益，可持续发展”作出了突出贡献。

1.1三次采油的基本概念及大庆油田应用的有利条件

1.1.1三次采油的基本概念和类型

三次采油是指油田在利用天然能量进行开采和传统的用人工增补能量（注水、注气）之后，利用物理的、化学的、生物的新技术进行尾矿采油的开发方式。

这种驱油方式主要是通过注化学物质、注蒸汽、注气（混相）或微生物等，从而改变驱替相和油水界面性质或原油物理性质。

目前世界上已形成三次采油的四大技术系列，即化学驱、气驱、热力驱和微生物采油。

其中化学驱包括聚合物驱、复配的三元复合驱等；气驱包括混相或部分混相的CO2驱、氮气驱、天然气驱和烟道气驱等；热力驱包括蒸汽驱、蒸汽吞吐、热水驱和火烧油层等；微生物采油包括微生物调剖或微生物驱油等。

1.1.2大庆油田进行三次采油的有利条件

（1）大庆油田油层非均质变异系数在0.16～0.18之间

大庆油田的油层温度适合聚合物驱研究结果表明：

正韵律、多段多韵律和复合韵律类型油层均适合聚合物驱，但油层渗透率变异系数Vk对聚合物驱效果影响极大。

大庆油田适合聚合物驱的2718×108t地质储量的油层，渗透率变异系数在0.1635～0.1718之间，恰好处于聚合物驱提高采收率最大的范围内。

（2）大庆油田的地层水矿化度适中

地层水和注入水矿化度的高低，对聚合物增粘效果影响极大。

海相沉积的油田，地层水矿化度一般为几万毫克每升，高者甚至十多万毫克每升。

聚合物在油层中的粘度很低，起不到降低流度比的作用，因而聚合物驱效果较差。

而陆相沉积的油田，地层水矿化度一般较低，聚合物在油层中的粘度损失较小，能起到降低油水流度比的作用，因此聚合物驱效果较好。

（3）大庆油田的油层温度适合聚合物驱

研究结果表明，在油层温度大于65℃时，聚合物就会发生严重的热氧降解。

大庆油田油层温度在45℃左右，不会发生热氧降解，因而在聚合物配注过程中，不需要除氧工艺。

从而可以大大提高聚合物驱的经济效益。

（4）聚合物驱油技术步入工业化生产,开创了三次采油新局面

从1996年起，聚合物驱油技术陆续步入工业化生产，到2000年底大庆油田已投入聚合物驱区块共14个，动用面积143144km2，地质储量25690×104t，总井数2368口。

2000年聚合物驱产油量已达900×104t以上，占大庆油田当年产油量的17%，开创了中国聚合物驱三次采油的崭新局面，成为21世纪大庆油田乃至中国石油可持续发展的重要技术支柱。

1.2几种测定聚丙烯酰胺浓度的方法

部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）的浓度测量是聚合物驱技术中的基本问题，是吸附滞留研究的关键手段，是矿场聚合物驱动态监测的重要项目，也是HPAM分子量和水解度测量所必需的数据。

因此，HPAM浓度分析技术发展很快，国内外均有大量文献报道[1-4]。

油田盐水成分复杂，矿化度、二价阳离子含量较高，胶束驱、碱表面活性剂聚合物驱采出液为乳状液或溶有原油而带较深的颜色，高温、高pH值条件下HPAM水解度明显增大，这些因素将严重影响HPAM浓度的准确分析。

1.2.1淀粉—碘化镉方法

Scoggins[5]和Miller[6]给出了该方法的反应机理。

溴与酰胺基反应生成溴代酰胺并水解转化成次溴酸，过量的溴用甲酸钠还原除去，次溴酸与淀粉—碘化镉显色剂反应生成蓝色的三碘淀粉络合物，然后用紫外分光光度计测量。

Scoggins等人[7]首次将淀粉—碘化镉方法用于油田盐水中HPAM浓度的分析，其研究结果表明。

将缓冲液pH值调至3.5可以消除样品中大量Cl-的干扰，在缓冲液中加入过量的Al3+能消除Fe3+和Bi3+等高价阳离子的干扰。

淀粉—碘化镉方法可以准确测量含有表面活性剂和溶有原油的带色样品中HPAM的浓度，很适合岩心实验流出液和大批量常规样品的分析。

碘和胺对该方法有影响。

淀粉—碘化镉方法反应步骤多，手工分析操作较繁。

用FIA技术改进后的淀粉—碘化镉方法具有反应灵敏、干扰因素少、精确度高和简单快速的特点。

1.2.2粘度法[8]

利用已知的一定剪切速率下的粘度和浓度关系，测出样品的粘度，插值求出浓度。

该方法要求粘度的变化正比于HPAM浓度变化，仅能用于已知组份的体系。

温度、离子强度、剪切速率、HPAM的分子量、水解度和分子量分布的变化都影响HPAM溶液的粘度。

该方法的应用受到严重限制。

1.2.3沉淀法[9]

用甲醇、丙酮或异丙醇等HPAM的非溶剂缓慢地使HPAM从溶液中沉淀，经过滤分离、真空干燥、称量后，测出HPAM的含量。

该方法相当费时，仅在HPAM浓度很高时使用。

样品中所含的盐或表面活性剂应在分析前用渗析的方法除去。

1.2.4离子色谱法（IC）[10]

利用离子色谱测量Na+含量从而求出水溶液中HPAM的浓度。

该方法仅在Na+含量和羧基含量相等时才能应用。

1.2.5浊度法

常用Hyamine1622（季铵盐）或次氯酸钠溶液与HPAM反应，生成不溶于水、悬浮在溶液中的化合物，然后用浊度计或分光光度计测量。

Allison等人［11］和Wimberly等人［12］用Hyamine1622作沉淀剂测量HPAM，水的矿化度、铁离子、甲醛和HPAM的分子量不影响测定结果，在有3%柠檬酸钠存在时浓度小于200mg/l的阴离子表面活性剂不产生干扰。

Kuehne等人［13］用次氯酸钠溶液作沉淀剂，用丁醇萃取分离阴离子表面活性剂以消除其干扰作用，这一萃取步骤增大了实验误差。

李学军等人［14-18］研究了次氯酸钠溶液作沉淀剂、有醋酸存在时在470nm处测吸光度的浊度法。

K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子和某些酸根离子对测定结果没有影响。

在标准液中加入等量的三价离子，才能消除被测样品中三价离子的干扰。

但是,HPAM与次氯酸钠、醋酸的比例不同，产生的标准曲线也不同，在测量未知样品时难以保证试液的加入量与所用标准曲线的要求一致。

陈立仁等人用新洁尔灭替代Hyamine1622作沉淀剂，建立了流动注射分析法，每小时可分析60个样品，重复性好,在30-200mg/L浓度范围内呈线性关系，但未报道干扰因素。

浊度法所需样品量重金属离子和阴离子表面活性剂干扰测量结果，影响了该方法的应用。

　1.3油田应用中测量方法的选择

以上讨论了五类测量HPAM浓度的方法。

除了沉淀法之外，所有方法都要受HPAM水解度变化的影响，用于制作标准曲线的HPAM的水解度应和待测水溶液中HPAM的水解度相同。

在这几种常用方法中粘度法可用于矿场高浓度HPAM注入液的常规质量监测，有快速简便的特点。

淀粉—碘化镉方法，特别是采用FIA技术的淀粉—碘化镉方法，不受矿化度、高价阳离子和表面活性剂的影响，也能用于矿场采出液中HPAM浓度的测量。

在进行大批量样品分析时，该方法分析速度快，重复性好，其优点是其它方法不可比拟的。

浊度法具有较高的准确度和较少的干扰因素，在油田有较广泛应用。

第二章实验部分

2.1仪器与试剂

2.1.1仪器

仪器名称

型号

生产厂家

紫外可见分光光度计

T6新世纪

北京普析通用仪器公司

电子天平（精确度0.0001克）

FA1604

上海天平仪器厂

超级恒温槽

超级恒温器

加热磁力搅拌器

超声波清洗器

SYC-15B

CS501型

EMS-9A

AS系列

南京桑力电子设备厂

重庆实验设备有限公司

天津欧诺仪器仪表有限公司

天津奥特赛恩斯仪器有限公司

2.1.2试剂

试剂名称

纯度

生产厂家

聚丙烯酰胺

分析纯

天津市科密欧化学试剂有限公司

冰醋酸

次氯酸钠

分析纯

分析纯

哈尔滨市新春化工厂

哈尔滨市新春化工厂

硫酸钠

碳酸氢钠

硫酸镁

硫酸铝

氯化钠

硫酸钾

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

分析纯

天津市北方天医化学试剂厂

广东汕头市西陇化工厂

广东汕头市西陇化工厂

广东汕头市西陇化工厂

广东汕头市西陇化工厂

广东汕头市西陇化工厂

2.2实验原理

冰醋酸与次氯酸钠反应生成Cl2,Cl2再与HPAM反应生成不溶性的氯酸胺使溶液浑浊.在一定条件下,其浊度值与HPAM的质量浓度呈线性关系，它可由分光光度计或浊度计来测定。

从预先绘制的标准工作曲线上查出,或由回归直线方程计算出所测的HPAM的质量浓度。

反应式为

NaClO+CH3COOHCl2+CH3COONa

OO

R-C-NH2+Cl2R-C-NHCl+HCl

2.3实验内容

2.3.1药品配制

（1）因为聚丙烯酰胺粘性很大所以在配制时需要十分细心，用电子天平称量0.15g左右聚丙烯酰胺与小烧杯中，配制时细心磕入带有搅拌子的反应器中，搅拌速度调至最大，但要保证水溶液不会溅出反应容器外以免造成损失而造成不必要的误差。

（2）对于冰醋酸溶液的配制可用移液管量取一定量（71mL）于250mL的容量瓶中摇匀备用；而对于次氯酸钠溶液的配制因其最佳放置时间不能太长，需要少于十四天，所以为避免造成更大误差一般无意外则多是现配现用。

（3）在配制其余药品氯化钠、硫酸钠、碳酸氢钠，硫酸钾，硫酸镁，硫酸镁，硫酸铝等时均需要用小烧杯于少量水中先溶之后再用聚丙烯酰胺母液溶放置一定时间后备用。

2.3.2反应过程

用移液管移取适量HPAM溶液于50mL的容量瓶中，然后按实验要求的药剂配比、反应温度加入5mol/L的冰醋酸溶液，轻轻摇匀，静止1～2min后再按配比加入3%的次氯酸钠溶液并摇匀。

约反应15min后有沉淀生成，反应完成时溶液会产生混浊。

用紫外可见分光光度计，在波长350nm处，1cm比色皿中按质量浓度由小到大的顺序测聚丙烯酰胺反应溶液的透光率，空白（清水或者矿化水加等量等浓度的冰醋酸溶液和等量等浓度的次氯酸钠溶液）溶液作参比。

其中高浓度的HPAM溶液浑浊度高,低浓度的浑浊度低，即不同浓度聚丙烯酰胺溶液的透光率不同。

第三章结果与讨论

3.1反应时间对透光率的影响

为了确定反应时间，指从加入次氯酸钠开始直至测定透光率数值之间的时间差与透光率的关系，在不改变其他即聚丙烯酰胺的分子量、反应温度、使用波长、配制溶液的矿化度测定条件情况下，对质量浓度为108mgL的聚丙烯酰胺溶液，按体积比VHPAM∶VCH3COOH∶VNaClO=1∶2∶2进行测试，如图3-1所示。

图3-1透光率随反应时间的变化曲线

由图3-1可知，随着反应时间的延长，生成氯酸胺沉淀的量逐渐增加，所以透光率不断减小。

且不同浓度次氯酸钠对反应影响不同，1.3%NaClO溶液在30min时吸收最大；2%的在25min时最大；3%的溶液在15min时最大；5%的在10min时最大，而相比之下5%的所需时间最短，但透光率太小，综合各条件后本实验选3%NaClO溶液为最佳条件。

最佳时间即15min。

3.2波长对透光率的影响

为确定反应波长与透光率的关系，在保持测定时间为15min、次氯酸钠最佳浓度为3%、反应温度、聚丙烯酰胺的分子量、溶液的矿化度等条件不变的情况下，在不同的测试波长下按反应药品体积比为VHPAM∶VCH3COOH∶VNaClO=1∶2∶2进行测试，结果见图3-2所示。

图3-2透光率随波长变化的关系曲线

由图3-2可知，随着波长的增大透光率的值随之减小，当波长为350nm时反应体系透光率最小即吸收最大，随波长继续增大透光率值呈上升趋势.。

由此可知最大吸收出现350nm处，因此采用紫外分光光度计进行测试时的最佳波长为350nm。

3.3测试温度对透光率的影响

为确定反应温度与透光率的关系，在聚丙烯酰胺的确定分子量为500万、反应时间为15min、最佳波长350nm、及溶液矿化度等测定条件情况下，对质量浓度为54、81mg/L的聚丙烯酰胺溶液，按体积比VHPAM∶VCH3COOH∶VNaClO=1∶2∶2在不同温度下进行测试，结果见图3-3所示。

图3-3透光率随温度变化的关系曲线

由图3-3可知，随温度的升高，透光率的值呈逐渐下降的趋势，当温度上升到约22℃时，透光率趋于稳定；随温度继续升高至25℃左右，透光率的值又开始上升。

因此在20～25℃之间进行测试时，透光率值基本不受温度的影响。

可见浊度法具有较好的精确性。

3.4矿化度对透光率的影响

在油田注入、采出液中都具有一定的矿化度，主要含有一、二价金属离子和三价金属离子及某些阴离子，这些离子对透光率都有一定的影响。

经调研得知大庆水矿化度约为3000-5000mg/L，所以本实验分别测定了总矿化度含量均为4500mg/L的硫酸铝、氯化钠、碳酸钠、硫酸钠、硫酸镁的聚丙烯酰胺溶液以及不同阴阳离子对透光率值的影响，并均按药剂体积配比为1∶2∶2，HPAM的质量浓度分别为0、27、54、81、108、135、150mg/L进行测试。

3.4.1矿化度对透光率的影响

针对大庆油田地层水中所含矿化度范围确定了总矿化度为4500mg/L后对含Al2（SO4）3、NaCl、NaHCO3、Na2SO4、MgSO4的HPAM进行测定，用2mL移液管准确移取2mL的HPAM溶液于容量瓶中，再加入4mL的5mol/L醋酸溶液，轻轻摇匀，静止1～2min后再加入4mL的3%的NaClO溶液并摇匀；15min后进行测样，用空白溶液（2mL清水配制的HPAM，4mL的5mol/L醋酸溶液4mL的3%的NaClO溶液）做参比。

结果如图3-4所示。

图3-4总离子浓度与透光率的关系曲线

由图3-4可知在水溶液的矿化度在2300-4000mg/L范围内时对透光率影响最小，而根据大庆油田水矿化度的范围（3000-5000mg/L）本实验将总水溶液的总离子矿化度调整为4500mg/L，所以对于大庆油田水使用浊度法时有一定限制。

3.4.2阳离子对透光率的影响

为了研究具体每种组分对透光率的影响分别配制阳离子不相同阴离子相同的Al2（SO4）3、MgSO4、Na2SO4、K2SO4溶液，浓度分别为1740、4600、1500、1500mg/l的HPAM，并按药剂体积比为VHPAM∶VCH3COOH∶VNaClO=1∶2∶2在HPAM的质量浓度为0、27、54、81、108、135、150mg/L时进行测试,结果如图3-5所示。

图3-5不同阳离子对透光率的影响曲线

图3-5可知不同一价、二价、三价金属阳离子在阴离子相同的情况下对透光率的值的影响趋势相同，影响聚丙烯酰胺浓度的因素包括聚丙烯酰胺的水解程度和反应程度，对于此过程在水解程度相同的情况下只有反应程度会影响透光率大小。

3.4.3阴离子对透光率的影响

保证阳离子相同的情况下配制阴离子不同的NaCl、NaHCO3、Na2SO4含量分别为2250、2250、1500mg/L的聚丙烯酰胺溶液HPAM浓度为分别0、27、54、81、108、135、150mg/L，操作如上，结果如图3-6所示。

图3-6不同阴离子对透光率的影响曲线

由图3-6可知不同阴离子对HPAM溶液透光率的影响趋势相同，当HPAM溶液水解程度一定并相同时对其影响较大的是反应程度即不同价态阴离子（一价和二价）对透光率的影响趋势随HPAM溶液浓度的增大而减小。

3.4.4不同价态离子对透光率的影响

保证阴离子相同的情况下配制阳离子不同的含Al2（SO4）3、MgSO4、Na2SO4分别为1740、4600、1500mg/Ｌ的HPAM的质量浓度为分别0、27、54、81、108、135、150mg/L的标液，操作如上，结果如图3-7所示。

图3-7不同价态离子影响的关系曲线

由图3-7可看出在三种离子不同的情况下影响趋势相似但三价离子对透光率的影响程度又区别于一价及二价离子，影响原因包括两方面聚丙烯酰胺的水解程度和反应程度，因而在双层作用下三价铝离子所在线下降趋势更大，即随HPAM浓度的增大铝离子线透光率降低的更快。

3.5不同相对分子质量聚合物的标准曲线

根据聚丙烯酰胺的固含量，将HPAM-300万、HPAM-500万、HPAM-1000万聚合物干粉配制成质量浓度为150ppm母液，用蒸馏水分别将其稀释成54、108、135mg/L的标准溶液，采用浊度法进行测试，在紫外分光光度计上测定透光率值，得到不同相对分子质量的聚丙烯酰胺的标准曲线由图3-8所示。

图3-8透光率随不同分子量变化的关系

图3-8可知，在相同的测试条件下，聚丙烯酰胺的质量浓度随着聚合物相对分子质量升高透光率值也随之增大。

部分水解聚丙烯酰胺属线型高分子直链式化合物，聚丙烯酰胺相对分子质量高，直链上酰胺基数目多，浊度法反应的透光率增大。

所以建议选用与实测水样中聚丙烯酰胺相近的聚合物干粉标准曲线进行测量。

同时从图中可看出对不同分子量HPAM其变化规律相同即浊度法的重现性较好。

3.6　标准曲线的绘制

根据上述实验确定的反应条件对不同HPAM试样，按不同的药剂体积配比进行测试，由图可知，HPAM与药剂（CH3COOH和NaClO）的体积配比对测试结果有较大影响。

测试时采用的体积配比不同，标准曲线中的直线部分对应的HPAM的浓度范围也不同如图3-9所示。

图3-9标准曲线—HPAM的质量浓度与透光率的关系

当HPAM、CH3COOH和NaClO溶液的体积配比为1∶1∶1可知呈直线关系的HPAM的质量浓度范围为27～45mg/L；体积配比为1∶2∶2时如图3-11可知呈直线关系的HPAM的质量浓度范围为20～60mg/L。

标准曲线是为测试未知试样的HPAM而绘制的，对HPAM、CH3COOH和NaClO溶液的体积配比进行适当的调整，即可在较宽质量浓度范围内对未知HPAM含量的试样进行检测。

由图可知体积比为1∶2∶2时线性范围较宽所以选其为最佳标准曲线继续做不同矿化度水溶液的标准曲线。

配制K2SO4含量情况分别为0、500、750、1000、1250、1500mg/L的HPAM溶液，然后用移液管移取2mL的HPAM溶液于50mＬ的碘量瓶中，再加入4mL的5mol/L醋酸溶液，轻轻摇匀，静止1～2min后再加入4mL的3%的NaClO溶液并摇匀；15min后进行测定以空白水样做参比。

结果如图3-10所示。

图3-10不同矿化度HPAM溶液的标准曲线

由图3-10可知，对于不同水质的油田水即矿化水与非矿化水对透光率的影响有很大差别，但对于不同矿化度HPAM水溶液的影响趋势基本相同，所以浊度法适用于不同地域油田水使其使用范围广不受地域差别限制，因而应用范围相对较广。

第四章结论

1．浊度法中一价、二价金属离子和硫酸酸根离子、氯离子、碳酸氢根离子的总矿化度对反应透光率的值基本无影响，而三价离子影响最大。

2．采用浊度法测定HPAM质量浓度时，加入次氯酸钠溶液时要轻轻摇匀，否则生成的沉淀小颗粒很快会聚集成大颗粒而影响测定结果。

3．HPAM溶液在配制时要慢慢磕入，以防聚丙烯酰胺聚集成块（聚丙烯酰胺黏度较大），均匀搅拌约2—4小时，搅拌时间不可过长防止机械降解之后需要放置二十四小时之后