通过对高分子聚合物在水溶液中的有效粒径和Zeta 电位的研究，探讨了无机盐对高分子聚合物絮凝性 能的影响。 研究结果表明：无机盐的存在对高分子聚合物的絮凝性能有不利影响，但随着无机盐浓度的增加，无机盐 对高分子聚合物絮凝性能的不利影响有减弱趋势。 就油田污水处理而言，低含盐情况下，应优先选用非离子聚合物 作为絮凝剂;高含盐情况下，应优先选用阳离子聚合物作为絮凝剂。
油田采出水的处理一直是油田生产过程中的重 要组成部分。 在众多油田采出水处理方法中，采用 有机高分子絮凝剂处理采油采出水具有用量小、絮 凝能力强、产生浮渣少、效率高等优点，已成为油田 采出水处理工艺中的重要一环。 近年来，针对油田 采出水处理的高分子絮凝剂发展迅速，新产品不断 问世，形成了类型齐全、规格品种系列化的新兴精细 化工领域。 由于油田污水多具有高矿化度、高电导 率等特点，因此就油田采出水处理而言，研究无机盐 对有机高分子聚合物絮凝性能的影响具有至关重要 的意义。
1 实验部分
1.1 实验原理
关于高分子絮凝剂的絮凝机理，一般有 2 种理论，一种理论归因于颗粒间的桥连作用，另一种 则认为是颗粒表面压缩双电层及电荷中和所致。从聚合物絮凝机理上来讲，非离子、阴离子聚丙烯酰胺 的絮凝作用均是以吸附架桥为主; 阳离子聚丙烯酰 胺的絮凝作用则由吸附架桥、 电荷中和及压缩双电 层等多种因素共同起作用。同等浓度下，高分子 絮凝剂在水溶液中形成的有效粒径大小直接关系桥 连作用的强弱，有效粒径越大，吸附架桥作用越 强;
聚合物表面的 Zeta 电位直接反映的是聚合物 的电中和及压缩双电层作用的强弱，Zeta 电位越高，电中和及压缩双电层作用越强，因此高分子聚合物在水溶液中呈现出的有效粒径及 Zeta 电位的变 化直接反映了聚合物在水溶液中絮凝能力的强弱。 笔者以系列聚丙烯酰胺类絮凝剂为研究对象，通过研究其在水溶液中的有效粒径及Zeta 电位的变化，考察了不同絮凝剂在水溶液中的状态特点，同时，根据油田采出水矿化度高的特点，着重分析讨论了无机盐浓度对不同类型聚合物絮凝性能的影响。
1.2 主要试剂
系列聚丙烯酰胺类絮凝剂，化学纯，法国 SNF 公司;NaCl、NaOH、HCl，分析纯，天津市化学试剂三 厂;去离子水，自制。
1.3 主要仪器及实验方法
本实验高分子聚合物在水溶液中的有效粒径 及 Zeta 电位的测定均采用英国 Manern 公司的 Zetasizer4 粒度与 Zeta 电位测量仪。 实验过程中，以 NaCl 来配制不同浓度的盐水溶液， 盐水 pH 均调为 6.5，测量温度为 20 ℃，聚合物质量分数均为1.0%， Zeta 电位的平均误差为2%。
2 实验结果与讨论
2.1 非离子聚丙烯酰胺在盐水溶液中的絮凝性能 选取相对分子质量分别为200万、300 万、500 万、 800 万及 1 300 万 5 种不同的非离子聚丙烯酰胺， 分别考察了盐浓度对其在水溶液中的有效粒径及 Zeta 电位的影响，结果如图 1、图 2 所示。
从图 1 和图2 可以看出，相同盐浓度下，相对分 子质量越大，非离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径越大， 同时其在水溶液中呈现出的 Zeta 电位 (为负值)越小。 这是因为聚丙烯酰胺在水溶液中的 有效粒径大小主要决定于分子链的长短， 相对分子 质量越大，其在水溶液中所占空间越大，有效粒径就 越大;同时聚丙烯酰胺链上的酰氨基—CONH2 是以 氢键为主的强吸附基团， 它能够吸附溶液中的氯离 子使整个聚合物链带负电荷，相对分子质量越大，聚 合物链越长，对溶液中的负离子的吸附能力就越强， 表现出 Zeta 电位越负。 随着盐浓度的增加，不同相 对分子质量的非离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效 粒径及 Zeta 电位均逐渐减小，当盐质量浓度为 5 000～10 000 mg/L 时， 盐浓度对非离子聚丙烯酰胺 在水溶液中的有效粒径及 Zeta 电位的影响较强;当 盐质量浓度为 10 000～50 000 mg/L 时， 盐浓度对非 离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径及 Zeta 电 位的影响逐渐变弱。 这是因为聚丙烯酰胺本身的吸 附作用，会使聚合物线团略带负电性，当体系中存在 大量的氯离子时，由于氯离子的半径较大，会对带负 电的聚合物线团有压缩效应， 这种压缩作用会使聚 合物线团缩小， 使得聚合物的有效粒径有缩小的趋 势。 低盐浓度下，由于聚合物链本身呈柔性结构，氯 离子对聚合物线团的压缩作用明显， 随着盐浓度的 增加，聚合物链逐渐收缩，趋于刚性结构，无机盐浓 度的变化对聚合物链的影响趋于减弱， 因而表现出 上述结果。
综合上述分析可知， 非离子高分子聚合物在水 溶液中带负电荷， 盐浓度的增加一方面会使非离子 聚丙烯酰胺的有效粒径减小， 同时会使聚合物表面 的 Zeta 电位更负，不利于该絮凝剂对油田采出水的 絮凝处理; 当盐质量浓度达到10 000 mg/L 以上时， 盐浓度的改变对非离子聚丙烯酰胺的有效粒径及聚 合物表面的 Zeta 电位的影响变弱，即对非离子聚丙 烯酰胺絮凝性能的影响减弱。
2.2 阴离子聚丙烯酰胺在盐水溶液中的絮凝性能
选取相对分子质量分别为 200 万、300 万、500 万、 800 万 4 种不同的阴离子聚丙烯酰胺， 分别考察了 盐浓度对其在水溶液中的有效粒径及Zeta 电位的 影响，结果如图 3、图 4 所示。
从图 3 和图 4 可以看出，随着盐浓度的增加，不 同相对分子质量的阴离子聚丙烯酰胺在水溶液中的 有效粒径及 Zeta 电位(负值)均逐渐减小，当盐质量 浓度达到 30 000 mg/L 后， 有效粒径及 Zeta 电位随 盐浓度的增加均不再有明显变化。 这是因为阴离子聚丙烯酰胺本身带有负电荷， 酰胺基的吸附作用也 使聚合物表面带有负电荷， 电荷排斥作用使整个分 子链倾向于呈舒展状态，分子结构呈柔性，有效粒径 较大;随着盐浓度的增加，溶液中大量的氯离子与聚 合物链上的负电荷发生排斥作用，盐浓度越大，排斥 作用越强， 结果表现为聚合物链收缩， 有效粒径减 小，电荷密度增大。 当盐质量浓度达到 30 000 mg/L 后，聚合物链收缩到一定程度，聚合物链由柔 性结构变为刚性结构， 溶液中的氯离子对聚合物链 的排斥作用不再影响聚合物结构， 因而有效粒径不 再随盐浓度的增加有明显变化， 聚合物链表面的电 荷密度也趋于稳定，Zeta 电位也不再有明显变化。
综合上述分析可知， 由于阴离子聚丙烯酰胺的 Zeta 电位为负， 不会对油田采出水中的负颗粒起到 电中和作用。随着盐浓度的增大，聚合物的有效粒径 减小，同时聚合物链表面的Zeta 电位更负，不利于 该絮凝剂对油田采出水的絮凝处理; 当盐质量浓度 达到 30 000 mg/L 后，盐浓度的变化对聚合物的有效 粒径及聚合物链表面的 Zeta 电位的影响均不再明显，即对阴离子聚丙烯酰胺絮凝性能的影响减弱。
2.3 阳离子聚丙烯酰胺在盐水溶液中的絮凝性能
选取 4 种不同的阳离子聚丙烯酰胺， 其相对分 子质量分别为 200 万、300 万、500 万、800 万， 其中 相对分子质量为 800 万、500 万及 300 万聚合物的 阳离子度为 15%，相对分子质量为 200 万的聚合物 的阳离子度为 20%。 分别考察了盐浓度对4 种不同 阳离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径及 Zeta 电位的影响，结果如图 5、图 6 所示。
从图 5 和图 6 可以看出，随着盐浓度的增加，阳 离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径及Zeta 电 位(正值)均呈减小趋势，这是因为阳离子聚合物链 对溶液中的负离子有静电吸引作用， 作用的结果是 阳离子聚丙烯酰胺的带电量减少， 聚合物链内部的 排斥作用力减小，聚合物链的舒展程度降低，表现出 聚合物在水溶液中的有效粒径及 Zeta 电位均有减 小趋势;此外，从图 5 还可以看出，相对分子质量为 300 万的聚合物(阳离子度为 15%)的曲线与相对分 子质量为 200 万的聚合物(阳离子度为 20%)的曲工业水处理 2015-06，35(6) 吴涛，等：无机盐对有机高分子聚合物絮凝性能影响研究73线几乎重合， 这充分说明了阳离子度的增加会增大 阳离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径。
综合上述分析可知， 由于阳离子絮凝剂的 Zeta 电位呈正值，有利于絮凝剂的电中和作用。阳离子度 的增加一方面会增加聚合物表面的 Zeta 电位，另一 方面还会增加阳离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效 粒径，有利于聚合物的絮凝性能。随着无机盐浓度的 增加， 阳离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径及 Zeta 电位(正值)均有减小趋势，不利于该絮凝剂对 油田采出水的絮凝处理;当无机盐质量浓度达到 30 000 mg/L 后，盐浓度的变化对聚合物的有效粒径 及聚合物链表面的Zeta 电位的影响均不再明显，即 对阳离子聚丙烯酰胺絮凝性能的影响减弱。
2.4 无机盐对 3 种聚丙烯酰胺絮凝性能影响对比
选取相对分子质量均为800 万的非离子聚丙烯 酰胺、 阳离子聚丙烯酰胺及阴离子聚丙烯酰胺 3 种 聚合物， 考察了盐浓度对不同类型高分子絮凝剂在 水溶液中的有效粒径及Zeta 电位的影响。
实验结果表明， 当盐质量浓度为 5 000～50 000 mg/L 时，聚合物在水溶液中的有效粒径大小顺序依 次为非离子聚丙烯酰胺>阳离子聚丙烯酰胺>阴离 子聚丙烯酰胺;随着盐浓度的增加，非离子聚丙烯酰 胺、 阴离子聚丙烯酰胺及阳离子聚丙烯酰胺在水溶 液中的有效粒径均有减小趋势，当盐质量浓度> 10 000 mg/L 后，盐浓度的增加对 3 种聚合物在水溶 液中的有效粒径的影响均逐渐变小。
当盐质量浓度为5 000～50 000 mg/L 时，聚合物 在水溶液中的 Zeta 电位大小顺序依次为阳离子聚 丙烯酰胺>非离子聚丙烯酰胺>阴离子聚丙烯酰胺; 随着盐浓度的增加，3 种聚合物在水溶液中的Zeta 电位均有减小趋势，当盐质量浓度>30 000 mg/L 后， Zeta 电位数值多趋于恒定， 盐浓度变化对 3 种聚合 物在水溶液中的Zeta 电位均不再有明显影响。
总之，就油田污水而言，低盐浓度情况下，聚合 物的絮凝过程以吸附架桥作用为主， 应优先选用非 离子聚合物作为絮凝剂;高盐浓度情况下，絮凝过程 中电荷中和起主导作用， 应优先选用阳离子聚合物 作为絮凝剂。
3 结论
(1)随着无机盐浓度的增加，非离子、阴离子及阳离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径及 Zeta电 位均逐渐减小，这对絮凝剂的絮凝作用是不利的;但 当无机盐质量浓度达到30 000 mg/L 以上后，无 机盐浓度的变化对聚合物絮凝性能的影响均不再 明显。
(2)相同的相对分子质量下，非离子、阴离子及 阳离子聚丙烯酰胺在水溶液中的有效粒径大小顺序 依次为非离子聚丙烯酰胺>阳离子聚丙烯酰胺>阴 离子聚丙烯酰胺， 这说明 3 种不同种类聚合物的絮 凝性能不同。在桥连作用上，相同条件下非离子聚丙 烯酰胺的性能最好，阳离子聚丙烯酰胺次之，阴离子 聚丙烯酰胺最差;在电荷中和作用上，由于油田水多 带负电荷，阳离子聚丙烯酰胺优势最明显，非离子聚 丙烯酰胺次之，阴离子聚丙烯酰胺最差。
(3)无机盐浓度越低，无机盐浓度的改变对聚合 物絮凝性能的影响越大， 因此对于低含盐量的油田 污水，应优先选用非离子聚合物作为絮凝剂;当油田 污水中的无机盐达到一定浓度后， 阳离子聚合物的 电中和作用会起主导作用， 应优先选用阳离子聚合 物作为絮凝剂。
原标题：无机盐对有机高分子聚合物絮凝性能影响研究
