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                聚丙烯酰胺涂層技術的研究

                發布日期:2015-05-04 14:58:32
                粉末
                  聚丙烯酰胺是應用最廣泛的水溶性聚合物之一,如水處理、制糖、造紙、洗煤、 選礦、土壤保水、油田鉆井、堵水調剖及三次采油等領域都不同程度地使用到聚丙烯 酰胺。由于貯存和運輸等原因,目前國內外使用最多的聚丙烯酰胺產品是粉末粉劑產品,但粉劑粒徑大于1mm時,在水中的溶解速度太慢,給配制造成困難,而粒徑小于0.212mm(細粉)時,又極易揚塵,嚴重污染生產和應用的工作環境。同時,細粉飄浮在 水中,極易結團,難于溶解,同樣給配制造成很大的困難。在生產聚丙烯酰胺粉劑的 過程中,不可避免的會產生大量細粉(約占產量的15%?25%),這些細粉必須篩出,才 不會影響現場應用。
                  
                  國外聚丙烯酰胺細粉的處理一般采用再團?;蛑瞥煞稚腋∫旱霓k法,國內在這 兩方面也作了一些工作。但這兩種方法存在工藝復雜、成本較高的問題,而且不能解 決生產中包裝時的粉塵污染問題。經過廣泛的調研和分析,我們認為聚丙烯酰胺細粉 極易揚塵的原因除細粉質量輕外,主要是聚丙烯酰胺細粉表面所帶靜電所致。因而,我們提出了聚丙烯酰胺涂層處理方法。通過對聚丙烯酰胺細粉表面涂層處理,屏蔽消 除或降低細粉表面所帶靜電,就可以消除或減弱細粉間的靜電斥力,從而抑制揚塵現 象:研制出了高效涂層劑并設計出了相應的涂層工藝,經涂層處理后聚丙烯酰胺細粉 不揚塵且溶解迅速,其余各項應用性能指標基本不變,部分指標優于涂層前的聚丙烯 酰胺。本技術已在大慶石油管理局油田化工總廠進行了工業化試生產(21t),并在大慶 石油管理局采油三廠、采油四廠和采油六廠試驗大隊分別進行了配注試驗。結果表 明,涂層后的聚丙烯酰胺(含細粉小于30%)無論在聚丙烯酰胺生產線的包裝崗位,還是 在聚合物配制站的卸料崗位,均基本上消除了揚塵現象,優于原篩分過的聚丙烯酰胺 正品,其余各項應用性能指標基本不變。
                  
                  2聚丙烯酰胺細粉涂層技術 2.1涂層劑的研制常用的固體粉末涂層(或包囊)技術都是采用將固體粉末浸漬在涂層劑溶液中,或 將涂層劑溶液均勻地噴在固體粉末表面,而后沸騰干燥,使每個固體粒子根據應用要 求包上一層或多層涂層劑,但這些方法要求有特殊的涂層設備,且生產運行成本高。 針對聚丙烯酰胺的特性,我們認為在聚丙烯酰胺細粉表面涂上一層非離子性物質,就 可消除或降低聚丙烯酰細粉表面所帶的靜電。通過實驗,我們合成出了適用的涂層劑TC-06,其主成分結構為 根據產品應用性能(如水溶性、耐溫性)的要求進行調整。由涂層劑TC-06主成分的紅外 光譜圖(見圖1)知涂層劑TC-06主成分含羥基、醇醚和芳香酚醚。為了簡化涂層工藝并 降低涂層運行費用,我們在涂層劑組分中加入了高效分散劑和成膜劑。
                  
                  L111r.—■ oEo o o w & w J, ^.o^l.oJ.0 3.3.1.1 Ln.0.
                  
                  圖1涂層劑TC-06主成分紅外譜圖 Fig.1 IR spectroscopy of main constituent for coating agent TC -062.2涂層工藝流程由于研制的涂層劑為無溶劑體系,不需除去溶劑的工序,因而大大簡化了涂層工 藝并降低了運行費用。根據涂層劑的特性,我們設計并加工出了涂層模擬裝置,(見圖 2)。
                  
                  圖2聚丙烯酰胺涂層工藝流程 Fig.2 Flow diagram of coating for polyacrylamide2.3涂層劑的作用機理探討涂層劑TC-06主要分屬極性非離子表面活性劑,分子中除極性基團外,還存在羥 基,而聚丙烯酰胺分子鏈中存在可形成氫鍵的基團(如-NH2)。因此,涂層劑TC-06與聚丙烯酰胺粉末表面的作用主要是靠氫鍵和色散力進行的吸附。正是由于涂層劑與聚 丙烯酰胺粉末的這種相互作用,使涂層劑易于均勻地在聚丙烯酰胺粉末表面形成吸附 層或吸附膜,達到涂層的目的。從實驗室對細粉表面光電子能譜U]的測定結果(見表 1)知,涂層前后細粉表面所含N、O、C元素的結合能幾乎沒有發生變化,說明細粉與 涂層劑之間沒有成鍵反應,細粉涂層技術只是一個物理吸附過程,未發生任何化學反 應。涂層后的聚丙烯酰胺細粉與水接觸時,在一定時間內由于涂層劑的隔離作用,細 粉間相互分離,而且涂層劑的表面活性作用先削弱了水的氫鍵締合作用力[2],降低 了細粉進入水中的阻力,使細粉更易于進入水中溶解,而較不易結團形成魚眼。
                  
                  三次采油用的聚丙烯酰胺是部分水解聚丙烯酰胺,所以聚合物分子鏈中存在羧鈉 基(-COONa),由于固體表面處于不飽和狀態,而使聚丙烯酰胺粉末表面必然帶有負 電性[3,4]。由于聚合物表面的帶電,使其相互接觸和分離時,都很容易產生靜電 荷,接觸起電基本上是靜止狀態。當聚合物間或聚合物與其它固體接觸摩擦時,還會 產生動態下的摩擦生電效應,使聚合物表面帶上靜電。當聚合物具有很高的絕緣性 時,不能迅速排除所產生的靜電,則摩擦生電效應將會很明顯[5,6]。
                  
                  由測量聚丙烯酰胺細粉表面電荷和細粉自然坡度角的結果(見表2)知:(1)聚丙烯酰 胺細粉表面涂層前后均帶負電荷;但涂層后細粉表面電荷比涂層前少一個數量級,說 明涂層確實起到屏蔽降低細粉表面電荷的作用;通常地球表面晴天時,電場(約為幾百 伏/米)對負電荷的作用力向上,所以聚丙烯酰胺細粉一旦飛散于空氣中,就更不易降 落,這就是聚丙烯酰胺細粉易于揚塵的主要原因。經涂層處理后的聚丙烯酰胺細粉, 由于細粉表面存在非離子性涂層劑的屏蔽作用,消除或降低了細粉表面的電荷,從而 降低了細粉的揚塵現象;(2)細粉表面涂層后的自然坡度角比涂層前大。所謂自然坡度 角又稱自然安息角,指細粉自然堆積時形成角錐體的斜面與水平面之間的夾角。其值 的大小代表細粉流動性的好壞,其值愈大代表細粉的流動性愈差,則細粉顆粒間內摩 擦越大,從而也就不易于飛散于氣流中,即不易揚塵。
                  
                  表1聚丙烯酰胺細粉的光電子能譜實驗結果 Table 1 Experiment result of photoelectron spectrum for polyac rylamide powder項目涂層前細粉(元素)涂層后細粉(元素)
                  
                  CNOCNO288.48288.32286.53531.97286.47531.89結合能,eV284.63399.27529.97284.51399.36529.87282.59282.15表2聚丙烯酰胺細粉表面電荷測定結果*Table 2 Values of surface charge and natural inclined angle for polyacrylamide powder*細粉溫度(〇c)相對濕度 (%)C(pF)V(v)m(g)qo(nC/g)〇(°)
                  
                  涂層前10.16336.073521.50-1.2344涂層后10.26337.4710113.20-0.235約90涂層前10.95036.874018.92-1.4443涂層后10.95036.2500138.56-0.131約90涂層前16.05436.569524.79-1.0245涂層后16.05437.3420145.26-0.108約90*涂層劑用量為細粉質量的1%Q,C-電容,V-電壓,m-質量,q。-表面電荷,O-自然坡 度角2.4室內涂層效果評定2.4.1細粉含量對涂層效果的影響表3列出了不同細粉含量的聚丙烯酰胺涂層前后的主要性能指標??梢钥闯?,不同 細粉含量的聚丙烯酰胺涂層前后的主要性能指標基本不變,涂層后的聚丙烯酰胺水溶 液粘度還稍有提高,說明涂層劑對各粒徑聚丙烯酰胺均有效,且不會影響聚丙烯酰胺 的產品質量。實驗中也發現,細粉含量越高,樣品的流動性越差??紤]到聚丙烯酰胺 生產中細粉含量不可能超過30 %。的實際情況,以后的實驗將細粉含量控制在30%。以 內。
                  
                  表3不同細粉含量的聚丙烯酰胺涂層效果測定結果:Table 3 Values of coating effect for polyacrylamide with diffe rent concentration powder*試驗樣品固體質量分數 (%)特性粘度 (ml/g)分子量(X10-4 )過濾因子粘度 (mPa +s)溶解速度 (h)
                  
                  100%。細粉涂層前90.3416591102.61.0938. 8〈2涂層后90.5518781330.91.1139.9〈250%。細粉涂層前90.2617911238.51.1340.7〈2涂層后90.8818441295.21.1447.6〈236%〇細粉涂層前90.5119881450.01.0440.8〈2涂層后90.0417881237.01.0542.7〈215%細粉涂層前89.8417051149.81.0838.1〈2涂層后91.5718751327.71.1150.6〈2*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的1。/,采用大慶石油管理局企業標準Q/DQ0977 -1996進 行測定。
                  
                  2.4.2涂層前后聚丙烯酰胺增稠性、鹽敏性和剪切穩定性以細粉含量30%的聚丙烯酰胺進行涂層前后的增稠性、鹽敏性和剪切穩定性對比 測定,測定結果分別見圖3、表4和表5??梢钥闯觯海?)涂層前后的聚丙烯酰胺增稠能 力基本一致,即涂層劑對聚丙烯酰胺的增稠性能基本無影響;(2)涂層后聚丙烯酰胺的 耐鹽性能有所提高。這可能是由于表面活性劑(涂層劑)在鹽水中與聚丙烯酰胺分子發 生了疏水締合效應,降低了聚丙烯酰胺分子在鹽水中的卷曲程度所致。(3)涂層聚丙烯 酰胺剪切后粘度保留率更高,即涂層劑有助于提高聚丙烯酰胺的抗剪切能力。涂層劑 與聚丙烯酰胺分子發生疏水締合作用,可以解釋這一現象。
                  
                  圖3聚丙烯酰胺的增稠性 Fig.3Property of thicken for polyacrylamideTable 4表4聚丙烯酰胺的鹽敏性*Property of salt sensitivity for polyacrylamide*NaCl濃度(mg/L)100050001000050000粘度(mPa.s)涂層前40.821.512.65.0涂層后37.019.715.56.0*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的0.15%;PAM濃度為1000mg/L;布氏粘度計(LVT, UL,45°C,7.34s-1)〇
                  
                  表5聚丙烯酰胺的剪切穩定性*Table 5試驗樣品粘度(mPa.s)
                  
                  粘度保留率(%)
                  
                  Property of shear stability for polyacrylamide歸/奪_琴2000/0002/0002奉(第 6/12 頁”010-3-23 8邏剪切前涂層前36.0涂層后34.9剪切后33.233.092.294.6*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的1Q%;1000mg/LNaCl鹽水溶液;PAM濃度為1000mg/L; 吳茵攪拌器(40V電壓下,低檔剪切30mm);布氏粘度計(LVT,UL,45C,7.34s-1)。
                  
                  2.4.3涂層前后聚丙烯酰胺的熱穩定性以細粉含量30%的聚丙烯酰胺進行熱穩定性考查對比測定,將配好的聚丙烯酰胺溶 液置于玻璃瓶中,不脫氧,封口,并置于45C恒溫箱中,觀查一個月,對比測定前后 的粘度,見表6??梢钥闯?,涂層后的聚丙烯酰胺粘度保留率明顯提高,即涂層劑有助 于聚丙烯酰胺溶液的抗熱氧降解。這是因為涂層劑分子中的醇醚和芳香醚基團均是高 效的自由基清掃劑,可轉移或清除聚丙烯酰胺溶液由于熱氧產生的自由基。
                  
                  2.4.4涂層前后聚丙烯酰胺的吸附性配制1000mg/L聚合物溶液,按固/液比1:8準確稱取50g150?212 pm石英砂和 40g1000mg/L聚合物溶液放于50mL具塞錐形瓶中,搖勻;將錐形瓶置于恒溫水浴中, 45°C下恒溫振蕩12h,在8000r/min速度下將吸附平衡后溶液分離,用分光光度法測吸附 前后聚合物濃度的變化,計算吸附量,結果見表7。由表7看出,涂層對聚丙烯酰胺在 石英砂中的吸附量沒有大的影響,即涂層前后聚丙烯酰胺在地層中的吸附損耗基本不 變。
                  
                  表6聚丙烯酰胺的熱穩定性*Table 6Property of heating stability for polyacrylamide*試驗樣品粘度(mPa.s)粘度保留率(%)
                  
                  0(d)30(d)
                  
                  涂層前36.026.874.4涂層后34.928.080.2*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的1Q%;1000mg/LNaCl鹽水溶液;PAM濃度1000mg/L;布 氏粘度計(LVT,UL,45°C,7.34s-1)。
                  
                  表7聚丙烯酰胺的吸附性*Table 7 Property of absorption for polyacrylamide*聚合物吸附前濃度 (mg/L)吸附后濃度 (mg/L)濃度差(mg/L)吸附量UgPAM/g)
                  
                  涂層前1088.91033.955.0440.0涂層后1101.21052.748.5380.0*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的0.15Q%;1000mg/LNaCl鹽水溶液;721分光光度計。
                  
                  2.4.5涂層前后聚丙烯酰胺的驅油結果(1)阻力系數和殘余阻力系數的測定將巖心烘干,稱重,抽真空,飽和水,計算孔隙體積;分別以相同的1.0mL/mm的 注入速度先注入0.1Q%NaCl水溶液至穩定壓力Pwb;再注入0.1Q%NaCl鹽水配制的聚丙烯酰胺溶液至穩定壓力Pp;最后注入0.1%NaCl水溶液至穩定壓力Pwa,計算阻力系數和殘余阻力系數,結果見表8。由表8看出:涂層前后聚丙烯酰胺的阻力系數和殘余阻力系 數,基本沒有變化。
                  
                  表8聚丙烯酰胺阻力系數和殘余阻力系數測定結果*Table 8 Values of resistance coefficient and residual resistan ce coefficient*巖心編號長度(cm)直徑(cm)孔隙度(%)滲透率(pm2)阻力系數殘余阻力 系數樣品備注L115.002.5228.20.128710.924.15涂層前人造巖心L125.102.5227.60.139411.024.25涂層后人造巖心L2130.32.1739.40.24408.823.84涂層前填砂管L2230.32.1738.90.23848.673.77涂層后填砂管*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的0.15Q%,Pfrizer巖心流動儀,溫度45°C(2)驅油效率測定將填砂管內填一定粒徑的石英砂,稱重,抽真空,飽和水,計算孔隙體積;用0.1% NaCl水溶液測填砂管巖心滲透率:飽和油(10mPa.s),計算束縛水飽和度;經過以下驅替 過程:水驅2PV(含水大于95%),PV聚丙烯酰胺溶液43PV0.1%NaCl,驅替速度為 0.5mL/min,最后計算驅油效率,結果見表9。由表9可以看出:不論對單管巖心還是雙 管巖心,涂層前后的聚丙烯酰胺溶液最終提高采收率程度基本沒有變化。
                  
                  表9聚丙烯酰胺的驅油效率 Table 9 Values of oil-displacing efficient for polyacrylamide*巖心編號孔隙度(%)滲透率(^m2)束縛水飽和度水驅采收率(%)注2PV水 后含水率 (%)最終米收率(%)米收率增量(%)樣品備注L5135.81.2400.3270.5798.077.436.86涂層前單管L5236.21.2700.3171.4298.078.156.73涂層后單管39.22.4760.32L6135.61.2200.3454.2398.068.4214.19涂層前雙管L6239.82.4930.3253.4998.068.0714.58涂層后雙管35.41.1800.35*涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的0.15〇%;PAM濃度1000mg/L;1000mg/L NaCL鹽水溶 液;Pfnzer巖心流動儀;溫度45C〇
                  
                  3涂層劑用量的確定涂層劑用量越大,每個聚丙烯酰胺粉末表面的涂層厚度就越大,屏蔽粉末表面電荷 的效果就越好,細粉就越不易揚塵。另一方面,涂層劑用量越大,聚丙烯酰胺粉末的 自然坡度角就越大,流動性能也就越差,造成裝料和卸料速度變慢,嚴重時會影響生產 效率,而且涂層劑用量越大,涂層成本就越高,會影響生產的經濟效益。但涂層劑用量 太少,粉末表面的涂層厚度就薄,甚至有些顆粒表面根本沒有涂層,這樣就起不到降低 粉塵的目的。因此,涂層劑用量的確定必須綜合考慮降低粉塵效果、流動性能和成本三 個方面。以細粉含量30%的聚丙烯酰胺分別加入不同量的涂層劑,觀察效果,結果見表 10。綜合降粉塵效果、流動性能和成本三個方面,確定涂層劑用量為聚丙烯酰胺質量的 0.150/〇。
                  
                  表10涂層劑用量與樣品性能的關系*Table 10 Relations between concentration of coating a gent and product property*涂層劑用量(%)粘度(mPa.s)揚塵現象流動性能142.7無比原產品明顯差0.541.8無比原產品明顯差0.2541.0無比原產品稍差0.2040.8基本無塵比原產品稍差0.1540.5基本無塵與原產品相近0.1040.8與原產品相近與原產品相近040.8比原產品明顯大與原產品相近*原產品指大慶油田化工總廠生產的細粉含量<3%的聚丙烯酰胺產品。
                  
                  4涂層技術工業化試生產及涂層的現場應用試驗4.1涂層技術工業化試生產我們在大慶油田化工總廠進行了涂層技術工業化試生產。從試生產結果(表11、表 12)看,涂層處理前后聚丙烯酰胺的各項應用性能指標基本不變,與室內試驗的效果基 本一致。我們看到,聚丙烯酰胺(含細粉3%以下)在振篩機下料包裝處,粉塵彌漫,包裝 袋袋口也有陣陣的粉塵上揚,該操作崗位的環境極為惡劣,地面上白白的一層細粉。而 涂加涂層劑涂層后的聚丙烯酰胺(含細粉25%?30%)在振篩機下料包裝處,基本上看不 到揚塵現象,包裝袋袋口也無粉塵上揚,大大地改善了該操作崗位的環境,也避免了細 粉的損失。
                  
                  表111998年3月1日試生產結果Table 11 Results of preproduction in 1998.3.1產品固體質量分數(%)平均分子量(X10-6)水解度(%)不溶物(%)過濾比溶解速度(h)水溶液粘度(mPa.s)殘余單體(%)粒級百分數(%)
                  
                  <0.212mm0.212? 1mm>1mm涂層刖91.9911.922.92<0.21.0<2.038.90.003733.7165.450.84涂層后91.3311.824.72<0.21.0<2.039.10.003624.7674.480.764.2涂層聚丙烯酰胺的現場應用試驗將涂層聚丙烯酰胺分別送到大慶油田采油三廠、四廠和六廠試驗大隊,進行現場配 制和注入試驗。從現場應用試驗結果看到,涂層聚丙烯酰胺(細粉含量不超過30%)卸料 基本無塵,明顯優于原油田化工總廠的聚丙烯酰胺產品(細粉含量小于3%)。溶解速度有 所提高,不會產生魚眼,其余各項性能指標基本不變。
                  
                  5涂層技術的經濟、社會和環境效益本涂層處理技術在生產線上采用帶式混合器中直接加入涂層劑,不需要經過細粉分 離,節省了細粉分離和包裝用小包裝袋的費用。涂層劑價格為4萬元/t,添加比例為 0.15%,允許細粉含量最大為30%。
                  
                  表12總懸浮顆粒物監測結果統計表*Table 12 Statistics of detection values for total suspended particles*取樣編號加涂層劑前(mg/m3)加涂層劑后(mg/m3)下降率(%)
                  
                  1#10.6670.93391.32#9.2670.73392.1*該標準米用GB-73中規定的濃度標準為100mg/m3大慶油田化工總廠聚丙烯酰胺產量為50000t/a,篩出細粉約為6000t/a,則正常生產 中涂層處理技術創效益為6346.8萬元/a,庫存3265t,已分離出的細粉處理還可創直接經 濟效益為3235萬元。由于米用了在線細粉處理技術,細粉不用分離,增加了6000t/a的合 格品。
                  
                  1998年5月,大慶市環境監測中心站對聚丙烯酰胺1?4生產線的2號裝置,在聚丙烯 酰胺加涂層劑前后分別對周圍環境空氣的總懸浮顆粒物進行了監測,結果見表12。由表 12可以看出:加涂層劑后總懸浮顆粒物下降率達90%以上。大大改善了生產裝置和現場 配制的粉塵問題。
                  
                  6結論與建議1.通過室內評定、工業化試生產和現場應用試驗證明,本涂層劑具有很好的降低聚 丙烯酰胺細粉揚塵效果。采用本涂層技術可在聚丙烯酰胺正常生產中和處理庫存細粉中 取得顯著的經濟效益和社會效益,同時,大大改善了生產裝置和現場配制的粉塵問題。
                  
                  2.設計的涂層工藝簡便易行,便于推廣應用。
                  
                  3.室內對照實驗表明涂層后聚丙烯酰胺的抗剪切能力、耐鹽能力和熱穩定性均有一 定程度的提高,說明涂層后的聚丙烯酰胺更適用于三次采油領域。
                  
                  4.由于聚丙烯酰胺等水溶性聚合物吸入人體,呼吸及腸胃系統被粘阻,而影響身體 健康,采用本涂層技術可有效地降低粉塵危害。
                 
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