聚丙烯酰胺絮凝剂性能与应用

聚丙烯酰胺絮凝剂（简称PAM）为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的磨擦阻力，按离子特性分可分为阴离子、阳离子、非离子、两性型四种类型。在石油开采、水处理、纺织印染、造纸、金属矿业、洗煤、医药、皮革厂、农业等行业中具有广泛应用。其中，在水处理中作助凝剂、絮凝剂、污泥脱水剂，以提高水处理过程中沉降、澄清、过滤、离心等工艺的效率；石油钻采中作降水剂、驱油剂；造纸过程中作助留剂、补强剂。
聚丙烯酰胺絮凝剂在废水处理中的絮凝作用是由于它的两个特点： 长链(线)状的分子结构和聚丙烯酰胺分子中含有大量活性基团。聚丙烯酰胺是直链状聚合物，因每个分子是由十万个以上的单体聚合构成，分子链相当长。它如果完全伸直，其长度要比一般的分子 (如蔗糖)或离子(如ca2+)长数万倍以上。由于它的分子长而细，会弯曲或卷曲成不规则的曲线形状。这个长分子链向外侧伸出许多化学活性基团：酰胺基－conh2及羧基－cooˉ。酰胺基是非离子性基团，但亦善于形成副价键而与其它物质的活性基团吸附并连结起来。由于聚丙烯酰胺分子长而细并有许多化学活性基团，它们能和沉淀微粒产生很多连接而形成较大的絮凝物，这些絮凝物的结构就象棉絮那样，松散、无定形，互相连结但不很稳固，内部有很多空间和很多微细的网络，包藏着大量液体，因而絮凝物的比重颇接近它所存在的液体本身。絮凝物中还网络了各种各样的微粒，这就将各种不同成分、不同性质、不同大小的微粒集合在一起。因此，良好的絮凝剂处理能将溶液中原有的微粒完全网络除去，使溶液显得特别清亮透明和有光泽。由于絮凝物的尺寸较大，它的沉降和过滤都比较快。聚丙烯酰胺絮凝剂与废水中胶体的絮凝作用是通过化学吸附和物理网络这两种形式产生的。根据上述机理可知，分子量较高、分子较长的聚丙烯酰胺，能吸附较多的微粒，形成网络的能力较强，故絮凝效能较好。同理，聚丙烯酰胺分子中羧基的比例适当也很重要，因废水中的胶体多数带负电，聚丙烯酰胺需要有适量的羧基通过钙离子架桥与它作用。但如果羧基含量太多，聚丙烯酰胺分子本身负电过强，本身分子之间的相斥力过大，也不利于絮凝作用。

石油工业上应用
一、聚丙烯酰胺絮凝剂在三次采油中的应用
聚丙烯酰胺絮凝剂的增稠、絮凝和对流体的流变性调节的作用所具备的性能使得它在石油开采中充 当了重要的角色。它广泛地被用于钻井、堵水、酸化水、压裂、洗井、完井、减阻、防垢和 驱油等方面。使用聚丙烯酰胺絮凝剂是为了提高石油的开采率。特别是许多油田已进入二次、三次开采，油藏深度一般都在1000m以上，有的油藏深度达7000m，地层的非均质性以及海上油田给采油作业提出了更加苛刻的条件，深层采油和海上采油相应地也给PAM提出了新的要求，要求它耐剪力，耐高温(100℃以上直至200℃)，耐钙离子、镁离子 ，耐海水降解。
PAM在高温高盐矿化水中的研究结果表明：
1、在矿化度很低(<20×10-6)时，无论浓度、水解度及相对分子质量大小如何， PAM水溶液的浊点均在204℃以上；二价阳离子浓度稍有增加，浊点即大大降低，水解度 越高，浊点降低越明显；
2、在等摩尔水平上比较，钙离子降低浊点的作用大于镁离子，Sr离子和Ba离子；
3、二价阳离子浓度大于等于100×10娟时，水解度是决定聚丙烯酰胺絮凝剂溶液浊点的关键参数；
4、相对分子质量和浓度也影响溶液浊点，但相对于水解度而言是次要因素；
5、聚丙烯酰胺絮凝剂水解后溶液浊点降低，水解是一平衡过程，水解平衡值随温度而不同；
6、在温度小于75℃时，聚丙烯酰胺絮凝剂在任何矿化度的水溶液中均稳定，超过75℃后，随温度 升高，沉淀物形成加快，降低水的矿化度可延长稳定时间，但要求的矿化度往往低于油田水 实际矿化度。
二、用作堵水调整剂
在油田生产过程中，由于地层的非均质性，常产生水浸问题，需要进行堵水，其实质是改变水在地层中的渗流状态，以达到减少油田产水、保持地层能量、提高油田最终采收率的 目的。聚丙烯酰胺絮凝剂类化学堵水剂具有对油和水的渗透能力的选择性，对油的渗透性降低最高 可超过10%，而对水的渗透性减少可超过90%。选择性堵水这一特点是其他堵水剂所没有的，通常按地层类型选择合适的聚丙烯酰胺相对分子质量。均质性好、平均渗透率高的油 层，可选用中相对分子质量((500～。700)×10。)的聚丙烯酰胺絮凝剂；基岩渗透率低的裂缝性油层或渗透率变化大的油层，可选用高相对分子质量(1000×10。以上)的聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺在使用时可不交联使用，但可与铝盐、铬盐、锆盐等交联生成凝胶使用，还可添加某些树脂以形成互容聚合物网络，使之具有更高的耐温性。该方法已在国内碳酸盐底水油藏高含水油田堵水中应用，取得明显效果。采用聚丙烯酰胺还可调整地层内吸水剖面及封堵大孔道，实践中已取得良好效果。
我国各油田在使用聚丙烯酰胺絮凝剂方面都做了大量试验。油田用平均相对分子质量为(300 ～350)×10‘，水解度为10%～15%的聚丙烯酰胺，在油井堵水上获得良好效果。采用水解度为30%，相对分子质量为400×10。的聚丙烯酰胺絮凝剂在地质钻探上，起到了维护孔壁稳定，防止钻孔渗漏的作用。采用水解度为30%的聚丙烯酰胺絮凝剂作钻井液处理剂，降低了钻井液的渗透速度，提高了钻孑L速度，缩短了钻井液的搅拌时间，因而减少钻井液搅拌和台数，提高黏土造浆率达30%～50%，。有时，在堵水中需使用部分交联的聚丙烯酰胺。为了提高堵水出油的选择性，交联度要尽量低些。聚丙烯酰胺絮凝剂的相对分子质量通常在(300—500)×10。之间，相对分子质量的选择以孔隙结构的渗透率为依据。渗透率大于1D的堵层，聚合物相对分子质量以300×10。左右为宜。渗透率更高时，叮用(500～800)×10。的聚丙烯酰胺。水解度也和堵层岩石的性质有关，灰岩吸附能力强，水解度应高些，约为20%～30%，砂岩吸附能力低，水解度为5%～20%。
三、用作钻井液调整剂、压裂液添加剂
作为钻井液调整剂，经常使用部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)，它由聚丙烯酰胺水解而得。其作用是调节钻井液的流变性，携带岩屑，润滑钻头，减少流体损失等。用聚丙烯酰胺调制的钻井液比重低，可减轻对油气层的压力和堵塞，容易发现油气层，并有利于钻井，钻井速度比常规钻井液高19%，比机械钻速高45%左右。此外，还可大大减少卡钻事故，减轻设备磨损，并能防止发生井漏和坍塌。
压裂工艺是油田开发致密层的重要增产措施。亚甲基聚丙烯酰胺交联而成的压裂液，因具有高黏度，低摩阻、良好的悬砂能力、滤失性小、黏度稳定性好、残渣少、货源广、配制方便和成本低而被广泛应用。
在压裂和酸化处理中，将聚丙烯酰胺絮凝剂配制成浓度为0．01%～4%的水溶液，泵入井下地层，使地层断裂。聚丙烯酰胺絮凝剂水溶液具有增稠携砂、降低压裂液流失的作用。而且，聚丙烯酰胺有降阻作用，因而能使压力的传递损失下降。
四、油井水泥外加剂
以AMPS与甲基丙烯酸、丙烯酰胺制备的三元共聚物，适用于各种盐水钻井液，起到良好的高温缓凝作用。美国：Halliburton公司推出的AMPS与丙烯酸的共聚物，AMPS与N，N 一二甲基丙烯酰胺的共聚物和羧甲基羟乙基纤维素组成的复合物作为油井水泥外加剂，可有效地降低水钻井液的高温滤失量。
五、钻井液处理剂
AMPS与丙烯酰胺和淀粉的接枝共聚物，AMPS与丙烯酰胺和N，N一二甲基丙烯酰胺的共聚物，AMPS与腐殖酸和丙烯酰胺的接枝共聚物在淡水钻井液、盐水钻井液、饱和盐水钻井液和海水钻井液中均具有较好的降滤失和抗温、抗盐能力。黏土分散和其他因素造成的污染往往引起钻井液的黏度增加，此时需要用降黏剂来控制钻井液的流变性。常见的、用量最大的钻井液降黏剂为铁铬木质素磺酸盐降黏剂(FCLS)。 AMPS与丙烯酸和甲基丙烯酸的三元共聚物用作钻井液降黏剂取代FCLS，即保留了FCLS良好的抗盐性能和抗温性能，又克服了FCLS的毒性。研究表明，三元共聚物比二元共聚物的抗高价金属离子的能力更强。
六、完井液和修井液添加剂
AMPS与丙烯酸和衣康酸的共聚物，可用作配制海水、盐水的增黏剂，使完井液黏度提高4倍以上，并且具有良好的热稳定性，克服了传统聚合物在盐水体系中黏度下降的缺点。
七、油田水处理剂
AMPS的均聚物与丙烯酸、丙烯腈、丙烯酰胺等形成的共聚物，可用作油田污水处理的絮凝剂、污泥脱水剂和防垢阻垢剂，F．Goodrich公司推出的由AMPS、丙烯酸和苯乙烯磺酸钠组成的三元共聚物对硫酸钙垢和磷酸钙垢都有很好的抑制作用，其阻垢率均达到97%以上。文献资料表明，以AMPS共聚物作水处理剂具有用量少，效果优于现有聚丙烯酰胺类水处理剂的特点。
作用原理
絮凝过程是目前国内外众多水处理工艺中应用最广泛、最普遍的单元操作之一，是废水处理过程中不可缺少的关键环节。絮凝效果的好坏往往决定了后续流程的运行状况、最终出水水质和费用，选择何种絮凝剂，对于提高出水水质、降低制水成本有着最为重要的技术经济价值。
工业废水涉及行业众多，污水的性质千变万化，在聚丙烯酰胺的药剂选择方面我们要根据实际水质和工艺流程综合考量，去做烧杯试验确定。经检测几家化工废水处理污泥脱水，有用到阳离子度特别高的甚至在50以上的，也有用到低阳离子聚丙烯酰胺，离子度只有20，看来污水的复杂性和工艺的复杂性越来越让人难以用经验来判断选择何种絮凝剂处理该行业污泥，只能具体问题具体分析。
1、絮凝作用原理：PAM用于絮凝时，与被絮凝物种类表面性质，特别是动电位，粘度、浊度及悬浮液的PH值有关，颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因加入表面电荷相反的PAM，能使动电位降低而凝聚。
2、吸附架桥：PAM分子链固定在不同的颗粒表面上，各颗粒之间形成聚合物的桥，使颗粒形成聚集体而沉降。
3、表面吸附：PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附。
4、增强作用：PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状。
5、聚丙烯酰胺在钻井中的作用：聚丙烯酰胺PAM作为一种多功能添加剂．在油田钻井工艺中用于泥浆的增调剂、稳定剂和沉降絮凝制以改进泥浆的流变性；能改进悬浮颗粒的大小，提高悬浮力，加速原油的过滤、分离。作为土壤结构成型剂，使井壁表面抗冲击性能提高，钻井通过启层时使不易分散的液浆获得高效的分离效果。使部分水解均聚丙烯酰胺与甲醛、乙二醛等发生羟甲基化反应而生成侧链含甲基的产物，在原油生产中可获得满意的效果。
在二次采油时将聚丙烯酰胺PAM注人盐水中，可提高盐水的喷射能力，从多孔的岩石表面有效地将原油萃取下来。在水～油乳液中加人聚丙烯酰胺PAM，可明显地降低乳液的粘度。加人贮油池内，可降低油池表面的含水量，降低采用成本。在石油开采中，可增加注人水的粘度，避免击穿油层，提高采油率。在第三次采油中用作增稠剂，增加驱油能力，提高油床开采效果。在油田领域内，更新的阴、阳离子的聚丙烯酰胺PAM可用于保护注人的地下水从启孔渗透并凝集回收原油，提高油井生产的经济性，控制水分向油层掺人。此外．PAM还用于压裂液添加剂、润滑剂、降阻剂等。在油田化学中，聚丙烯酰胺PAM是多用途的添加剂，如钻井液、洗井液、注水采油及提高采收率等都起着重要的作用。利用聚丙烯酰胺PAM线型大分子结构，在湍流状态下很容易按流动方向取向成长线条状，抑制湍流发展。PAM可作为降摩剂的理想材料，在原油的长距离管道输送中，加人0.lmg/L(原油量) PAM聚丙烯酰胺，就能大大地降低原油输送阻力，从而降低能耗。
6、技术流程：沉淀是发生化学反应时生成了不溶于反应物所在溶液的物质。从字意上理解就是在重力作用下沉淀去除。污水中的悬浮物质，可以这是一种物理过程，简便易行，效果良好，是污水处理的重要技术之一。
根据悬浮物质的性质、浓度及絮聚丙烯酰胺凝性能，沉淀可以分为：自然沉淀、絮凝沉淀、区域沉淀。域沉淀的悬浮颗泣浓度较高(5000mg/L以上)，颗粒的沉降受到周围其它颗粒影响，颗粒间相对位置保持不变，形成一个整体共同下沉，与澄清水之间有清晰的泥水界面。二次沉淀池与污泥浓缩池中均有区域沉淀发生。废水中悬浮固体浓度不高。二沉池污泥斗中的聚丙烯酰胺浓缩过程以及在浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩沉淀。自由沉淀发生在水中悬浮固体浓度不高，沉淀过程悬浮固体之间互不干扰，颗粒各自单独进行沉淀，颗粒的沉淀轨迹呈直线。整个沉淀过程中，颗粒的物理性质，如形状，大小及比重等不发生变化。这种颗粒在沉砂池中的沉淀是自由沉淀。聚丙烯酰胺废水中悬浮固体浓度不高，而且不具有凝聚的性能，在沉淀过程中，固体颗粒不改变形状，也不互相粘合，各自独立地完成沉淀过程。（沉砂池和初沉池的初期沉淀）压缩沉淀发生在高浓度悬浮颗粒的沉降过程中，由于悬浮颗粒浓度很高，颗粒相互之间已挤集成团块结构，互相接触，互相支承，下层颗粒间的水在上层颗粒的重力作用下被挤出，使污泥得到浓缩。二沉池污泥斗中的浓缩过程以及在浓缩池中污泥的浓缩过程存在压缩聚丙烯酰胺沉淀。絮凝沉淀是颗粒物在水中作絮凝沉淀的过程。在水中投加混凝剂后，其中悬浮物的胶体及分散颗粒在分子力的相互作用下生成絮状体且在沉降过程中它们互相碰撞凝聚，其尺寸和质量不断变大，沉速不断增加。悬浮物的去除率不但取决于沉淀速度，而且与沉淀深度有关。地面水中投加混凝剂后形成的矾花，生活污水中的有机悬浮物，活性污泥在沉淀过程中都会出现絮凝沉淀的现象。
7、使用原则
（1）颗粒状聚丙烯酰胺絮凝剂不能直接投加到污水中。使用前必须先将它溶解于水，用其水溶液去处理污水。
（2）溶解颗粒状聚合物的水应该是干净（如自来水），不能是污水。常温的水即可，一般不需要加温。水温低于5℃时溶解很慢。水温提高溶解速度加快，但40℃以上会使聚合物加快降解，影响使用效果。一般自来水都适合于配制聚合物溶液。强酸、强碱、高含盐的水不适于用来配制。
（3）聚合物溶液浓度的选择，建议为0.1%—0.3%，即1升水中加1g—3g聚合物粉剂。