鈉型蒙脫土結(jié)構(gòu)的電勢分析

鈉型蒙脫土結(jié)構(gòu)的電勢分析

近年來，隨著原油開采方式的改變，大量粘土、粘土和其他機械雜質(zhì)進入污水處理廠。筆者研究部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)及石油磺酸鹽對鈉型蒙脫土帶電情況及其結(jié)構(gòu)的影響,為進一步了解油田采出水中機械雜質(zhì)的穩(wěn)定性機理及機械雜質(zhì)的去除提供依據(jù)。1實驗1.1蒙脫土的處理鈉型蒙脫土由中國科學(xué)院化學(xué)研究所提供,粒徑為3.944μm,經(jīng)元素分析,其組分包括Na2O,MgO,Al2O3,SiO2,K2O,CaO,MnO,TiO2,Fe2O3,相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)分別為:9.75%,1.48%,7.95%,69.8%,0.446%,0.086%,0.0078%,0.0431%,1.06%,燒失量為9.38%。鈉型蒙脫土的處理按文獻的方法。蒙脫土母液的配制方法如下:稱取2g蒙脫土加1000mL去離子水,高速剪切(14000r/min)20min,室溫下老化16h。然后取母液加適量去離子水或溶液再于14000r/min的速率下剪切10min即得所需各濃度的懸浮液。部分水解聚丙烯酰胺由美國Pfizer公司生產(chǎn),產(chǎn)品牌號為3530S,粘均相對分子質(zhì)量為1.7×106,水解度為28.3%。石油磺酸鹽由勝利油田設(shè)計院提供,實驗用水均為去離子水。1.2儀器、儀器和儀器所用儀器包括日本島津XRD-6000型X射線衍射(XRD)分析儀、zsx-100e型SQX元素分析儀(日本理學(xué)株式會社生產(chǎn))、X射線熒光光譜儀、1162型zetaplus電勢分析儀(美國Brookhaven公司生產(chǎn))、CAT×120高速攪拌機(德國)、KQ2200E型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn))。2結(jié)果及其分析2.1石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)對電勢的影響測定了不同含量石油磺酸鹽溶液含200mg/L鈉型蒙脫土懸浮體的ζ電勢,結(jié)果見圖1。由圖1可見,當w(石油磺酸鹽)在0.001%～0.1%時,蒙脫土懸浮體的ζ電勢絕對值隨石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的增加而增加的幅度較大,而w(石油磺酸鹽)在0.1%～0.4%范圍內(nèi)時,鈉型蒙脫土懸浮體的ζ電勢隨石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的增加而增加的趨勢明顯變緩。這是由于帶負電的石油磺酸鹽離子可以通過氫鍵力或其他較強的作用力吸附到蒙脫土表面,從而導(dǎo)致了蒙脫土表面ζ電勢負值的增加。另外蒙脫土粒子的邊緣由于暴露出未鍵合的鈣鎂離子,從而使其邊緣帶上部分正電荷。隨石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的增加,石油磺酸鹽離子可進一步與帶正電荷的邊緣通過靜電作用而橋接到蒙脫土的邊緣或內(nèi)層,從而改變了蒙脫土的表面電荷和雙電層結(jié)構(gòu),使其ζ電勢的負值進一步增加。當石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)進一步升高時,石油磺酸鹽離子在蒙脫土上的吸附基本達到飽和,因而其ζ電勢變化的幅度減小;或者由于蒙脫土表面負電荷的增加,使其與帶負電的石油磺酸鹽離子之間的靜電作用力大到足以在一定程度上阻止石油磺酸鹽離子在蒙脫土上的繼續(xù)吸附,因此其ζ電勢變化的趨勢減小。2.2鈉型蒙脫土的電勢隨hpam值的變化配制不同質(zhì)量濃度的HPAM與200mg/L鈉型蒙脫土的懸浮液,放置24h取上層懸浮液測其ζ電勢,結(jié)果見圖2。由圖2可見,當HPAM質(zhì)量濃度較小時,鈉型蒙脫土的ζ電勢絕對值隨HPAM質(zhì)量濃度的增加而迅速增加,但HPAM的質(zhì)量濃度達到50mg/L時,其變化幅度明顯減小,HPAM的質(zhì)量濃度達到150mg/L以上時,鈉型蒙脫土的ζ電勢基本上不再變化。帶負電的HPAM可以通過—COO-與蒙脫土中Al3+間的靜電吸引力,或與蒙脫土表面羥基間的氫鍵、范德華力等結(jié)合到蒙脫土的表面,或由HPAM分子中的富電子基團如—NH2和—COO-等與蒙脫土表面的金屬離子形成配位鍵而結(jié)合到蒙脫土的表面,并且隨著聚合物質(zhì)量濃度的增加,原來平躺到蒙脫土表面上的聚合物分子開始卷曲,其吸附量也逐漸增加,從而導(dǎo)致了蒙脫土的ζ電勢絕對值隨HPAM質(zhì)量濃度的增加而變得更大。但當HPAM質(zhì)量濃度增加到一定值時,吸附到蒙脫土表面的部分水解聚丙烯酰胺分子達到飽和,故其ζ電勢基本達到恒定值;或者是由于吸附了HPAM的蒙脫土表面電荷的增加,使其與帶負電的聚合物之間的靜電斥力達到足以阻止聚合物在蒙脫土表面的進一步吸附,因而蒙脫土懸浮體的ζ電勢值基本不再發(fā)生變化。2.3石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)對蒙脫土電勢的影響配制含有200mg/L鈉型蒙脫土、一定質(zhì)量濃度的HPAM、不同質(zhì)量分數(shù)的石油磺酸鹽的懸浮液,放置24h后,取上層懸浮液測其ζ電勢。結(jié)果見圖3。由圖3(a)可以看出,當石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)較低時,蒙脫土在10mg/LHPAM與石油磺酸鹽復(fù)合體系中的ζ電勢絕對值明顯高于在相同質(zhì)量分數(shù)石油磺酸鹽溶液中的ζ電勢絕對值,且基本上等于蒙脫土于10mg/LHPAM溶液中的ζ電勢(-41.9mV)。說明石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)較低時,HPAM在蒙脫土上的吸附是引起蒙脫土ζ電勢變化的主要因素。隨石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的增加,蒙脫土于混合體系中的ζ電勢與單一石油磺酸鹽體系中ζ電勢的差別逐漸增加,當石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)足夠大時,二者的差別又逐漸減小。說明石油磺酸鹽含量足夠高時,越來越多的石油磺酸鹽離子吸附到蒙脫土上,蒙脫土ζ電勢的變化受石油磺酸鹽的影響越來越大,因此導(dǎo)致了其ζ電勢與單獨石油磺酸鹽體系中ζ電勢差別的減小;或者是隨石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的增加,吸附到蒙脫土上的HPAM分子鏈上結(jié)合的石油磺酸鹽離子越來越多,導(dǎo)致了兩種條件下ζ電勢值的差別減小。由圖3(b)可以看出,當聚合物質(zhì)量濃度較高時,在較低含量的石油磺酸鹽條件下,蒙脫土表面的ζ電勢隨石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)的改變而變化的幅度較小。說明當聚合物質(zhì)量濃度較高時,由于聚合物在蒙脫土上吸附量的增加使蒙脫土表面上的負電荷量明顯增加,靜電排斥作用的增強使石油磺酸鹽在蒙脫土表面上的吸附量減小;或者是當聚合物質(zhì)量濃度較高時,蒙脫土表面的大多數(shù)質(zhì)點被HPAM分子占據(jù),使石油磺酸鹽離子在蒙脫土表面上找到空位質(zhì)點的難度加大,導(dǎo)致了蒙脫土懸浮體的ζ電勢隨石油磺酸鹽含量的增加而變化的幅度減小。當石油磺酸鹽質(zhì)量分數(shù)較高時,蒙脫土的ζ電勢絕對值明顯升高,可能是石油磺酸鹽濃度較高的條件下,石油磺酸鹽離子與HPAM發(fā)生了競爭吸附,或越來越多的石油磺酸鹽離子吸附到聚合物鏈上從而導(dǎo)致了蒙脫土的ζ電勢明顯的改變。由圖3可見,蒙脫土于聚合物、石油磺酸鹽復(fù)合體系中的ζ電勢絕對值明顯高于相同質(zhì)量分數(shù)的石油磺酸鹽體系中的ζ電勢絕對值?？赡苁怯捎谑突撬猁}與部分水解聚丙烯酰胺共同吸附到了蒙脫土的表面或?qū)娱g,因此使其ζ電勢絕對值升高。2.4石油磺酸鹽和部分水解聚丙烯酰胺復(fù)合體系的晶體結(jié)構(gòu)及層間距的變化利用X射線衍射研究了蒙脫土與HPAM、石油磺酸鹽及蒙脫土與HPAM和石油磺酸共同存在時的相互作用,結(jié)果見圖4。其中,曲線1為蒙脫土—水體系;曲線2為蒙脫土—石油磺酸鹽體系,w(石油磺酸鹽)=0.01%;曲線3為蒙脫土—HPAM體系,ρ(HPAM)=10mg/L;曲線4為蒙脫土-復(fù)合體系,w(石油磺酸鹽)=0.01%,ρ(HPAM)=10mg/L。由圖4可見,加入石油磺酸鹽和部分水解聚丙烯酰胺后,蒙脫土的X射線衍射圖譜的高度明顯降低,但峰的位置未發(fā)生明顯的改變。說明石油磺酸鹽和部分水解聚丙烯酰胺的加入使蒙脫土的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變,但并沒有使蒙脫土的層間距發(fā)生明顯的變化,這可能是因為石油磺酸鹽分子尺寸相對較小,不足以引起層間結(jié)構(gòu)的變化,而HPAM主要結(jié)合到蒙脫土的表面或邊緣。但在石油磺酸鹽、HPAM復(fù)合體系中,蒙脫土的X射線衍射圖譜中峰的高度和位置都發(fā)生了明顯的改變,說明蒙脫土的晶體結(jié)構(gòu)和層間距均發(fā)生了變化。由于復(fù)合體系中石油磺酸鹽的作用,聚丙烯酰胺的線團結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,從而導(dǎo)致其與石油磺酸鹽一起結(jié)合到蒙脫土內(nèi)層結(jié)構(gòu)中。這也是導(dǎo)致石油磺酸鹽、HPAM復(fù)合體系中,蒙