目前我国大多数油田已处于开发中后期,为维持油田的稳产增产,包括聚合物驱在内的三次采油工艺技术已大规模应用〔1〕。我国已成为世界上使用聚合物驱油技术规模最大、大面积增产效果最好的国家〔2, 3〕。但这也使得采出污水中聚合物的含量在逐年增加,如东部某油田联合站脱后污水含聚物高达480 mg/L〔1〕。聚合物的存在使污水黏度成倍增大,地面污水设施处理能力下降,严重时会导致处理后污水含油量和悬浮物含量严重超标〔4, 5〕,对污水回注和污水排放影响很大。阴离子型部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)是目前油田现场应用较多的聚合物之一,其稳定性较高、不易降解,必须在极高的温度及强氧化性的环境下才能降解〔6, 7〕。 臭氧氧化在处理难降解聚合物时具有氧化能力强、反应速率快、无二次污染等优点,但是臭氧成本高,限制了其在水处理方面的应用〔8〕。微波辐射水溶液,不仅能使局部微小点的温度急剧上升而形成瞬间高温,可降解聚合物,而且也可为氧化剂降解聚合物创造一个良好的反应环境〔9, 10〕。笔者研究了微波强化臭氧降解聚合物技术,以期为油田的现场应用提供参考。 1 实验部分 聚合物:国产阴离子型部分水解聚丙烯酰胺(HPAM),相对分子质量2 000万,水解度30%。 仪器:MCL-2型微波化学实验炉,四川大学无线电系济南康来微波设备有限公司;NPF30W臭氧发生器,以空气为气源,山东绿邦光电设备有限公司;电热恒温水浴锅,金坛市大地自动化仪器厂。 1.2 实验装置
图 1 实验装置 将反应器放置于微波化学实验炉器内部,周边分别开有进水口、出水口、进气口、出气口。微波炉频率为2 450 MHz,微波功率连续可调。配制溶液温度由电热恒温水浴锅控制。实验时取一定量配制好的模拟污水放入反应器中,再放入微波炉中,先开启臭氧发生器,然后打开微波发生器进行反应,同时开始计时,间隔一定时间取样测试溶液内的HPAM浓度。臭氧投加量通过臭氧管路上的流量计精确计量,剩余臭氧通过放空设备放空。含聚污水溶液配制方法参照《用于提高石油采收率的聚合物评价的推荐作法》(SY/T 6576—2003)执行,HPAM浓度测定采用淀粉-碘化镉法。 2 实验结果及分析
图 2 微波、臭氧及微波+臭氧对HPAM的降解对比 由图 2可知,HPAM在单独臭氧和单独微波作用30 min后,溶液中HPAM降解率分别为86.2%、38.3%,而采用微波与臭氧同时处理配制溶液时,相同作用时间内,HPAM降解率达到97%以上。而且加入微波辐射后,HPAM降解率达到80%时的反应时间比臭氧单独作用下缩短了约10 min。实验结果表明微波的存在对HPAM的氧化降解具有明显的强化作用。 分析认为微波+臭氧体系作用下,反应过程中既有微波热分解及臭氧分子直接反应,也有·OH的自由基反应,而微波强化臭氧会显著加快臭氧分解产生·OH,使得自由基反应机理占主导地位,反应速率会明显提高〔11〕。 2.2 臭氧进气量对HPAM降解效果的影响
图 3 臭氧进气量对HPAM降解效果的影响 从图 3可知,在一定进气量范围内,HPAM降解率随着臭氧混合气体流量的增加而增加,但超过一定范围,随着臭氧流量增加,HPAM降解率增加缓慢。 分析认为原因是:在整个反应过程中,溶液中臭氧的含量受臭氧的溶解、反应和分解的三重影响,首先臭氧在水溶液中的溶解度是一定的,当臭氧在水中达到饱和状态后,再提高臭氧的流量,水中臭氧浓度也不会增加,即到一定流量后臭氧浓度对提高HPAM的降解已作用不大;其次臭氧的溶解伴随有一个自身的二级分解反应,当液相主体中臭氧的浓度逐渐增大至臭氧在溶液中溶解、反应和分解的动态平衡时,再增加臭氧的进气量,臭氧的利用率反而降低。 2.3 微波辐射功率及辐射时间对HPAM降解效果的影响
图 4 微波功率对HPAM降解效果的影响 由图 4可以看出,HPAM降解率随微波功率的增加而不断提高,在相同辐照功率下,起始阶段反应速率较大,延长微波的辐照时间,HPAM降解率提高不明显。分析原因认为,在反应初始阶段,HPAM和臭氧浓度较大,反应速率较快,但随着反应的持续进行,HPAM和臭氧的浓度不断降低,反应速率也随之降低。 2.4 溶液温度的影响
图 5 温度对HPAM降解效果的影响 由图 5可以看出,随着配制污水温度的升高,起始阶段HPAM降解率快速提高,当温度超过40 ℃后降解率增加趋缓,分析原因是温度升高会降低臭氧在水中的溶解度,从而影响HPAM降解效果。 3 油田现场含聚污水微波+臭氧处理实验 4 结论 (2)微波强化臭氧化降解油田污水聚合物有其最佳经济反应条件,应根据现场实际情况确定。 |