齊晗兵, 張曉雪, 李 棟, 李舒婷, 楊 露

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

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含聚污水中陽(yáng)離子對(duì)其光譜特性影響實(shí)驗(yàn)研究

齊晗兵, 張曉雪, 李 棟, 李舒婷, 楊 露

(東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

利用TU-1901/1900雙光束紫外可見分光光度計(jì)、IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量了含不同陽(yáng)離子聚丙烯酰胺溶液的透射光譜,分析了陽(yáng)離子對(duì)190～900 nm和400～4 000 cm-1波段光譜特性的影響。研究表明: Na+、K+、Mg2+、Ca2+對(duì)聚丙烯酰胺溶液光譜透射特性影響較小,隨其濃度增加而影響逐漸顯現(xiàn)；而Al3+和Fe3+對(duì)聚丙烯酰胺溶液紫外可見透射特性影響較大,而對(duì)紅外透射特性影響較小。

聚丙烯酰胺溶液； 透射特性； 陽(yáng)離子； 紅外光譜

聚丙烯酰胺作為一種線性高分子聚合物,其分子結(jié)構(gòu)內(nèi)酰胺基團(tuán)高極性導(dǎo)致其具有氫鍵和高反應(yīng)活性等特點(diǎn)[1],在石油開采[2]、污水處理[3]、造紙[4]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。聚丙烯酰胺溶液光譜特性是含聚污水光學(xué)測(cè)量分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5-6],但其測(cè)量過(guò)程中受溶液內(nèi)的離子影響而出現(xiàn)偏差。因此,研究離子對(duì)含聚污水光譜特性的影響是提高其光學(xué)測(cè)量精度的關(guān)鍵。

Yuan等[7]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)探索了Na+、Mg2+、Ca2+、Cr3+、Fe3+離子對(duì)疏水改性聚丙烯酰胺(HMHPAM)性質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)多價(jià)陽(yáng)離子對(duì)HMHPAM的影響與陽(yáng)離子對(duì)水吸附能力無(wú)關(guān)。包木太等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)部分水解聚丙烯酰胺溶液穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)礦化度對(duì)聚丙烯酰胺的黏度影響較大,而對(duì)其濃度影響較小?？等f(wàn)利等[9]發(fā)現(xiàn)HPAM溶液的黏度主要取決于陽(yáng)離子濃度、陽(yáng)離子電荷數(shù)和離子半徑,礦化度越高冪律指數(shù)越大,稠度系數(shù)越小。Zhao等[10]基于掃描電鏡和紅外光譜分析了陽(yáng)離子對(duì)聚丙烯酰胺/黃原膠(PAM / XG)溶液的流變性能影響。Jiang等[11]利用NaCl、MgCl2和CaCl2配制總濃度為30 000 mg/L的礦化水,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)部分交聯(lián)聚丙烯酰胺(PCPAM)在高礦化度溶液中具有良好的膨脹性。張紅光等[12]提出了一種基于近紅外光譜分析技術(shù)和最小二乘支持向量機(jī)的鑒別方法。Adliene等[13]通過(guò)紫外可見分光光度法對(duì)聚丙烯酰胺凝膠的光學(xué)物性進(jìn)行了分析。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,配置了與油田含聚污水礦化度相一致的含聚污水,利用紫外可見分光光度計(jì)、傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)量分析了不同種類和濃度陽(yáng)離子對(duì)聚丙烯酰胺溶液透射光譜的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和樣品

實(shí)驗(yàn)儀器:TU-1901/1900雙光束紫外可見分光光度計(jì)；IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀；HJ-5型多功能攪拌器；電子天平(精度為0.000 1 g)；0.025 mm厚墊片；ZnSe窗片；10 mm光程石英比色皿。

實(shí)驗(yàn)藥品:聚丙烯酰胺(分析純,分子量5 000 000)；NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3、FeCl3。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

配置聚丙烯酰胺1 g/L的母液,放置12 h使其充分溶解。稀釋母液至600 mg/L,并用TU-1901/1900雙光束紫外可見分光光度計(jì)、IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀檢測(cè)其在不同波段的光譜。

每次取500 mL、600 mg/L的聚丙烯酰胺溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),分別在溶液中加入不同質(zhì)量的NaCl、KCl、MgCl2、CaCl2、AlCl3、FeCl3,使其質(zhì)量濃度分別為10、20、40、100、200、1 000 mg/L,并檢測(cè)其溶液的光譜特征變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)得的600 mg/L的聚丙烯酰胺溶液中分別加入了NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、AlCl3和FeCl3后的紫外波段和紅外波段光譜見圖1—圖3，圖中λ為波長(zhǎng)，ν為波數(shù)，T為透光度。

圖1 加入一價(jià)陽(yáng)離子后聚丙烯酰胺溶液的透射光譜

由圖1(a)和(c)可知：加入不同質(zhì)量濃度的NaCl和KCl后聚丙烯酰胺溶液的紫外光譜變化均較小,而且存在較強(qiáng)吸收帶為190～250 nm；在波長(zhǎng)198～236 nm區(qū)間內(nèi)含KCl質(zhì)量濃度為100～1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液透光度明顯大于其質(zhì)量濃度為0～40 mg/L的透光度。由圖1(b)和(d)可知：加入不同質(zhì)量濃度的NaCl和KCl后其紅外透光度均大于原溶液(空白)紅外透光度，但KCl質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí)溶液透光度小于原溶液透光度。加入不同濃度的NaCl和KCl后的聚丙烯酰胺溶液的紅外光譜中均不存在明顯的紅外波峰遷移,其中兩處較強(qiáng)的波峰均在1 881 cm-1和2 623 cm-1處。

上述現(xiàn)象可能是因?yàn)榻饘匐x子和羧基的締合作用,使得聚合物大分子鏈?zhǔn)湛s成線團(tuán),進(jìn)而使聚丙烯酰胺的透光性增強(qiáng)。當(dāng)繼續(xù)加入金屬離子時(shí),金屬離子已不能進(jìn)入分子線團(tuán)內(nèi),而是在分子線團(tuán)外圍凝結(jié),由于線團(tuán)之間的相互作用,使得彼此的分子尺寸略微變小,所以聚丙烯酰胺溶液的透光性增加緩慢至穩(wěn)定。

由圖2(a)和(c)可知，不同濃度的CaCl2和MgCl2對(duì)聚丙烯酰胺溶液紫外透光度影響較小,在波長(zhǎng)為198～234 nm區(qū)間,含CaCl2和MgCl2質(zhì)量濃度為100～1 000 mg/L的聚丙烯酰胺溶液透光度均大于其質(zhì)量濃度為0～40 mg/L溶液透光度。由圖2(b)和(d)可知:CaCl2和MgCl2對(duì)聚丙烯酰胺溶液的紅外透光度影響較小,加入CaCl2和MgCl2的聚丙烯酰胺溶液的紅外透光度均大于原溶液透光度，而且不存在明顯的紅外峰遷移,兩處較強(qiáng)的波峰均在1 881 cm-1和2 623 cm-1處,這可能是由于CaCl2和MgCl2與聚丙烯酰胺溶液沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng),即沒(méi)有新的化學(xué)鍵生成,只是將聚合物大分子進(jìn)行斷鏈或使分子鏈線團(tuán)收縮,因而沒(méi)有產(chǎn)生新的波峰和波峰遷移。

圖2 加入二價(jià)陽(yáng)離子后聚丙烯酰胺溶液的透射光譜

由圖3(a)和(c)可知,加入三價(jià)陽(yáng)離子對(duì)聚丙烯酰胺溶液的紫外透光度影響較大;當(dāng)AlCl3質(zhì)量濃度為40 mg/L時(shí),溶液在190～500 nm范圍紫外透光度均小于80%,但其透光度的變化趨勢(shì)不變;當(dāng)FeCl3質(zhì)量濃度大于10 mg/L時(shí),紫外透光度在190～500 nm范圍內(nèi)明顯減小,且在190～380 nm之間透光度均小于80%。上述現(xiàn)象可能是由于加入AlCl3和FeCl3后,Al3+和Fe3+的水解產(chǎn)物與聚丙烯酰胺發(fā)生絮凝作用,使得溶液中生成白色小顆粒絮狀沉淀,隨著離子濃度的增大,絮狀物逐漸增多,此現(xiàn)象對(duì)聚丙烯酰胺溶液光譜特性測(cè)量造成了一定的影響。由圖3(b)和(d)可知,加入AlCl3和FeCl3后聚丙烯酰胺溶液的紅外透光度有所增大,但變化幅度較小。

3 結(jié)論

(1) Na+、K+、Mg2+、Ca2+對(duì)聚丙烯酰胺溶液光譜透射特性影響較小,隨其濃度增加而影響逐漸顯現(xiàn)；而Al3+和Fe3+的水解產(chǎn)物與聚丙烯酰胺發(fā)生絮凝作用,使得溶液中生成白色小顆粒絮狀沉淀,進(jìn)而對(duì)聚丙烯酰胺溶液紫外可見透射特性影響較大,但對(duì)紅外透射特性影響較小。

圖3 加入三價(jià)陽(yáng)離子后聚丙烯酰胺溶液的透射光譜

(2) 加入Na+、K+、Ca2+和Mg2+后的聚丙烯酰胺溶液的紫外較強(qiáng)吸收帶在190～250 nm之間；由于這些離子與聚丙烯酰胺沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生新的官能團(tuán),所以不存在明顯的紅外峰遷移,其中兩處較強(qiáng)的波峰均在1 881 cm-1、2 623 cm-1處。

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Study on experiment of spectrum characteristics of wastewater containing polymer influenced by cations

Qi Hanbing, Zhang Xiaoxue, Li Dong,Li Shuting,Yang Lu

(School of Architecture and Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The transmitted spectrum of polyacrylamide solution with different kinds of cations is measured by a TU-1901/1900 double-beam UV-Vis spectrophotometer and an IRPrestige-21 FT-IR spectrometer, and the spectrum characteristics in the wavelength 190-900 nm and 400-4 000 cm-1are investigated. The results show that Na+, K+, Mg2+, and Ca2+have little effect on the transmission characteristic of polyacrylamide solution, but the effect appears gradually with the increase of cations’ concentration. However, Al3+and Fe3+have great impact on the ultraviolet visible transmission characteristic of polyacrylamide solution, but they have little effect on the infrared transmission characteristic of polyacrylamide solution.

polyacrylamide solution; transmitted characteristics; cations; infrared spectrum

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.012

2016-05-30 修改日期：2016-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274071)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目(2015D-5006-0605)

齊晗兵(1975—)，男，黑龍江齊齊哈爾，博士，教授，主要從事埋地管道泄漏檢測(cè)、油田污水光學(xué)檢測(cè)及三元廢水處理等方向的研究

E-mail：qihanbing@sina.com

李棟(1979—)，男，山東濰坊，博士，教授，主要從事地下輸油管道泄漏過(guò)程多相流動(dòng)及熱質(zhì)耦合傳遞特性研究和油氣管道泄漏污染物光譜特征研究.

E-mail：lidonglvyan@126.com

X832;O657.33

B

1002-4956(2016)11-0045-04