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              聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附性能

              發布日期:2015-03-31 11:33:13

              地層損害

              采用紫外分光光度計和靜態氮吸附儀研究了聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附量和對煤粉微觀孔隙的傷害機理。主要研究了聚丙烯酰胺濃度、液固比、氯化鈉含量對聚丙烯酰胺在煤粉上吸附性能的影響以及煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面和孔徑變化。實驗結果表明,聚丙烯酰胺在煤粉上3h時吸附可達到平衡,地層損害吸附量與聚丙烯酰胺 濃度、液固比、氯化鈉含量有關;煤粉吸附聚丙烯酰胺后比表面變小,部分小孔隙被堵塞,孔徑為2?4nm的孔 隙相對變少。

              聚丙烯酰胺在煤層氣的壓裂、鉆井中有著廣泛 的應用,煤儲層及煤粉的特殊微觀結構決定了其擁 有很強的吸附能力,吸附造成的煤層孔隙變化與儲 層傷害有一定的關系。研究聚丙烯酰胺在煤粉上的 吸附規律以及煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面和孔 徑變化,對含聚丙烯酰胺的壓裂液、鉆井液的性能 評價和煤層的傷害機理具有重要意義[W]。
              1賣驗材料、方法
              1.1實驗材料與儀器
              分子量為1 800萬的陰離子聚丙烯酰胺、氯化 鈉(AR)、純凈水(二級反滲透)、山西晉城3號 煤層煤粉(粒徑為0.154 mm,其成分見表1) [1]; 紫外分光光度計(UV-1600)、立式攪拌器、水浴恒 溫振蕩器(SHA-B )、靜態氮吸附儀(JW-BK122W )、 電子天平、離心機、電熱恒溫鼓風干燥箱。
              表1 3號煤層煤質特征%
              水分灰分揮發分固定碳鏡質組惰質組鏡質體反射率 2.08 16.12 3.18875.7776.3023.703.188
              1.2繪制標準曲線
              參照SY 5862—2008所述方法配制聚丙烯酰胺 含量為2 000 mg/L的聚合物溶液,用純凈水稀釋至 10、25、50、100、150、200、250 mg/L7 種不同 的濃度。用紫外分光光度計測量溶液在202 nm處 的吸光度,作出標準曲線如圖1所示。從圖1可以 看出,在低于250 mg/L的濃度范圍內,擬合度很高, 標準曲線具有很好的線性特征。
              圖1聚丙烯酰胺標準曲線圖
              1.3確定吸附穩定時間
              實驗溫度為30液固比為10 : 1,測量聚丙烯酰胺含量分別為500、2 000 mg/L時的濃度損失 與吸附時間的關系。測試方法:將聚丙烯酰胺溶液
              第30卷第4期
              肖慶華等:聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附性能
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              和煤粉按照實驗要求一起放人密封杯,并豎放于水 浴恒溫振蕩器中,水平往復振蕩頻率為120次/min, 然后把吸附一定時間后的溶液取出,用離心機在 4 000 r/min下離心20 min,取上層清液,采用純凈 水稀釋后用紫外分光光度計測量吸光度,并計算濃 度損失。作出濃度損失與時間的關系圖,結果見圖2。 由圖2可知,在3h時吸附已達到平衡。
              迅速增加,但在氯化鈉含量大于1 000 mg/L后趨 于平穩。原因可能是隨著含鹽量的增加,使單個聚 丙烯酰胺在煤粉表面的占有面積減小,表現出吸附 量增加;同時聚丙稀酰胺具有一定的抗鹽性能,當
              鹽高于一定濃度后,聚丙烯酰胺分子卷曲程度不再 發生變化,在煤粉上的吸附量不再隨鹽的增加而
              變大。
              2實驗結果討論
              聚合物濃度為1 〇〇〇 mg/L、液固比為10 : 1、 水浴溫度為30改變其中一個因素,固定其他
              因素,測定不同因素對吸附的影響。
              2.1濃度
              配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液,以煤粉為吸 附劑,在水浴30丈恒溫振蕩器中平衡3 h后取出, 測定各溶液吸光度,并計算吸附量,結果見圖3。 由圖3可以看出,吸附量隨著聚丙烯酰胺濃度的增 加先快后慢地增加,在1 500 mg/L后隨著聚丙烯酰 胺濃度的增加,吸附量變化較小,這是由于聚丙烯 酰胺在煤粉上已經吸附飽和,煤粉的吸附量不再隨 聚丙烯酰胺濃度增加而增加。
              2.3液固比
              測量不同的液固比時聚丙烯酰胺吸附量的變 化,結果見圖5。從圖5可以清晰地看出,隨著液 固比的增加,吸附量初期增加較快,在15 : 1后變 化就很小了,這是隨著水溶液比例的增加,聚丙稀 酰胺在煤粉上的吸附逐漸增多,最終在煤粉上的吸 附量達到飽和,不再隨液相量的增加而變化。
              3:15:110:115:120:1
              液固比
              圖5液固比對吸附量的影響
              2.4吸附后煤粉比表面、孔徑變化情況
              液固比為10:1,水浴溫度為30把在聚
              丙烯酰胺含量為500、1 000、1 500 mg/L的條件下 吸附平衡后的煤粉過濾抽干后,放人100 ^的烘箱 烘干。用靜態氮吸附儀作比表面實驗和孔徑實驗。 同時將同等條件下經過純凈水浸泡后的煤粉與吸 附聚丙烯酰胺后的煤粉做對比,結果見表2。由表 2可知,吸附量越大的煤粉BET多點比表面越小, 而吸附平均孔徑則是越大,說明聚丙烯酰胺的吸附 堵塞了煤粉的部分小孔隙。煤粉吸附聚丙烯酰胺后
              表2煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面、孔徑變化情況
              聚合物/ mg/LBET多點比表面/ m2/gBJH吸附平均孔徑/ nm
              01.6775.218
              5001.1296.347
              1 0001.1419.671
              1 5001.05613.576
              的孔容-孔徑微分分布曲線見圖6,由圖6可以看出, 吸附量越大的煤粉,孔徑在2?4 nm間的孔相對
              越少。
              0.00527 0.00474 0.00422 —0.00369 0.00316 〇 0.00263
              0.00211 > 0.00158 ^ 0.00105 0.00055 0
              0.00312 0.00281 ^ 0.00250 ^ 0.00218 〇 0.00187 § 0.00156 ^ 0.00125 = 0.00091 0.00062 0.00051 0
              0.00321 0.00289 0.00257 p 0.00225 ^ 0.00193 〇 0.00161 芒 0.00129 ^ 0.00096 0.00061 0.00032 0
              d )溶液聚丙烯酰胺含量為1 500 mg/L
              圖6煤粉吸附聚丙烯酰胺后的 孔容-孔徑微分分布曲線
              3結辦
              1.聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附等溫曲線符合朗 格繆爾型吸附曲線特點,即聚丙烯酰胺在煤粉上的 吸附量達到一定程度后,不再隨聚丙烯酰胺溶液濃 度的變化而變化。
              2.聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附隨聚丙烯酰胺濃 度、溶液氯化鈉含量、溶液與煤粉液固比增加而增 加,但都會在某一值后達到吸附飽和。
              3.聚丙烯酰胺的吸附降低了煤粉表面分子存在 的剩余表面自由場,因此對氮氣的吸附能力減弱, 比表面由1.677 m2/g降低到1.056 m2/g,其中吸附 堵塞了煤粉中2?4 nm的部分小孔隙也可能是導致 比表面降低的原因。
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