非离子聚合物在粘土表面的吸附作用 杜宇.docx

非离子聚合物在粘土表面的吸附作用石工10-9班 2010032308 杜宇摘 要：非离子聚合物在粘土表面的吸附作用主要是氢键形成的“桥连”，在这个基础上，该吸附作用在各个领域都有这广泛的应用，本文着重于介绍聚丙烯酰胺及其几种应用方式，并在应用的介绍过程中，阐述其对应的吸附机理。关键词：PAM 水土保持 物理吸附 非离子聚合物 一、序言物质在两相界面上自动浓集的现象称为吸附。根据吸附的原因不同，可将其分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。而非离子聚合物在粘土表面的吸附作用，大多数属于物理吸附。所谓物理吸附，也就是吸附剂与吸附质之间通过分子间引力而产生的吸附，比如氢键。非离子聚合物PAM分子链上的-CONH2基彼此间靠氢键吸引，因而其分子在水中易呈弯曲扭转状态存在。由于它的分子链上没有解离的离子基团，故它和颗粒无特殊静电作用，而是靠搅拌与颗粒相互接近，靠酰胺基与颗粒形成氢键而结合。非离子聚合物分子在颗粒表面多呈环状吸附，当和颗粒接近时，迅速桥连而形成絮团。由于链尾状桥连作用较少，颗粒彼此靠得更近些，易形成小而紧密的絮团。颗粒表面的电性对絮凝效果有一定影啊，在高ph值时，由于加气混凝土颗粒表面负电荷增加，颗粒间的排斥作用增大，彼此难以接近，因而不利它们之间的架桥絮凝。聚合物分子的外伸部分可能吸附到原先被吸附颗粒的其他位置上，此时聚合物分子不再起到桥连作用，当絮凝剂添加过量时，颗粒表面被聚合物分千历饱和，颗粒表面已无吸附空位而使聚合物失去架桥作用。同时由于聚合物分于吸附膜的空间位阻效应使颗粒间互相排斥，颗粒又重新处于稳定分散。在某些情况下，强烈或长时间搅拌使絮团断裂；聚合物分子的外伸部分反过来又吸附到原吸附颗粒获得面的其他空位上，从而使颗粒又重新分散。桥连作用的实质是絮凝剂分子同时在两个以上的颗粒表面吸附，借助自身的长链特征把颗粒连结在一起。二、聚丙烯酰胺及其应用2.1 聚丙烯酰胺非离子聚丙烯酰胺是水溶性的高分子聚合物或聚电解质。由于其分子链中含有一定数量的极性基团，它能通过吸附水中悬浮的固体粒子，使粒子间架桥或通过电荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物。所以，它可加速悬浮液中粒子的沉降，有非常明显的加快溶液澄清，促进过滤等效果。主要用于各种工业废水的絮凝沉降，沉淀澄清处理。如造纸与纸浆废水废水处理，选矿与金属冶炼过程的废水处理，钢铁厂和石材加工厂的废水处理等。2.2 聚丙烯酰胺与几种粘土的吸附作用2.2.1 高岭土随着开采强度的增大, 大多数注水开采油藏进入高含水期阶段。为了保证油田的石油产量不减, 三次采油工艺技术已经得到了普遍应用。对于大庆油田, 多处开发区块中聚合物驱的采出程度也出现降低迹象, 因此着手于聚驱后提高石油采收率的可行性研究与开发已经纳入攻关项目之中。越来越多的注水开发油藏将开展以聚合物为主剂的化学驱技术, 而聚合物及其它化学剂与地层岩石、流体之间发生的物理化学作用导致化学驱油剂在油藏中的吸附损失直接影响驱油体系在运移过程中的驱油效率。然而在地层向前推进过程中, 聚合物溶液除了吸附损失到岩石表面上一部分外, 在孔喉的机械捕集及水动力学捕集作用下还要有一部分聚合物溶液滞留到岩石孔隙中, 虽然降低了聚合物溶液的有效浓度, 使其黏度减小、黏弹作用变弱, 但也增强了水相中的水分子、聚合物分子流动阻力, 可以选择性地降低水相渗透率, 达到聚合物的流度控制目的, 在一定程度上扩大了波及体积。同时, 岩石表面形成的吸附薄膜也能防止因流体运移而使分散、移动的颗粒堵塞孔隙吼道。因此权衡上述两方面作用对聚合物驱油究竟各能产生多大的影响很有必要。油藏温度45条件下,聚丙烯酰胺在不含油石英砂中的吸附量随浓度的升高而增加,吸附等温线属于S型; 溶液浓度在1 200 mg/ L左右出现最大吸附,石英砂中未含高岭土时吸附量只有0. 953 mg / g,高岭土含量达5%时,吸附量已增至1. 725 mg/ g。静态吸附实验结果为现场实施聚合物驱油方案时对聚合物的筛选提供了重要理论依据。2.2.2 盐碱土壤PAM在盐碱土中的迁移规律为: 沿地表随土壤深度增加,PAM的含量减少。PAM溶液淋滤化量越大,迁移深度越深,各层土壤中PAM的含量也相应增加。模拟降雨与自然迁移的规律相似,降雨迫使PAM沿地表向下多迁移1 c m ,迁移深度在5 -6 cm。实验结果表明,盐碱土对PAM的截留能力4较强,意外泄漏的队M 主要集中在地表下3cm以5内处,占总淋滤量的86.1% 99%。PAM在大庆市盐碱土中的迁移深度不超过10 cm.2.3 聚丙烯酰胺在水土保持中的应用用聚苯乙烯泡沫颗粒制得的渗透材料能减少水和风对土壤的侵蚀, 苯乙烯丁二烯共聚物具有固坝和控制飞尘及防止水土流失的作用。在聚环乙亚胺中加入少量多价金属盐, 施入土壤后, 水土流失率由10%20% 减至1% , 种子出苗率提高80% 90% 。EB30 聚2甲基N乙烯基咪唑 能提高盐碱土的渗透性和离子迁移率, 有利于灌溉和排水, 水解聚丙烯腈针织工业废料的产物, 能提高土壤中粒径大于1 mm 的团粒数, 降雨或灌溉时土表层无板结层形成, 1, 3二氯甘油二胺乙烯能加强聚丙烯腈在减少土壤表层板结和增加作物种子出苗率方面的作用。合成聚丙烯酰胺和天然多糖是研究水土保持的常用高分子,两者在抑制土壤流失方面效果差异显著, 这归结于强极性的多糖强烈吸附在黏土微粒表面,分子和分子链节难以解吸, 限制了其在微团粒间的桥联作用, 因而形成的团粒粒径较小,且团粒被破坏后的再生能力也不强,作用效果相对较差。聚丙烯酰胺的分子和分子链节在黏土微粒表面的吸附强度不如多糖,它的一部分分子间形成微团粒作用,另一部分分子间以桥状链联接微团粒, 使微团粒聚集成有价值大团粒结构, 因此在减少土壤流失方面优于天然的多糖。另外, 由于多糖的吸附作用比聚丙烯酰胺强, 不容易在土层中扩散和对流, 改良土壤的深度不如聚丙烯酰胺,因此在保持土壤渗透率和防止板结方面的持续效用期比后者短。稀释聚合物的水中电解质及和聚合物同时使用的无机物(石灰,石膏等),能增大阴离子和非离子聚合物、减小阳离子聚合物在水土保持中的作用效果,这种影响称为盐效应。例如：水解聚丙烯酰胺稀释在自来水介质中施用,对土壤的最终渗透率、累积渗透率和流失量的改善程度都优于在去离子水介质中施用。盐效应产生的原因是多价金属阳离子影响聚合物分子和分散土粒间的吸附作用, 由于静电排斥, 阴离子聚合物分子很难在负电性的分散土粒表面吸附,改良土壤的作用不明显, 多价金属阳离子在两者之间形成桥状化学键, 促进了阴离子聚合物分子的吸附。桥状化学键有2种: 内球形结构和外球形结构。吸附反应发生时伴随黏土粒子表面的水分子被取代, 取代过程的熵变为正值, 这种正熵效应是聚合物分子被吸附的驱动力之一。参考文献1 王爱萍, 李法虎. 聚丙烯酰胺_PAM_应用对土壤养分流失和环境的影响J. 第二届全国农业环境科学学术研讨会论文集, .2 王宝辉, 张学佳, 纪 巍, 等. 聚丙烯酰胺在黑土上的吸附解吸特性研究J. 化学工程, 2009年(第37卷第7期).3 张学佳, 2, 王宝辉, 等. 聚丙烯酞胺在盐碱土壤中的吸附与迁移J. 化工环保, 2008年, 第25卷(第6期).4