CN107746446A - 一种三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于絮凝剂制备技术领域，涉及一种三元共聚两性聚丙烯酰胺制备方法，首先制备一种新型阳离子单体AHPTAC，并将此单体与其它两种单体AM和AMPS混合溶解，除氧后加引发剂，升温，反应完全后，冷却，将得到的水分散体系滴加到无水乙醇中沉淀，洗涤过滤烘干，粉碎后得到白色固体状产品。其中，三种单体的总质量占体系总质量的20％，AM、AHPTAC和AMPS摩尔比1∶3∶1～4；引发剂为VA‑044和过硫酸铵‑亚硫酸氢钠中的一种或两种；引发剂的加量为三种单体总质量的0.2％。此制备方法操作简单，制备的三元共聚两性聚丙烯酰胺具有分子量高且阳离子度可控的优良性能，溶解性更好，适用pH范围广，絮凝效果更佳。

Description

一种三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法
技术领域
本发明属于污水处理中的絮凝剂制备技术领域，具体地说，涉及一种三元共聚两性聚丙烯酰胺制备方法及其作为絮凝剂在污水处理中的应用，尤其适用于油气田压裂污水处理，特别涉及一种可聚合季铵盐类阳离子单体的制备方法。
背景技术
聚丙烯酰胺絮凝剂因其结构单元中含有酰胺基，可以在水中形成氢键；絮凝时通过架桥吸附、电中和等作用将污水中的小颗粒聚合形成大颗粒，进而形成絮体沉降，达到污染物与水分离的目的。聚丙烯酰胺类絮凝剂主要是由聚丙烯酰胺在引发剂作用下均聚或与其他含不饱和键的功能性单体共聚得到的有机高分子絮凝剂。在已开发应用的聚丙烯酰胺类絮凝剂中，阳离子聚丙烯酰胺占有极其重要的地位。阳离子聚烯酰胺(CPAM)具有较大的正电荷密度，水溶性强，且特性黏数易于控制，聚合物本身绿色无毒，应用效率高，因而在原油开采、造纸工业、水处理等众多领域应用广泛。
常用的与丙烯酰胺聚合的含不饱和键的功能性阳离子单体主要有：甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(DMAEMA)等，可供选择的阳离子单体种类少，与实际需求不匹配。油气田压裂废水成分复杂，主要含有原油及压裂液中携带的各种有机添加剂，致使其成分复杂多变，氯化物含量高，往往也呈现有“三高”(高COD值，高稳定性，高粘度)特征。上述阳离子季铵盐与丙烯酰胺聚合得到的有机高分子絮凝剂在处理生活污水、工业污水以及污泥处理等方面均具有较佳的性能，但在处理油气田酸化压裂废水方面效果欠佳，尤其对COD的去除率不高，且溶解速度慢，絮凝效果不理想。
发明内容
本发明的目的在于克服现有季铵盐类聚丙烯酰胺絮凝剂溶解速度慢，且对油气田压裂废水絮凝效果不佳的缺点，提供一种溶解效果好，且絮凝效果好的聚丙烯酰胺类絮凝剂；并提供此聚丙烯酰胺类絮凝剂的制备、提纯方法。
本发明的另一目的在于提供一种水溶解性高、活性基团数量多、与丙烯酰胺聚合活性高的可聚合季铵盐类阳离子单体-3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的制备、提纯、表征方法及应用。进一步丰富阳离子单体的种类，拓展阳离子聚丙烯酰胺的应用范围。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三元共聚两性聚丙烯酰胺PAAA，由阳离子单体3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)通过水溶液聚合而成。
一种三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法如下：
(1)制备可聚合季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)：利用含亲水基团(-OH)的季铵盐(CHPTAC)与丙烯酸发生取代反应制备而成，其结构式如下：
其反应式为：
其合成步骤为：
步骤1-1：向三口烧瓶中加入溶剂、丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加NaOH饱和水溶液。
步骤1-2：5min后，缓慢滴加质量分数为60％的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液。
步骤1-3：滴加完毕，补加水，满足体系中溶剂和水体积比为1∶1，水与丙烯酸的摩尔比为16.6∶1；升温至55～75℃，并保持此反应温度持续反应4-6h。
步骤1-4：反应结束后待反应液冷却至室温，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品。
步骤1-5：将得到的AHPTAC粗品冷却后，分次加入良性溶剂至AHPTAC和未反应的CHPTAC恰好完全溶解，抽滤，除去生成的氯化钠及丙烯酸钠。
步骤1-6：收集滤液并进行蒸馏浓缩，得到AHPTAC的饱和溶液，冷却至室温，向饱和溶液中加入不良溶剂后静置，析出AHPTAC，抽滤，收集并在30～40℃下真空干燥得AHPTAC白色固体。
其中，步骤1-1中可用作溶剂的有：无水乙醇、乙腈、丙酮、异丙醇，其中优选乙腈或丙酮为溶剂；丙烯酸与氢氧化钠的摩尔比为1∶1。
步骤1-2中CHPTAC的加入量按摩尔比为丙烯酸0.8～1.3倍，优选1.1倍；
步骤1-3中反应温度优选65℃；反应时间优选4.5h。
步骤1-5中良性溶剂有：无水乙醇、异丙醇，优选用无水乙醇做良性溶剂。
步骤1-6中不良溶剂有：石油醚、丙酮，其加入体积为得到的AHPTAC饱和溶液体积的3倍，优选用丙酮做不良溶剂。
(2)聚合
步骤2-1：准确称取三种单体丙烯酰胺(AM)、3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)加入到三口烧瓶中，加水搅拌溶解，通非反应气体除氧30min。
其中，聚合体系中，三种单体的总质量占体系总质量的20％，AM、AHPTAC、AMPS的用量摩尔比为n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶1～4，优选比例为n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶2；非反应气体为氮气或惰性气体。
步骤2-2：加入引发剂，在非反应气体氛围中升温至20～65℃，反应3～5h，反应完全后得三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系。
其中，引发剂为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA-044)和过硫酸铵-亚硫酸氢钠的一种或两种同时使用；引发剂的加量为单体总质量的0.2％；反应温度优选55℃；反应时间优选为4h。
(3)三元共聚两性聚丙烯酰胺的提纯
步骤3-1：将三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系冷却后滴加到无水乙醇中，得到的白色沉淀用无水乙醇洗涤过滤后得到白色黏状物。
步骤3-2：将得到的白色黏状物在50℃下真空烘干，粉碎后得到白色固体状三元共聚两性聚丙烯酰胺，即可用作絮凝剂。
本发明的有益效果为：
制备出一种新型的可聚合季铵盐类阳离子单体——3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)，进一步丰富了阳离子单体种类。从结构上看，此阳离子单体较目前已有的阳离子单体多一个亲水基团(-OH)，具有水中溶解性更好，聚合活性更高的特点。
此单体再与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)水溶液聚合，得到三元共聚两性聚丙烯酰胺，该聚合物含有-OH、-SO3H、和季铵基等亲水基团，-OH、-SO3H是良好的吸附基团，吸附性能好，水溶性好，适用pH范围广，絮凝效果更佳。尤其是针对油气田压裂废水，较现有阳离子聚丙烯酰胺具有更优的处理效果。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
本实施例的制备三元共聚两性聚丙烯酰胺按如下步骤制备：
(1)制备季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)：
向三口烧瓶中加入15mL无水乙醇、0.05mol丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加0.05mol的NaOH饱和水溶液。5min后，缓慢滴加0.065mol的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液(质量分数为60％)。滴加完毕，补加水，使反应体系满足V(无水乙醇)∶V(水)＝1∶1。升温至55℃并保持反应温度持续反应4h。反应结束后冷却至室温，减压蒸馏，除去无水乙醇，得AHPTAC粗品。向得到的AHPTAC粗品中加入异丙醇溶解AHPTAC和CHPTAC，抽滤，除去生成的氯化钠及丙烯酸钠。蒸馏浓缩滤液得到AHPTAC的饱和溶液5～10mL，冷却至室温，向饱和溶液中加入石油醚15～30mL后静置，析出AHPTAC，抽滤，干燥得AHPTAC白色针状晶体。
(2)按照三种单体总质量占体系总质量的20％，丙烯酰胺(AM)、3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的物质的量比为n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶1准确称取三种单体，加入到三口烧瓶中，加入10mL的水搅拌溶解，通非反应气体除氧30min。
(3)常温(20℃)时加入引发剂偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA-044)，其质量为单体总质量的0.2％，在氮气氛围反应3h。
(4)反应完全，得到三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系，将此水分散体系冷却后滴加在100mL无水乙醇中沉淀，洗涤过滤后得到三元聚合两性聚丙烯酰胺絮凝剂PAAA。
(5)将得到的产品在50℃真空烘干，粉碎后得到固体状聚丙烯酰胺，即可用作絮凝剂。
实施例2
本实施例制备三元共聚两性聚丙烯酰胺的步骤与实施例1除以下步骤有区别外，其余步骤相同：
(1)制备季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)：
向三口烧瓶中加入15mL乙腈、0.05mol丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加0.05mol NaOH饱和水溶液。5min后，缓慢滴加0.055mol的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液(质量分数为60％)。滴加完毕，补加水，使反应体系满足V(无水乙醇)∶V(水)＝1∶1。升温至65℃并保持反应温度持续反应4.5h。反应结束后冷却，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品。向得到的AHPTAC粗品中加入无水乙醇溶解AHPTAC和CHPTAC，抽滤，除去氯化钠及丙烯酸钠。蒸馏浓缩滤液得到AHPTAC的饱和溶液5～10mL，冷却至室温，向饱和溶液中加入丙酮15～30mL后静置，析出AHPTAC，抽滤，干燥得AHPTAC白色针状晶体。
(2)三种单体物质的量比满足n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3.2。
(3)常温(20℃)时加入引发剂偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA-044)，30℃时加入引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠，引发剂质量为单体总质量的0.2％，且三者的加量n(VA-044)∶n(过硫酸铵)∶n(亚硫酸氢钠)＝2∶1∶1。在氮气氛围中升温至55℃后反应4h。
实施例3
本实施例制备三元共聚两性聚丙烯酰胺的步骤与实施例1除以下步骤有区别外，其余步骤相同：
(1)制备季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)：
向三口烧瓶中加入15mL异丙醇、0.05mol丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加0.05mol NaOH饱和水溶液。5min后，缓慢滴加0.055mol的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液(质量分数为60％)。滴加完毕，补加水，使反应体系满足V(无水乙醇)∶V(水)＝1∶1。升温至75℃并保持反应温度持续反应6h。反应结束后冷却，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品。向得到的AHPTAC粗品中加入无水乙醇溶解AHPTAC和CHPTAC，抽滤，除去氯化钠及丙烯酸钠。蒸馏浓滤液得到AHPTAC的饱和溶液5～10mL，冷却至室温，向饱和溶液中加入丙酮15～30mL后静置，析出AHPTAC，抽滤，干燥得AHPTAC白色针状晶体。
(2)三种单体物质的量比满足n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶3。
(3)30℃时加入引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠，引发剂质量为单体总质量的0.2％，且两者的加量n(过硫酸铵)∶n(亚硫酸氢钠)＝1∶1。在氮气氛围中升温至65℃后反应5h。
实施例4
本实施例制备三元共聚两性聚丙烯酰胺的步骤与实施例1除以下步骤有区别外，其余步骤相同：
(1)制备季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)：
向三口烧瓶中加入15mL丙酮、0.05mol丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加0.05mol NaOH饱和水溶液。5min后，缓慢滴加0.04mol的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液(质量分数为60％)。滴加完毕，补加水，使反应体系满足V(无水乙醇)∶V(水)＝1∶1。升温至65℃并保持反应温度持续反应5h。反应结束后冷却，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品。向得到的AHPTAC粗品中加入无水乙醇溶解AHPTAC和CHPTAC，抽滤，除去氯化钠及丙烯酸钠。蒸馏浓滤液得到AHPTAC的饱和溶液5～10mL，冷却至室温，向饱和溶液中加入丙酮15～30mL后静置，析出AHPTAC，抽滤，干燥得AHPTAC白色针状晶体。
(2)三种单体物质的量比满足n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶4。
(3)常温(20℃)时加入引发剂偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA-044)，30℃时加入引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠，引发剂质量为单体总质量的0.2％，且三者的加量n(VA-044)∶n(过硫酸铵)∶n(亚硫酸氢钠)＝1∶1∶1。在氮气氛围中升温至60℃后反应4h。
结果分析
1、对得到的季铵盐类阳离子单体AHPTAC纯化后进行相关结构分析：
(1)用D2O溶解后，于Bruker AMX-400型核磁共振仪做核磁共振氢谱分析，结果表明，NMR谱图中的H原子的化学位移与AHPTAC结构中各基团的H原子的理论化学位移相对应，说明所合成出的物质即我们的目标单体。
(2)于Spectrum one红外光谱仪做红外表征分析，结构表明，IR谱图中的基团特征振动吸收峰与AHPTAC结构中各基团的特征振动吸收峰相对应，说明所合成出的物质具有特征基团。
(3)于XT5(A)显微熔点仪对产品的熔点进行测定，可以观察到AHPTAC呈现针状晶体结构，确定产品的熔点为176～177.5℃。
2、将得到的聚合产物进行相关分析：
溶解性能
以市售聚丙烯酰胺絮凝剂作对比，取相同质量的自制絮凝剂和市售絮凝剂分别溶解于水中制成质量分数0.1％的体系，结果显示，自制的三元共聚两性丙烯酰胺类絮凝剂在30min左右完全溶解，而市售聚丙烯酰胺絮凝剂需1天的时间才能完全溶解。
以上测试表明，制备的三元共聚两性丙烯酰胺溶解性较好，且分子量和阳离子度较高，适合做絮凝剂。
絮凝性能测试
以实施例2制备的三元共聚两性丙烯酰胺为絮凝剂进行絮凝测试，结果表明，絮体产生速度快，沉降速度较快，表现出较好的絮凝效果，尤其在油气田的压裂废水处理中，絮凝效果明显。对两种压裂废水絮凝处理，絮凝条件控制为：室温条件下，取50mL压裂废水于100mL烧杯中，在搅拌条件下加入絮凝剂。先在快速搅拌时加入PAFC(聚合氯化铝铁)，投加质量浓度为320mg/L，搅拌2min，后慢速搅拌下加入PAAA或CPAM(阳离子聚丙烯酰胺)，投加质量浓度为80mg/L，继续搅拌1min后停止，静置一段时间，取上清液进行水质分析，测试结果如下：
表1、不同絮凝剂对某油田压裂废水处理的絮凝效果：
表2、不同絮凝剂对某页岩气田压裂废水处理的絮凝效果：
通过以上结果对比可知，制备的三元两性聚丙烯酰胺PAAA对两种压裂废水的絮凝效果均比市售聚丙烯酰胺类絮凝剂CPAM的好，且絮凝后油含量和悬浮物含量(SS)均可到到国家污水排放一级标准，化学需氧量COD的去除率均较高，尤其是对某页岩气田的压裂废水COD去除率可高达82％。

Claims (9)

1.一种三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：准确称取三种单体丙烯酰胺(AM)、3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)加入到三口烧瓶中，加水搅拌溶解，通非反应气体除氧30min；
步骤2：加入引发剂，在非反应气体氛围中升温至20～65℃，反应3～5h，反应完全后得三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系；
步骤3：将三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系冷却后滴加到无水乙醇中，得到的白色沉淀，用无水乙醇洗涤过滤后得到白色黏状物；
步骤4：将得到的白色黏状物在50℃下真空烘干，粉碎后得到白色固体状三元共聚两性聚丙烯酰胺。
2.根据权利要求1所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于：
所述步骤1中，所述三种单体的总质量占体系总质量的20％，丙烯酰胺(AM)、3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的用量摩尔比为n(AM)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶1～4；
步骤2中，所述引发剂为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA-044)和过硫酸铵-亚硫酸氢钠中的一种或两种；引发剂的加量为三种单体总质量的0.2％。
3.根据权利要求1所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述非反应气体为氮气或惰性气体。
4.根据权利要求1或2所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的结构式如下所示：
5.根据权利要求4所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)按如下步骤制备而成：
步骤1：向三口烧瓶中加入溶剂、丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加NaOH饱和水溶液；
步骤2：5min后，缓慢滴加质量分数为60％的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液；
步骤3：滴加完毕，补加水，满足体系中溶剂和水体积比为1∶1，水与丙烯酸的摩尔比为16.6∶1；升温至55～75℃，并保持此反应温度持续反应4-6h；
步骤4：反应结束后待反应液冷却至室温，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品；
步骤5：将得到的AHPTAC粗品冷却后，分次加入良性溶剂至AHPTAC和未反应的CHPTAC恰好完全溶解，抽滤，除去生成的氯化钠及丙烯酸钠；
步骤6：收集滤液并进行蒸馏浓缩，得到AHPTAC的饱和溶液，冷却至室温，向饱和溶液中加入不良溶剂后静置，析出AHPTAC，抽滤，收集并在30～40℃下真空干燥得AHPTAC白色固体。
6.根据权利要求5所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的制备步骤1中：
所述的溶剂为无水乙醇、乙腈、丙酮或异丙醇中的一种；所述丙烯酸与NaOH的摩尔比为1∶1。
7.根据权利要求5所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的制备步骤2中：
所述CHPTAC的加入量按摩尔比为丙烯酸物质的量的0.8～1.3倍。
8.根据权利要求5所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的制备步骤5中：
所述良性溶剂为无水乙醇或异丙醇。
9.根据权利要求5所述的三元共聚两性聚丙烯酰胺的制备方法，其特征在于，所述3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的制备步骤6中：
所述不良溶剂为石油醚或丙酮，其加入体积为得到的AHPTAC饱和溶液体积的3倍。
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