油页岩半焦海藻酸钠丙烯酰胺复合保水剂的研究进展及制备初探

本科生毕业论文（设计）题目油页岩半焦/海藻酸钠/丙烯酰胺复合保水剂的研究进展及制备初探[9]。因此，在以上已有的研究基础上对高吸水树脂网络结构制备技术进行设计优化，完全可能实现本课题的研究设想，是可行的。1材料与方法试剂表SEQ表\*ARABIC1试剂试剂名称纯度生产厂家丙烯酰胺AR天津市光复精细化工研究所海藻酸钠AR阿拉丁过硫酸铵AR天津市百世化工有限公司N,N-亚甲基双丙烯酰胺AR天津市科密欧化学试剂有限公司氯化钠AR天津市光复科技发展有限公司半焦AR兰州炼油化工总厂仪器表SEQ表\*ARABIC2仪器仪器名称型号生产厂家集热式恒温磁力搅拌浴19081270郑州长城科工贸有限公司烘箱DHG-9036A电热恒温鼓风干燥箱高速粉碎机DE-250g浙江红景天工贸有限公司磁力加热搅拌器Cjj-6S常州市金坛大地自动化仪器厂电子天平FA20048上海佑科仪器仪表有限公司1.3样品制备1.3.1丙烯酰胺海藻酸钠系列-优化引发剂过硫酸铵各称取海藻酸钠0.3g五份于五个三口烧瓶中，加入30ml蒸馏水，在80℃的恒温油浴锅中保温反应30min。再称取0.8333g的半焦加入到三口烧瓶中反应，通氮气并保温30min。称取过硫酸铵3.0%（0.6840g）、2.5%（0.5700g）、2.0%（0.4560g）、1.5%（0.3420g）、1.0%（0.2280g），分别溶解装入恒压漏斗并固定。分别取五个干净小烧杯，称取7.2g丙烯酰胺加6ml水微加热至完全溶解，称取交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺0.1080g加入到烧杯中溶解，装入恒压漏斗。打开装有过硫酸铵的恒压漏斗，反应5min，打开装有丙烯酰胺和N-N亚甲基双丙烯酰胺的漏斗，开始聚合，反应10min。全程搅拌且要通氮气。待样品聚合后关闭搅拌器，通氮气、80℃保温3h。取出聚合物，粉碎在烘箱中80℃烘干12h。将固体用粉碎机粉碎，过40目筛子，将产物装入自封袋，并标注。然后进行吸水性能和耐盐碱性能的测定。室温下，称取0.05g样品置于500mL蒸馏水/0.9%的NaCl溶液中，溶胀达到平衡后（大约6h）,将样品放在100目网筛上过滤2min，滤去水分后称量。并计算吸水倍率。选出吸水倍率最高的样品，作为下一组制备最优量的条件。1.3.2丙烯酰胺海藻酸钠系列-优化交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺各称取海藻酸钠0.3g五份于五个三口烧瓶中，加入30ml蒸馏水搅拌，在80℃的恒温油浴锅中保温30min。各称取0.8333g的半焦加入到三口烧瓶中，通氮气并保温30min。称取过硫酸铵，分别溶解装入恒压漏斗并固定。分别取五个干净小烧杯，称取7.2g丙烯酰胺加6ml水微加热溶解，称取交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺3.0%（0.2160）2.5%（0.1800g）、2.0%（0.1440g）、1.5%（0.1080g）、1.0%（0.0720g）加入烧杯溶解，装入恒压漏斗并固定。打开装有过硫酸铵的恒压漏斗，反应5min，打开装有丙烯酰胺和N-N亚甲基双丙烯酰胺的漏斗，开始聚合，反应10min。全程搅拌且要通氮气。聚合后关闭搅拌器，通氮气、80℃保温3h。取出聚合物，粉碎，在烘箱中80℃烘干12h。将固体用粉碎机粉碎，过40目筛子，将产物装入自封袋，并标注。然后进行吸水性能和耐盐碱性能的测定。室温下，称取0.05g样品置于500mL蒸馏水/0.9%的NaCl溶液中，溶胀达到平衡后（大约6h）,将样品放在100目网筛上过滤2min，滤去水分后称量。并计算吸水倍率。挑选出吸水倍率最高的样品，作为下一组制备最优量的条件。1.3.3丙烯酰胺海藻酸钠系列-优化丙烯酰胺各称取海藻酸钠0.3g五份于五个三口烧瓶中，加入30ml蒸馏水搅拌，在80℃的恒温油浴锅中保温30min。各称取0.8333g的半焦加入到三口烧瓶中，通氮气并保温30min。称取过硫酸铵（选取第一组过硫酸铵的最优量），分别溶解装入恒压漏斗并固定。分别取五个干净小烧杯，称取3.6g、4.8g、7.2g、10.8g、14.4g丙烯酰胺加6ml水微加热溶解，称取交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺加入烧杯溶解，装入恒压漏斗并固定。打开装有过硫酸铵的恒压漏斗，反应5min，打开装有丙烯酰胺和N-N亚甲基双丙烯酰胺的漏斗，开始聚合，反应10min。全程搅拌且要通氮气。聚合后关闭搅拌器，通氮气、80℃保温3h。取出聚合物，粉碎，在烘箱中80℃烘干12h。将固体用粉碎机粉碎，过40目筛子，将产物装入自封袋，并标注。然后进行吸水性能和耐盐碱性能的测定。室温下，称取0.05g样品置于500mL蒸馏水/0.9%的NaCl溶液中，溶胀达到平衡后（大约6h）,将样品放在100目网筛上过滤2min，滤去水分后称量。并计算吸水倍率。挑选出吸水倍率最高的样品，作为下一组制备最优量的条件。1.3.4丙烯酰胺海藻酸钠系列-优化半焦各称取海藻酸钠0.3g五份于五个三口烧瓶中，加入30ml蒸馏水搅拌，在80℃的恒温油浴锅中保温30min。称取0.2084g（2.5%）、0.4167g（5%）、0.8333g（10%）、1.2500g（15%）、1.6666g（20%）的半焦加入到三口烧瓶中，通氮气并保温30min。称取过硫酸铵，分别溶解装入恒压漏斗并固定。分别取五个干净小烧杯，称取丙烯酰胺加6ml水微加热溶解，称取交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺（加入烧杯溶解，装入恒压漏斗并固定。打开装有过硫酸铵的恒压漏斗，反应5min，打开装有丙烯酰胺和N-N亚甲基双丙烯酰胺的漏斗，开始聚合，反应10min。全程搅拌且要通氮气。聚合后关闭搅拌器，通氮气、80℃保温3h。取出聚合物，粉碎，在烘箱中80℃烘干12h。将固体用粉碎机粉碎，过40目筛子，将产物装入自封袋，并标注。然后进行吸水性能和耐盐碱性能的测定。室温下，称取0.05g样品置于500mL蒸馏水/0.9%的NaCl溶液中，溶胀达到平衡后（大约6h）,将样品放在100目网筛上过滤2min，滤去水分后称量。并计算吸水倍率。挑选出吸水倍率最高的样品，作为下一组制备最优量的条件。1.4性能测定1.4.1丙烯酰胺海藻酸钠系列保水剂吸水速率测定在数只烧杯中各加入500mL蒸馏水/0.9%NaCl溶液，分别各加入0.05g最优样品，分别静置不同时间测定吸水倍率与时间的关系。吸水时间可以选择为（0、5、10、15、30、60、90、120、150、180、240、360min），然后称重，计算吸水倍率。1.4.2丙烯酰胺海藻酸钠系列保水剂在不同盐溶液中吸水速率的测定称取0.05g最优样品，分别加入(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%)500mLKCl溶液中，溶胀平衡后（6h）将其拿出并称重，计算吸水倍率；称取0.05g最优样品，分别加入(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)500mLCaCl2溶液中，溶胀平衡后（6h）将其拿出并称重，计算吸水倍率；称取0.05g最优样品，分别加入(0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)500mLAlCl3溶液中，溶胀平衡后（6h）将其拿出并称重，计算吸水倍率；1.4.3丙烯酰胺海藻酸钠系列保水剂添加不同量半焦保水性能的测定分别称取0.5g（选取添加0%和10%半焦的保水剂）干燥的保水剂样品置于500mL蒸馏水/0.9%NaCl溶液中，溶胀6h测定其吸水倍率，之后将溶胀样品放在室温下，每隔一定时间（2h、4h、6h、8h、10、15h、20h、24h、48h、72h）测定一次保水剂的重量，计算保水性能WR=W/W0，W0为完全溶胀样品的重量，W为一定时间间隔内样品的重量。2结果与分析2.1红外表征分析图1SA-g-PAM/CC，SA-g-PAM和CC的FTIR光谱图图1给出了SA-g-PAM/CC，SA-g-PAM和CC的FTIR光谱。CC的特征吸收峰在1031cm-1、943cm-1和523cm-1处，分别对应高岭石的Si-O伸缩振动和Si-O-Si的弯曲振动。3443cm-1处归属于羟基的特征吸收峰，波数大于3443cm-1的弱峰为-OH与高岭石八面体协调的伸缩振动，其中，高岭石是CC的主要成分。此外，2924cm-1和2852cm-1处为甲基和亚甲基反对称伸缩振动的特征吸收峰，1618cm-1处为-COO-的不对称伸缩振动吸收峰，这归属于半焦中其他有机质。从SA-g-PAM/CC的谱线中可以看出，出现在1031cm-1处的峰在复合保水剂中红移到1039cm-1，1618cm-1处的峰红移到1635cm-1，同时在SA-g-PAM/CC也出现了SA-g-PAM保水剂的相应的峰，说明成功制备了SA-g-PAM/CC复合保水剂REF_Ref28413\r\h[10]。2.2引发剂的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图2引发剂的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图2给出了引发剂的量对复合保水剂吸水耐盐性能的影响，如图所示，当其他工艺条件确定，随着过硫酸铵量的增加，吸水倍率和在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率逐渐增加，当过硫酸铵的添加量为2.5%时，该复合保水剂的吸水倍率和耐盐性能达到最高。2.3交联剂的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图3交联剂的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图3给出了交联剂的量对复合保水剂吸水耐盐性能的影响，如图所示，过硫酸铵的添加量为2.5%，其他工艺条件确定，随着N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）量的增加，吸水倍率和在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率逐渐增加，当N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）添加量为2.5%时，该复合保水剂的吸水倍率和耐盐性能达到最高。2.4丙烯酰胺的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图4丙烯酰胺的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图4给出了单体用量对复合保水剂吸水耐盐性能的影响，如图所示，过硫酸铵的添加量为2.5%，N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的添加量为2.5%，其他工艺条件确定，随着丙烯酰胺量的增加，吸水倍率和在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率逐渐增加，丙烯酰胺量为7.2g时，该复合保水剂的吸水倍率和耐盐性能达到最高，而后，随着单体量的增加，吸水倍率减小。2.5半焦的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图5半焦的量对复合保水剂吸水和耐盐性能的影响图5给出了单体用量对复合保水剂吸水耐盐性能的影响，如图所示，过硫酸铵的添加量为2.5%，N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的添加量为2.5%，单体（丙烯酰胺）的量为7.2g，其他工艺条件确定，随着半焦添加量的增加，吸水倍率和在0.9%NaCl溶液中的吸水倍率逐渐增加，当半焦的量为10%时，该复合保水剂的吸水倍率和耐盐性能达到最高，而后，随着半焦量的增加，吸水倍率减小。2.6复合保水剂在不同时间的吸水和耐盐性能图6在蒸馏水中，不同时间的吸水速率图6给出了最优条件：过硫酸铵的添加量为2.5%，N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的添加量为2.5%，单体（丙烯酰胺）量为7.2g，半焦添加量为10%制备的最优复合保水剂在蒸馏水中不同时间下的溶胀率。如图所示，半焦添加量10%的保水剂在240min，溶胀率趋于稳定，达到63.0g/g，添加半焦0%的保水剂的溶胀率在60min达到平衡，溶胀率为58.0g/g。图7在0.9%NaCl溶液中，不同时间的吸水速率图7给出了最优条件下制备的复合保水剂在0.9%NaCl溶液中不同时间下的溶胀率。如图7所示，在0.9%的NaCl溶液中，半焦添加量10%的产品溶胀率缓慢增加，最后在240min后基本保持不变，半焦添加量为10%的产品在0~130min溶胀率逐渐增加，在150min后趋于稳定。2.7复合保水剂在不同盐溶液中的吸水和耐盐性能图8在不同盐溶液中的保水率如图8所示，KCl溶液中保水剂的溶胀率要远高于其余两种盐溶液中保水剂的溶胀率。在0.7%～0.9%时，AlCl3溶液中保水剂的溶胀率比CaCl2盐溶液中保水剂的溶胀率更高。三种溶液中的整体趋势是随着溶液浓度的增加，溶胀率逐渐降低。2.8复合保水剂保水性能的测定图9在蒸馏水中的保水率图9给出了最优条件下制备的复合保水剂在蒸馏水中的保水性能。如图9所示，半焦添加量为0%的保水剂在蒸馏水中10h后，保水率趋于稳定，保水率稳定于31.2%，半焦添加量为10%的保水剂在蒸馏水中10h后，保水率趋于稳定，保水率稳定于39.98%。图10在0.9%NaCl溶液中的保水率图10给出了最优条件下制备的复合保水剂在0.9%NaCl溶液中的保水性能。如REF_Ref11223\h图10所示，半焦添加量为0%的保水剂在0.9%NaCl溶液中10h后，保水率趋于稳定，保水率稳定于28.2%，半焦添加量为10%的保水剂在0.9%NaCl溶液中10h后，保水率趋于稳定。保水率稳定于69.12%，说明制备的复合保水剂在蒸馏水中和0.9%NaCl溶液中具有较好的保水性能。3结论经过一系列的保水剂制备优化以及性能测定实验，可以得出以海藻酸钠为接枝骨架，丙烯酰胺为单体制备的保水剂，当过硫酸铵的添加量为2.5%，N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的添加量为2.5%，单体（丙烯酰胺）的量为7.2g，半焦的添加量为10%时，制备的保水剂性能最佳。制得的保水剂虽然吸水性能较差，但耐盐碱性能较好。这是因为丙烯酰胺是非离子型单体。说明以丙烯酰胺为单体进行聚合，有助于增加保水剂材料的耐盐性能。该论文以废弃物半焦为原料制备新型保水剂，秉承了可持续发展的理念。为后期研究其他类型保水剂的制备提供了理论支撑REF_Ref28479\r