摘要
三元复合驱采油技术在提高原油采收率的同时，也产生了大量的三元复合驱采出水。由于这类采出水具有黏度大、机械杂质沉降慢、乳化程度高及稳定性强的特点，使得传统污水处理方法很难有效处理三元复合驱油污水。近些年来，Fe3O4纳米材料凭借其独特的磁学特性以及较强的表面配位活性使其在水处理领域展现出独特的优势。本文设计了一种功能化的Fe3O4纳米粒子用于处理油田采出污水，通过施加外部磁场实现污染物的快速分离。相比传统的处理手段，功能化的Fe3O4纳米粒子具有处理效率高、分离速度快、易回收的优点。通过开发这种新型的磁纳米吸附剂可为油田采出水的处理难题提供新的思路。 本文的主要工作内容如下： 1.采用多元醇法，通过改变原料的混合溶解方式，合成了不同尺寸、不同形貌的Fe3O4纳米粒子。利用XRD、TEM、DLS、FTIR以及MPMS表征分析合成的Fe3O4纳米粒子。通过对比其水溶液中的胶体稳定性以及磁响应能力，从中优选出适宜表面修饰及水处理的磁芯材料。 2.通过将3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）直接修饰到Fe3O4纳米粒子表面，成功合成了氨基功能化的Fe3O4纳米粒子。确定了APTES的最佳修饰量为3mL，最佳修饰时间为12h以及最佳修饰温度70℃。通过TEM、FTIR以及XPS等手段证明了APTES的修饰成功，分析结果表明APTES在Fe3O4纳米粒子表面上通过氢键、Si-O键等多种方式相互交联、层层堆积，形成了一个厚度约为2～3nm的三维交联的网状包覆结构。 3.通过研究APTES-Fe3O4纳米粒子对HPAM、PAA和CPAM的吸附实验，证明静电吸附作用是APTES-Fe3O4吸附HPAM的主要机理。比较Fe3O4和APTES-Fe3O4在pH=5、7、9下对HPAM的处理结果发现，在不同pH下APTES-Fe3O4的饱和吸附量分别是42.51mg g-1、37.12mg g-1、26.81mg g-1，吸附能力分别是Fe3O4的3.2倍、8.2倍以及35倍。动力学结果表明静电吸附作用是主要限速步骤。等温吸附曲线说明APTES-Fe3O4对HPAM的吸附符合单层均匀吸附。而热力学分析结果表明APTES-Fe3O4对HPAM的吸附为吸热过程。经3次循环后，APTES-Fe3O4对HPAM的吸附仍能维持90%左右。 4.通过考察模拟三元复合驱采油污水发现APTES-Fe3O4可有效去除采出水中的HPAM与乳化油滴，并确定了APTES-Fe3O4的最佳投料浓度为9.6mg mL-1，最佳絮凝时间为7.5min，最佳pH使用范围为5～9。此外，采出水中HPAM和SDBS浓度增加，会降低APTES-Fe3O4的处理性能。钠盐不影响APTES-Fe3O4的处理性能，而钙盐和膨润土的浓度提高则会加速HPAM的絮凝和凝胶化。经3次吸附循环后，APTES-Fe3O4依然能维持90%以上的除油率。
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