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三元复合驱含油污水絮凝剂分子模拟

艾广智  
【摘要】:分子模拟是随着计算机技术和理论化学的发展而发展起来的新兴计算化学技术,它主要运用量子化学、分子力学和分子动力学等计算化学方法,同时还包括分子设计、定量构效分析、蒙特卡洛等方法,并采用先进的图形处理和显示技术,在分子水平上对一定体系进行数值模拟。目前分子模拟技术在石化、化工、医药、石油、电子、汽车、油田化学领域等领域得到广泛的应用。 本文对三元复合驱含油污水的组成特点、其中的悬浮颗粒的化学组成和分子结构进行了全面的了解和分析研究,运用Cerius2分子模拟软件构建了三元复合驱含油污水中各种组分的分子模型、悬浮颗粒表面的分子模型,并结合絮凝剂的作用机理设计了潜在的絮凝剂的分子模型,使用分子力学、分子动力学、蒙特卡洛等方法计算了絮凝剂分子在污水中的稳定构象及其与悬浮颗粒表面的作用能。根据各种潜在絮凝剂与悬浮颗粒表面的作用能的大小预测了其对悬浮颗粒表面Zeta电位的影 WP=85 响,通过实际试验证实了预测结果的正确性。 一、三元复合驱含油污水的性质及其絮凝剂研发方向 目前大庆三元复合驱中使用的化学剂为:部分水解聚丙烯酰胺、石油磺酸盐,其主要成分为烷基苯磺酸盐、氢氧化钠,因此三元复合驱产生的含油污水中也含有上述物质。其中的烷基苯磺酸盐为阴离子型表面活性剂,极易在悬浮颗粒与水的界面上吸附,使悬浮颗粒带上大量的负电荷,从而增加悬浮颗粒间的斥力,使悬浮颗粒间通过碰撞而聚集的难度大大增加。HPAM使采出水的粘度增大,因此将使油珠上浮和悬浮颗粒下沉变得非常困难。碱可使HPAM的水解度增大,引起采出水的粘度增加。 本文用高速离心机分离出了三元复合驱含油污水中的悬浮颗粒,并采用扫描电镜和X射线衍射仪等手段对其化学成分和结构进行了分析。发现样品绝大部分为无定形物质,所含化学成分中Si和O的含量占绝对优势。不含粘土类矿物,可能含有长石和石英但均不超过10%。根据以上分析结果判断,三元复合驱含油污水中的悬浮颗粒绝大部分为非晶质二氧化硅。 以三元复合驱含油污水为介质,测试了常规阳离子型絮凝剂的絮凝效果。试验证实,三元复合驱含油污水中由于含有大量的阴离子型HPAM,与常规的阳离子型絮凝剂发生电性中和作用而产生沉淀。 WP=86 三元复合驱含油污水中悬浮物表面带有大量负电荷,对阴离子型絮凝剂具有静电排斥作用,使其无法在悬浮颗粒表面有效吸附,也就不能起到絮凝作用;三元复合驱采出水为强碱性环境,两性型絮凝剂在此条件下表现出阴离子型絮凝剂的特性,也无法在悬浮颗粒表面有效吸附,同样不能起到絮凝作用。由此确定了非离子型为三元复合驱采出水絮凝剂分子设计的方向。 二、三元复合驱采出水絮凝剂分子模拟 构建了非晶质SiO2模型作为悬浮物的模型,并构建了十六烷基对苯磺酸钠作为驱油化学剂中的表面活性剂模型,以及潜在絮凝剂的分子模型。 先用电荷平衡法计算各模型的电荷分布,然后用分子力学的能量最小化模块以及分子动力学模块进行能量优化,当能量优化收敛后得到各模型的稳定构象。 同时将化学剂稳定构象与非晶质SiO2模型输入到共混模块,采用蒙特卡洛方法,由软件随机安排化学剂分子在非晶质SiO2模型表面吸附的位置和姿态,计算其作用能,这样的模拟、计算共进行2000次。将全部作用能数据平均,得总平均作用能E;然后将低于E的数据作平均得E’;再将低于E’的数据作平均得E”。由于E”是多次模拟中作用能最低的部分模拟的平均值,是更符合实际情况的作用能数据,将E”作为评价化学剂与非晶质SiO2表面作用能大小并进一步评价其在非晶质SiO2表面 WP=87 吸附能力大小的依据。 分子模拟结果显示,聚氧化乙烯在非晶质SiO2表面的作用能明显低于十六烷基对苯磺酸钠。当聚氧化乙烯链段中增加了氧化丙烯链节以后,分子与非晶质SiO2表面的作用能变得更低了。 据此分析,聚氧化乙烯能在非晶质SiO2表面形成稳定吸附且部分替换十六烷基对苯磺酸钠。氧化乙烯氧化丙烯共聚物与非晶质SiO2表面的作用更强,有可能在三元复合驱含油污水悬浮颗粒表面强烈吸附,并替代原来吸附的表面活性剂。 三、分子模拟结果的实验验证 取三元复合驱含油污水,采用高速离心机离心分离,所得的沉淀物用电动搅拌机分散于适量三元复合驱化学剂及NaCl水溶液中,配制成模拟液。再向模拟液中加入聚氧化乙烯、氧化乙烯氧化丙烯共聚物。用Zeta电位仪分别测定模拟液中悬浮固体颗粒Zeta电位,并用分光光度计测定各模拟液上层的吸光度。 实验结果表明,在空白模拟液中,由于表面活性剂等驱油化学剂在悬浮颗粒表面的吸附,使悬浮颗粒表面带有大量的负电荷,其Zeta电位达到-72mV。当向模拟液中加入聚氧化乙烯、氧化乙烯氧化丙烯共聚物后,由于其在悬浮颗粒表面更强烈的吸附,并顶替掉部分原来吸附的表面活性剂等驱油化学剂,导 WP=88 致悬浮颗粒表面Zeta电位绝对值变小,颗粒间静电斥力减小,较易聚集和沉降,上层吸光度降低。其中氧化乙烯氧化丙烯共聚物降低悬浮颗粒表面Zeta电位绝对值及对悬浮颗粒絮凝的能力更强。 实验中悬浮颗粒表面Zeta电位及模拟液吸光度的变化规律与分子模拟中得到的化学剂与非晶质SiO2表面作


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