一種太陽能光-熱-電化學降解聚丙烯酰胺的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及模擬水中有機物的降解方法，特別是涉及聚丙烯酰胺降解的方法。
【背景技術】
[0002]聚丙烯酰胺(PAM)是一種白色脆性固體，具有較高的親水性和較強的極性，不溶于多數(shù)有機溶劑，但可與水以任意比例相互溶解，生成無色透明的粘稠狀液體，可被視為由氫鍵和分子鏈間機械纏結(jié)共同形成網(wǎng)狀節(jié)點的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。PAM含有高活性的酞胺基基團，化學性質(zhì)活潑，主要應用在造紙、采油、礦冶等領域中。PAM在油田能源開發(fā)過程中得到了廣泛的應用。通過向注入水中加入PAM調(diào)節(jié)其流變性能，增加驅(qū)動液粘度，提高注水驅(qū)的波及效率的同時降低了地層中水的滲透率，達到提高石油的采收率的目的。也可以將PAM作為鉆井泥漿的穩(wěn)定劑、增稠劑和沉降絮凝劑。通過增加泥漿的粘度，提高其懸浮力，使泥漿得到均勻分散，有效降低磨損阻力，進而增加鉆井的穩(wěn)定性，加快固井速度。
[0003]聚丙烯酰胺在為油田生產(chǎn)提高采收率的同時，對地面工程也產(chǎn)生了相當惡劣的影響。注入地層的聚丙烯酰胺隨原油/水混合液進入地面油水分離與水處理終端，大幅增加了混合液的粘度和乳化性，使油水分離難度加大，造成采出水含油量嚴重超標。聚丙烯酰胺對環(huán)境的直接影響是油田生產(chǎn)過程中不得不排入當?shù)厮w的外排水。由于油田配制聚丙烯酰胺需要新鮮水和以及部分低滲透地層，使部分含有較高濃度的聚丙烯酰胺采出水外排。絕大多數(shù)的聚丙烯酰胺進入地下油層，由于地層結(jié)構(gòu)原因，很難避免其滲透到地下水層。聚丙烯酰胺在地面水體和地下水中的長期滯留，必將對當?shù)厮h(huán)境造成嚴重污染。因此，尋找一種高效降解油田采出水中聚丙烯酰胺方法是聚丙烯酰胺使用者和環(huán)境保護者一直在研宄的課題。
[0004]化學降解技術廣泛應用于廢水中有機物的處理，最為主要的是氧化法。氧化法中降解效果最好，應用最廣的屬高級氧化法(AOP)，主要包括光催化氧化法、Fenton試劑、超聲氧化法、濕式氧化法、超臨界水氧化法及電催化氧化法等。光催化氧化降解有機物是通過光能生成羥基自由基，充分利用光能，不會因投加化學降解劑而引起環(huán)境的二次污染，是目前環(huán)境凈化重要技術手段之一，并在諸多領域中得到了廣泛的應用。電催化氧化法處理有機廢水與其它方法比較具有一定的優(yōu)越性，如設備簡單、易于操作、無二次污染、無需外加氧化劑和絮凝劑等化學試劑、成本低廉、占地面積小、降解效果徹底等，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。而電催化氧化技術是近年來發(fā)展起來的深受國內(nèi)外環(huán)境專家推崇的高強度廢水處理技術。它對于一系列難降解的物質(zhì)，包括有機小分子、芳香烴及其衍生物、難降解中間體、難生化有機物及無機物等，均具有較好的氧化活性。
[0005]針對油田污水中高濃度聚丙烯酰胺的處理，已經(jīng)存在多種解決方案。公開號CN104495973A的發(fā)明專利申請公開了一種油田污水中高濃度聚丙烯酰胺的降黏反應裝置及降黏方法，該裝置包括油田污水處理器、紫外燈、循環(huán)冷凝阱、貼有錫紙的暗箱、電源、鎮(zhèn)流器和觸發(fā)器，油田污水中不添加任何降黏催化劑或氧化劑，紫外燈置于循環(huán)冷凝阱中，紫外燈工作時向循環(huán)冷凝阱中持續(xù)通入冷凝水防止紫外燈工作時釋放的熱量過多造成溫度升高，以保證高濃度聚丙烯酰胺的光降解反應在常溫中進行；電源為紫外燈供電，油田污水處理器和放有紫外燈的循環(huán)冷凝阱均置于貼有錫紙的暗箱中，避免其他光源對反應的影響。該裝置的降黏反應可在常溫、常壓下進行，不產(chǎn)生二次污染，且費用較低，易操作，為油田污水的處理提供了新的途徑。但是該方法僅降低了包含高濃度聚丙烯酰胺溶液的粘度，并未降低其濃度，且其采用的裝置仍然需要耗費電能，并未達到節(jié)能環(huán)保的目的。
[0006]公開號為CN102925128A的中國專利申請公開了一種油田注聚井復合化學解堵劑。其特征在于以一種具有強電負性的高分子延展劑使得縮合成團的聚合物大分子鏈重新水合伸展，以過氧化物為氧化主劑，以一種能緩慢、勻速電離出氫離子的多元羧酸作為緩釋酸，同時加入緩蝕劑、滲透劑、金屬離子螯合劑、雙金屬偶聯(lián)劑、鐵離子穩(wěn)定劑、殺菌劑、巖層保護劑等助劑，依靠氧化主劑與緩釋酸反應生成的活性羥基氧化降解經(jīng)延展劑充分伸展的注聚井近井地帶堵塞物中的高分子聚合物，解除注聚井堵塞，提高視吸水指數(shù)。該化學解堵劑無毒、環(huán)保，具有較寬的溫度和水質(zhì)適用范圍，對聚丙烯酰胺凝膠的降粘率可以達到99%以上，同時還具有施工工藝簡單、使用和儲運安全方便等優(yōu)點。但是該方法也僅降低了包含高濃度聚丙烯酰胺溶液的粘度，并未降低其濃度，且需要加入多種助劑，由此可能產(chǎn)生新的污染，因此也未達到節(jié)能環(huán)保的目的。
[0007]公開號為CN101041490A的中國專利申請公開了一種去除油田采出水中聚丙烯酰胺及其它有機物的方法以及專為實施該方法而制造的電化學反應器。主要解決按照目前油田上通用的污水處理方法難以有效去除采用聚合物驅(qū)油的油田采出水中所包含的聚丙烯酰胺及其它有機物，而導致外排后環(huán)境污染的問題。其特征在于:將三次采出水注入具有催化陽極的電化學反應器中，施加直流電壓后，產(chǎn)生的次氯酸形成一種強氧化劑，促進了有機物的降解，更多的聚丙烯酰胺及其它有機物被極化的催化陽極產(chǎn)生的羥基自由基氧化分解成小分子的有機物進而礦化，從而使有機物可以大部分被礦化后去除。應用本發(fā)明后，可將油田含聚污水的COD值降至100mg/L左右，出水各項指標均能達到國家一級排放標準。
[0008]但該技術用于處理油田采出水難以大規(guī)模投入使用，其主要原因就是電能的消耗問題，因而尋找廉價的供能方式對該項技術的廣泛使用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]該發(fā)明結(jié)合廢水治理和太陽能利用，以油田聚合物廢水(聚丙烯酰胺廢水為模型)處理為目標，基于我們已經(jīng)建立的STEP理論過程，全部以太陽能為能源，同時利用光-電-熱一體化耦合作用將難降解有機廢水氧化降解處理。主要研宄內(nèi)容是利用太陽能光電熱能級、光譜、電勢、效率完美匹配原則，研宄和構(gòu)建高效太陽能【一級作用[光]-二級作用[電-熱]-三級作用[熱(直接熱、熱解)/電(電場、電化學)/光(光解、光敏、光催化)]】集成耦合聚丙烯酰胺油田廢水處理的STEP理論和系統(tǒng)，并建立適用于聚丙烯酰胺廢水的集成化、模型化處理流程和工藝技術。主要研宄思路是通過太陽能氧化降解聚丙烯酰胺系統(tǒng)的基本原理和理論研宄，給出此系統(tǒng)理論框架，然后設計構(gòu)建三個主要的子單元:光-熱單元、光-電單元、電化學單元，再利用三個子單元完美地能級/能量匹配、光譜匹配、電勢匹配、效率匹配的原則，構(gòu)建高效集成耦合型太陽能-電/熱-電化學-聚丙烯酰胺油田廢水處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)的能量全部來自太陽能，具有綠色(能量全部來自太陽能)、降解效率高(熱解、光解、電解同時作用)、光利用率高(總太陽能轉(zhuǎn)化效率可達40%以上)等特點，用于聚丙烯酰胺油田廢水處理具有成本低廉，綠色環(huán)保，無二次污染等特點，應用前景廣闊，并且該研宄對于拓展太陽能在環(huán)保領域的應用及解決我國日益嚴重的水資源缺乏和水污染問題都有著十分重要的意義。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術方案是一種太陽能光-熱-電化學降解聚丙烯酰胺的新方法，其特征在于其包括如下步驟:
[0011]I)太陽能光-熱-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)建:該方法構(gòu)建的太陽能光-熱-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)如附圖1。實驗室研宄系統(tǒng)由
[0012]高功率模擬太陽光源、聚光透鏡、分光器、光電池、電解池、分析儀器等組成。
[0013]模擬太陽能光源:高功率氙燈(100w)，高功率鹵鎢(汞)燈(1000-1500W)；
[0014]測量和分析儀器:萬用表、恒電位儀、光照度儀、紅外光譜、紫外光譜、氣相色譜和高效液相色譜。
[0015]光熱單元的構(gòu)建:根據(jù)實驗規(guī)模、加熱體系大小，采用不同類型和面積的聚焦透鏡來調(diào)整電化學單元反應的溫度。
[0016]光電單元的構(gòu)建與研宄:依據(jù)實驗室規(guī)模采用(a)多級硅基太陽能電池，三個或多個基本硅基光電池單元串聯(lián)，即可以達到電解電勢要求，可調(diào)節(jié)組合方式，采用聚焦或非聚焦系統(tǒng)，調(diào)整能級/能量、光譜、電勢及效率的匹配，此系統(tǒng)裝置簡單，價格便宜。(b)單級多帶隙AlGaAs/GaAs光電池，單級即可達到電解電勢要求，可調(diào)整利用最大功率點，可采用聚焦或非聚焦系統(tǒng)，耦合匹配電解單元，達到最大轉(zhuǎn)化率。(C)聚光型光電池，采用美國Spectrolab 公司的 CCA 100 系列聚光型光電池(Concentrator Photovoltaic Cell)，單級基本光電池單元輻射光強度為5-50W/cm2，電流可達2-7A，最大功率點電壓在2.6-2.7V，且可微調(diào)，可適合兩個或多個電解池串聯(lián)工作，可調(diào)整聚光倍數(shù)(輻射光強度)、電池工作溫度來匹配下一級單元。
[0017]電化學單元(電解池):實驗中陽極為不銹鋼，陰極為不銹鋼。
[0018]電流調(diào)節(jié)范圍:20-100mA/cm2
[0019]電壓調(diào)節(jié)范圍:2_15V
[0020]溫度調(diào)節(jié)范圍:20-90°C
[0021]2)電極的選取:不銹鋼電極是在反應前，對材料進行預處理:于10%的稀硫酸溶液中浸泡I?2h左右，之后取出，反復用蒸餾水清洗數(shù)次，對表面不光滑處進行砂紙打磨，待用。
[0022]3)聚丙烯酰胺濃度的測定:淀粉碘化鎘法，PAM與溴水反應生成N-溴代酞胺，以甲酸鈉為還原劑除去過量的溴。醋酸調(diào)節(jié)溶液pH = 5.0, N-溴代酞胺與淀粉-碘化鎘反應生成藍色三碘-淀粉絡合物，溶液顏色的深淺正比于PAM的濃度，用T6型紫外可見分光光度計進行測定，同時繪制標準曲線，考察線性關系、方法準確性、測定范圍。
[0023]4)聚丙烯酰胺溶液的配置:用電子天平在稱量紙上稱取2g分析純聚丙烯酰胺粉末，然后取100mL去離子水，先在溶解罐中加水，然后開啟攪拌機，當攪拌葉被水埋住時，將聚丙烯酰胺沿著漩渦緩慢加入(在水流的上方緩慢加入，讓PAM隨著水流沖入水中)，不能一次性快速投入大量PAM(大概三分鐘全部加入)，否則的話PAM會結(jié)團結(jié)塊形成“魚眼”，而影響其使用效果。投加完PAM后應繼續(xù)攪拌30min以上，一般在50min左右即可使用。
[0024]5)電解質(zhì)溶液的配置:實驗采用Na2SO4S電解質(zhì)溶液，用電子天平在稱量紙上稱取50g無水Na2SO4，溶解于蒸餾水中，然后在100mL容量瓶中定容，配置濃度為50g/L的電解至溶液。其他濃度均用此濃度的Na2SO4進行稀釋。
[0025]電極面積:1.5cm x 2cm
[0026]電極間距:10mm
[0027]電解液體積；100mL。
[0028]具體地，本發(fā)明的一個方面是提供了一種用于聚丙烯酰胺降解的裝置，其特征在于，包括太陽能光-熱-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述太陽能光-熱-點轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括光熱單元、光電單元和電化學單元，所述光熱單元包括用于調(diào)節(jié)電化學單元溫度的聚焦透鏡，光電單元為光電池，電化學單元為電解池。
[0029]進一步地，所述光電池為多級娃基太陽能電池、單級多帶隙AlGaAs/GaAs光電池或聚光型光電池，優(yōu)選地，所述多級硅基太陽能電池為三個以上基本硅基光電池單元串聯(lián)而成，或所述單級多帶隙AlGaAs/GaAs光電池采用聚焦或非聚焦系統(tǒng)，耦合匹配電解單元，