聚丙烯酰胺在煤層氣的壓裂、鉆井中有著廣泛 的應(yīng)用，煤儲(chǔ)層及煤粉的特殊微觀結(jié)構(gòu)決定了其擁 有很強(qiáng)的吸附能力，吸附造成的煤層孔隙變化與儲(chǔ) 層傷害有一定的關(guān)系。研究聚丙烯酰胺在煤粉上的 吸附規(guī)律以及煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面和孔 徑變化，對(duì)含聚丙烯酰胺的壓裂液、鉆井液的性能 評(píng)價(jià)和煤層的傷害機(jī)理具有重要意義[W]。

1賣驗(yàn)材料、方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器

分子量為1 800萬(wàn)的陰離子聚丙烯酰胺、氯化 鈉（AR)、純凈水（二級(jí)反滲透）、山西晉城3號(hào) 煤層煤粉（粒徑為0.154 mm,其成分見(jiàn)表1) [1]; 紫外分光光度計(jì)（UV-1600)、立式攪拌器、水浴恒 溫振蕩器（SHA-B )、靜態(tài)氮吸附儀（JW-BK122W )、 電子天平、離心機(jī)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

表1 3號(hào)煤層煤質(zhì)特征％

水分灰分揮發(fā)分固定碳鏡質(zhì)組惰質(zhì)組鏡質(zhì)體反射率 2.08 16.12 3.18875.7776.3023.703.188

1.2繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

參照SY 5862—2008所述方法配制聚丙烯酰胺 含量為2 000 mg/L的聚合物溶液，用純凈水稀釋至 10、25、50、100、150、200、250 mg/L7 種不同 的濃度。用紫外分光光度計(jì)測(cè)量溶液在202 nm處 的吸光度，作出標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。從圖1可以 看出，在低于250 mg/L的濃度范圍內(nèi)，擬合度很高, 標(biāo)準(zhǔn)曲線具有很好的線性特征。

圖1聚丙烯酰胺標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

1.3確定吸附穩(wěn)定時(shí)間

實(shí)驗(yàn)溫度為30液固比為10 : 1,測(cè)量聚丙烯酰胺含量分別為500、2 000 mg/L時(shí)的濃度損失 與吸附時(shí)間的關(guān)系。測(cè)試方法：將聚丙烯酰胺溶液

第30卷第4期

肖慶華等：聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附性能

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和煤粉按照實(shí)驗(yàn)要求一起放人密封杯，并豎放于水 浴恒溫振蕩器中，水平往復(fù)振蕩頻率為120次/min, 然后把吸附一定時(shí)間后的溶液取出，用離心機(jī)在 4 000 r/min下離心20 min,取上層清液，采用純凈 水稀釋后用紫外分光光度計(jì)測(cè)量吸光度，并計(jì)算濃 度損失。作出濃度損失與時(shí)間的關(guān)系圖，結(jié)果見(jiàn)圖2。 由圖2可知，在3h時(shí)吸附已達(dá)到平衡。

迅速增加，但在氯化鈉含量大于1 000 mg/L后趨 于平穩(wěn)。原因可能是隨著含鹽量的增加，使單個(gè)聚 丙烯酰胺在煤粉表面的占有面積減小，表現(xiàn)出吸附 量增加；同時(shí)聚丙稀酰胺具有一定的抗鹽性能，當(dāng)

鹽高于一定濃度后，聚丙烯酰胺分子卷曲程度不再 發(fā)生變化，在煤粉上的吸附量不再隨鹽的增加而

變大。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

聚合物濃度為1 〇〇〇 mg/L、液固比為10 : 1、 水浴溫度為30改變其中一個(gè)因素，固定其他

因素，測(cè)定不同因素對(duì)吸附的影響。

2.1濃度

配制不同濃度的聚丙烯酰胺溶液，以煤粉為吸 附劑，在水浴30丈恒溫振蕩器中平衡3 h后取出， 測(cè)定各溶液吸光度，并計(jì)算吸附量，結(jié)果見(jiàn)圖3。 由圖3可以看出，吸附量隨著聚丙烯酰胺濃度的增 加先快后慢地增加，在1 500 mg/L后隨著聚丙烯酰 胺濃度的增加，吸附量變化較小，這是由于聚丙烯 酰胺在煤粉上已經(jīng)吸附飽和，煤粉的吸附量不再隨 聚丙烯酰胺濃度增加而增加。

2.3液固比

測(cè)量不同的液固比時(shí)聚丙烯酰胺吸附量的變 化，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可以清晰地看出，隨著液 固比的增加，吸附量初期增加較快，在15 : 1后變 化就很小了，這是隨著水溶液比例的增加，聚丙稀 酰胺在煤粉上的吸附逐漸增多，最終在煤粉上的吸 附量達(dá)到飽和，不再隨液相量的增加而變化。

3:15:110:115:120:1

液固比

圖5液固比對(duì)吸附量的影響

2.4吸附后煤粉比表面、孔徑變化情況

液固比為10:1,水浴溫度為30把在聚

丙烯酰胺含量為500、1 000、1 500 mg/L的條件下 吸附平衡后的煤粉過(guò)濾抽干后，放人100 ^的烘箱 烘干。用靜態(tài)氮吸附儀作比表面實(shí)驗(yàn)和孔徑實(shí)驗(yàn)。 同時(shí)將同等條件下經(jīng)過(guò)純凈水浸泡后的煤粉與吸 附聚丙烯酰胺后的煤粉做對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表 2可知，吸附量越大的煤粉BET多點(diǎn)比表面越小， 而吸附平均孔徑則是越大，說(shuō)明聚丙烯酰胺的吸附 堵塞了煤粉的部分小孔隙。煤粉吸附聚丙烯酰胺后

表2煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面、孔徑變化情況

聚合物/ mg/LBET多點(diǎn)比表面/ m2/gBJH吸附平均孔徑/ nm

01.6775.218

5001.1296.347

1 0001.1419.671

1 5001.05613.576

的孔容-孔徑微分分布曲線見(jiàn)圖6,由圖6可以看出， 吸附量越大的煤粉，孔徑在2?4 nm間的孔相對(duì)

越少。

0.00527 0.00474 0.00422 —0.00369 0.00316 〇 0.00263

0.00211 > 0.00158 ^ 0.00105 0.00055 0

0.00312 0.00281 ^ 0.00250 ^ 0.00218 〇 0.00187 § 0.00156 ^ 0.00125 = 0.00091 0.00062 0.00051 0

0.00321 0.00289 0.00257 p 0.00225 ^ 0.00193 〇 0.00161 芒 0.00129 ^ 0.00096 0.00061 0.00032 0

d )溶液聚丙烯酰胺含量為1 500 mg/L

圖6煤粉吸附聚丙烯酰胺后的 孔容-孔徑微分分布曲線

3結(jié)辦

1.聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附等溫曲線符合朗 格繆爾型吸附曲線特點(diǎn)，即聚丙烯酰胺在煤粉上的 吸附量達(dá)到一定程度后，不再隨聚丙烯酰胺溶液濃 度的變化而變化。

2.聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附隨聚丙烯酰胺濃 度、溶液氯化鈉含量、溶液與煤粉液固比增加而增 加，但都會(huì)在某一值后達(dá)到吸附飽和。

3.聚丙烯酰胺的吸附降低了煤粉表面分子存在 的剩余表面自由場(chǎng)，因此對(duì)氮?dú)獾奈侥芰p弱， 比表面由1.677 m2/g降低到1.056 m2/g,其中吸附 堵塞了煤粉中2?4 nm的部分小孔隙也可能是導(dǎo)致 比表面降低的原因。