采用紫外分光光度计和静态氮吸附仪研究了聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附量和对煤粉微观孔隙的伤害机理。主要研究了聚丙烯酰胺浓度、液固比、氯化钠含量对聚丙烯酰胺在煤粉上吸附性能的影响以及煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面和孔径变化。实验结果表明，聚丙烯酰胺在煤粉上3h时吸附可达到平衡，地层损害吸附量与聚丙烯酰胺 浓度、液固比、氯化钠含量有关；煤粉吸附聚丙烯酰胺后比表面变小，部分小孔隙被堵塞，孔径为2〜4nm的孔 隙相对变少。
聚丙烯酰胺在煤层气的压裂、钻井中有着广泛 的应用，煤储层及煤粉的特殊微观结构决定了其拥 有很强的吸附能力，吸附造成的煤层孔隙变化与储 层伤害有一定的关系。研究聚丙烯酰胺在煤粉上的 吸附规律以及煤粉吸附聚丙烯酰胺后的比表面和孔 径变化，对含聚丙烯酰胺的压裂液、钻井液的性能 评价和煤层的伤害机理具有重要意义[W]。
1卖验材料、方法
1.1实验材料与仪器
分子量为1 800万的阴离子聚丙烯酰胺、氯化 钠（AR)、纯净水（二级反渗透）、山西晋城3号 煤层煤粉（粒径为0.154 mm,其成分见表1) [1]; 紫外分光光度计（UV-1600)、立式搅拌器、水浴恒 温振荡器（SHA-B )、静态氮吸附仪（JW-BK122W )、 电子天平、离心机、电热恒温鼓风干燥箱。
表1 3号煤层煤质特征％
水分灰分挥发分固定碳镜质组惰质组镜质体反射率 2.08 16.12 3.18875.7776.3023.703.188
1.2绘制标准曲线
参照SY 5862—2008所述方法配制聚丙烯酰胺 含量为2 000 mg/L的聚合物溶液，用纯净水稀释至 10、25、50、100、150、200、250 mg/L7 种不同 的浓度。用紫外分光光度计测量溶液在202 nm处 的吸光度，作出标准曲线如图1所示。从图1可以 看出，在低于250 mg/L的浓度范围内，拟合度很高, 标准曲线具有很好的线性特征。
图1聚丙烯酰胺标准曲线图
1.3确定吸附稳定时间
实验温度为30液固比为10 : 1,测量聚丙烯酰胺含量分别为500、2 000 mg/L时的浓度损失 与吸附时间的关系。测试方法：将聚丙烯酰胺溶液
第30卷第4期
肖庆华等：聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附性能
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和煤粉按照实验要求一起放人密封杯，并竖放于水 浴恒温振荡器中，水平往复振荡频率为120次/min, 然后把吸附一定时间后的溶液取出，用离心机在 4 000 r/min下离心20 min,取上层清液，采用纯净 水稀释后用紫外分光光度计测量吸光度，并计算浓 度损失。作出浓度损失与时间的关系图，结果见图2。 由图2可知，在3h时吸附已达到平衡。
迅速增加，但在氯化钠含量大于1 000 mg/L后趋 于平稳。原因可能是随着含盐量的增加，使单个聚 丙烯酰胺在煤粉表面的占有面积减小，表现出吸附 量增加；同时聚丙稀酰胺具有一定的抗盐性能，当
盐高于一定浓度后，聚丙烯酰胺分子卷曲程度不再 发生变化，在煤粉上的吸附量不再随盐的增加而
变大。
2实验结果讨论
聚合物浓度为1 〇〇〇 mg/L、液固比为10 : 1、 水浴温度为30改变其中一个因素，固定其他
因素，测定不同因素对吸附的影响。
2.1浓度
配制不同浓度的聚丙烯酰胺溶液，以煤粉为吸 附剂，在水浴30丈恒温振荡器中平衡3 h后取出， 测定各溶液吸光度，并计算吸附量，结果见图3。 由图3可以看出，吸附量随着聚丙烯酰胺浓度的增 加先快后慢地增加，在1 500 mg/L后随着聚丙烯酰 胺浓度的增加，吸附量变化较小，这是由于聚丙烯 酰胺在煤粉上已经吸附饱和，煤粉的吸附量不再随 聚丙烯酰胺浓度增加而增加。
2.3液固比
测量不同的液固比时聚丙烯酰胺吸附量的变 化，结果见图5。从图5可以清晰地看出，随着液 固比的增加，吸附量初期增加较快，在15 : 1后变 化就很小了，这是随着水溶液比例的增加，聚丙稀 酰胺在煤粉上的吸附逐渐增多，最终在煤粉上的吸 附量达到饱和，不再随液相量的增加而变化。
3:15:110:115:120:1
液固比
图5液固比对吸附量的影响
2.4吸附后煤粉比表面、孔径变化情况
液固比为10:1,水浴温度为30把在聚
丙烯酰胺含量为500、1 000、1 500 mg/L的条件下 吸附平衡后的煤粉过滤抽干后，放人100 ^的烘箱 烘干。用静态氮吸附仪作比表面实验和孔径实验。 同时将同等条件下经过纯净水浸泡后的煤粉与吸 附聚丙烯酰胺后的煤粉做对比，结果见表2。由表 2可知，吸附量越大的煤粉BET多点比表面越小， 而吸附平均孔径则是越大，说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、孔径变化情况
聚合物/ mg/LBET多点比表面/ m2/gBJH吸附平均孔径/ nm
01.6775.218
5001.1296.347
1 0001.1419.671
1 5001.05613.576
的孔容-孔径微分分布曲线见图6,由图6可以看出， 吸附量越大的煤粉，孔径在2〜4 nm间的孔相对
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为1 500 mg/L
图6煤粉吸附聚丙烯酰胺后的 孔容-孔径微分分布曲线
3结办
1.聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附等温曲线符合朗 格缪尔型吸附曲线特点，即聚丙烯酰胺在煤粉上的 吸附量达到一定程度后，不再随聚丙烯酰胺溶液浓 度的变化而变化。
2.聚丙烯酰胺在煤粉上的吸附随聚丙烯酰胺浓 度、溶液氯化钠含量、溶液与煤粉液固比增加而增 加，但都会在某一值后达到吸附饱和。
3.聚丙烯酰胺的吸附降低了煤粉表面分子存在 的剩余表面自由场，因此对氮气的吸附能力减弱， 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导致 比表面降低的原因。
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