聚丙烯酰胺的合成与水解
一、 实验目的
1.熟悉由丙烯酰胺合成聚丙烯酰胺的加聚反应。
2.熟悉聚丙烯酰胺在碱溶液中的水解反应。
二、实验原理
聚丙烯酰胺可在过硫酸铵的引发下由丙烯酰胺合成：
由于反应过程中无新的低分子物质产生，所以高分子的化学组成与起始单体相同，因此这一合成反应属于加聚反应。
随着加聚反应的进行，分子链增长。当分子量增长到一定程度时，即可通过分子间的相互纠缠形成网络结构，使溶液的粘度明显增加。
聚丙烯酰胺可以在碱溶液中水解，生成部分水解聚丙烯酰胺：
随着水解反应的进行，有氨放出并产生带负电的链节。由于带负电的链节相互排斥，使部分水解聚丙烯酰胺有较伸直的构象，因而对水的稠化能力增加。
聚丙烯酰胺在钻井和采油中有许多用途。
三、实验仪器与药品
1．仪器
恒温水浴，沸水浴，烧杯，量筒，搅拌棒，电子天平。
2．药品
丙烯酰胺（化学纯），过硫酸铵（分析纯），氢氧化钠（分析纯）。
四、实验操作步骤
1．丙烯酰胺的加聚反应
（1）用台秤称取烧杯和搅拌棒的质量。然后在烧杯中加入2g丙烯酰胺和 18ml水，配成10％的丙烯酰胺溶液。
（2）在恒温水浴中，将10％丙烯酰胺加热到80℃，然后加入 15滴10％过硫酸铵溶液，引发丙烯酰胺加聚。
（3）在加聚过程中，慢慢搅拌，注意观察溶液粘度的变化。
（4）10分钟后，停止加热，产物为聚丙烯酰胺。
2.聚丙烯酰胺的的水解
（1）称量制得的聚丙烯酰胺，计算要补充加多少水，可配成5％聚丙烯酰胺的溶液。
（2）在聚丙烯酰胺中加入所需补加的水，用搅拌棒搅拌，观察高分子的溶解情况。
（3）称取 20g 5％聚丙烯酰胺溶液（剩下的留作比较）加入 2ml 10％氢氧化钠，放入沸水浴中，升温至90℃以上进行水解。
（4）在水解过程中，慢慢搅拌，观察粘度变化，并检查氨气的放出（用湿的广泛pH试纸）。
（5）半小时后，将烧杯从沸水浴中取出，产物为部分水解聚丙烯酰胺。
（6）称取产物质量，补加蒸发损失的水量，制得5％的部分水解聚丙烯酰胺。比较水解前后5％溶液的粘度。
（7）将制得的聚丙烯酰胺倒入回收瓶中。
五、实验数据处理
解释实验中观察到的各种现象。
表1 聚丙烯酰胺的合成与水解数据表
实验现象解释：
现象1、2：由于过硫酸铵引发小分子的丙烯酰胺发生加聚反应，生成高分子聚丙烯酰胺，分子链增长，溶液由低分子溶液变成高分子溶液。因此，随着加聚反应的进行，聚合物分子链的增长。当分子量增长到一定程度时，分子间有些互相缠绕形成网络结构，使溶液粘度明显增加。
现象3：聚丙烯酰胺是水溶性高分子聚合物，可以溶于水，使分子舒展，纠缠程度下降，导致溶液的粘度降低。
现象4、5： 聚丙烯酰胺可以在碱溶液中水解，生成部分水解聚丙烯酰胺。随着水解反应的进行，有氨放出并产生带负电的链节。放出的NH3气体能使得湿润pH试纸变蓝。
由于带负电的链节相互排斥，使部分水解聚丙烯酰胺有较伸直的构象，因而对水的稠化能力增加。理论上加入NaOH后会看到溶液明显变粘稠，但我们并未观察到该现象，只是感觉溶液略微变粘，与水解后产物差别不明显。可能是由于丙烯酰胺样品潮解再加上NaOH溶液放置时间过长浓度变稀导致实验现象不明显。
六、思考题
1．过硫酸铵用量对合成聚丙烯酰胺的分子量有何影响？
答：过硫酸铵在反应中作为引发剂，过硫酸根可以分解为硫酸根自由基，抢得丙烯的一个电子后变成硫酸根，使丙烯变成丙烯自由基，发动聚合反应过硫酸铵催化丙烯酰胺分子的加聚。
过硫酸铵用量增大，聚丙烯酰胺分子量增大。若用量过多会导致溶液过于粘稠，即使加水稀释后，粘度也不会发生较大的变化，使得加入NaOH增稠的对比效果不明显；若用量过少，导致加聚反现象比较不明显，即使加水稀释后也无法观察到溶液的稀释现象。
2．为什么聚丙烯酰胺合成时，要将温度升到 60℃？
答： 60℃为促进聚丙烯酰胺合成的适宜温度。在此温度下，能够加快反应速率，使过硫酸根快速分解为硫酸根自由基，从而更有利于聚丙烯酰胺的生成，增加生成的聚丙烯酰胺的分子量。若温度过高可能会破坏聚丙烯酰胺；如果水温低于六十摄氏度，即使生成聚丙烯酰胺，也不会溶解，把水温升到六十摄氏度，可使生成的聚丙烯酰胺溶解。
3．试分析影响部分聚丙烯酰胺分子量的因素有哪些？
答：影响部分聚丙烯酰胺分子量的因素有：丙烯酰胺的浓度、过硫酸铵的用量、加热时的温度、搅拌速率、加聚反应时间、氢氧化钠的浓度以及用量等。
六、小结
本次实验操作步骤较为复杂，操作过程中难免有操作步骤上的疏漏之处，例如在计算水解后补水量时，由于之前忘记了称量烧杯质量，在水解后补水时无法计算补水量，便将烧杯中的溶液转移到另一个已知质量的烧杯中，将水量加至净重20g，由于所转移的溶液有一定的粘度，并不能完全转移。用蒸馏水清洗烧杯和玻璃棒上残余的溶液至20g时，仍有小部分溶液为转移干净，造成实验上的误差。但由于补充的水量较少，且本实验为定性实验。只需要对比出与稀释溶液后粘度的变化即可，因此，对现象的实验观察上影响不大。
在加入NaOH后，溶液虽然出现了理论上的粘度变大现象，但结果并不明显。可能是升温至90
后，温度还为稳定便将溶液放入其中进行加热反应，在这个过程中温度有可能超过93，使得生成的聚丙烯酰胺链节发生断裂，分子链减小，粘度变化不明显，甚至出现溶液变稀的现象。
本实验重在掌握聚丙烯酰胺合成与水解的相关理论，并对与理论不符的地方作出合理的解释，总的来说，实验结果还是能够符合理论依据的。
第二篇：中国石油大学华东油田化学复习资料
1.油田化学由几部分组成？
答：钻井化学、采油化学、集输化学。
2.钻井液的功能及组成、分类？
答：钻井液的功能：（1）冲洗井底；（2）携带岩屑；（3）平衡地层压力；（4）冷却与润滑钻头；（5）稳定井壁；（6）悬浮岩屑与密度调整材料；（7）获取地层信息；（8）传递功率。
钻井液的组成：钻井液是由不同的固体（如粘土）、液体（水、油）、与化学处理剂（丹宁）混合而成的多相分散体系。
钻井液的分类：1、水基钻井液（连续相为水，内相为固体、液体和气体）。
2、油基钻井液：a、油包水乳化泥浆；b、油基泥浆。
3.粘土矿物的基本结构单元，几种典型的粘土矿物单元晶层组成？
答：粘土矿物的基本结构单元有：硅氧四面体与铝氧八面体。
常见：（1）高岭石（一层硅氧四面体一层铝氧八面体）
（2）蒙脱石（两层硅氧四面体一层铝氧八面体）
（3）伊利石（两层硅氧四面体一层铝氧八面体，晶层之间以钾离子结合）
4.钻井液中无机处理剂的功用并举例说明？
答：（1）重晶石：用来调节钻井液的比重；
（2）食盐（NaCl）：用来配置饱和盐水泥浆，作为防塌剂使用；
（3）纯碱：用于配置钠基泥浆，处理钙侵；
（4）石灰：吸水后变成熟石灰，用于配置钙基泥浆，提高钻井液碱度，配制石灰乳堵漏剂；
（5）烧碱：调节钻井液pH值，控制钙离子浓度；与单宁、褐煤等有机物配成碱液，使其有效成份变为溶解态。
(6) 水玻璃：可部分水解成胶状沉淀，使部分粘土颗粒聚成，从而保持较低的固相含量和比重，有较好的防塌性能，起胶凝堵漏的作用；
（7）FeCl3：形成氢氧化铁胶体，被粘土颗粒吸附，从而使泥饼油滑、细而致密，可作为降滤失剂使用。
（8）石膏（CaSO4）：处理泥浆提供Ca2+ ，配制粗分散体系的钙处理泥浆，但不提供OH-，加重剂。
5.钻井液中有机处理机的功用，并列出相应常用的处理剂？
答：有机处理机的功用主要有：（1）稀释剂（2）降滤失剂（3）絮凝剂（4）增粘剂。
常用的有：（1）稀释剂：单宁、铁铬木质素磺酸盐（FCLS）烯烃单体低聚物类稀释剂（X-A40）。
（2）降滤失剂：羧甲基纤维素钠（Na-CMC）、褐煤类、酚醛树脂类、烯烃单体聚合物类。
（3）絮凝剂：聚丙烯酰胺（PAM）、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）、丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物。
（4）防塌剂：KCl、硫酸铵、聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺、磺化聚丙烯酰胺、沥青类、纤维素类。
6.钻井液体系？（配方中成分的功用）
答：1自然钻井液体系；
2细分散钻井液体系； 
3 粗分散钻井液体系；
1） 钙基泥浆
2)盐水泥浆
4 不分散无固相、低固相聚合物钻井液体系；
5 油基钻井液体系
下面是一个油基泥浆的配方： 油包水泥浆：
7表面活性剂的分类；在油田化学中的用途，相应用途对表面活性剂分子结构的要求？
答：分类：（1）阴离子型活性剂；（2）阳离子型活性剂；（3）非离子型活性剂；（4）两性活性剂；（5）高分子活性剂。
用途：（1）乳化作用—非极性烃链具有足够的强度，同时非极性的R-部分要求是正构的；对于水包油型要求HLB值为8-18，油包水型为3.5-6；
（2）发泡和消泡作用—发泡剂 -R要有足够的长度，而且烃链是正构的，活性剂分子的亲水基有较强的极性；消泡剂-烃链短，带支链，亲水基的极性弱，并要求活性剂的活性高；
（3）润滑作用—有足够长度的烃链C12-C18，不带支链以形成良好的油膜，极性基牢固的吸附在粘土和金属表面；
（4）防腐蚀作用--；
（5）润湿反转作用—亲油基的烃链带有支链；亲水基在烃链的中部；亲油基不过大，使亲油基的作用略低于亲水基的作用，而有适当的溶解度；离子型活性剂的带电要与固体表面相反的电荷。
8．油层化学改造的原因及方法；常用的驱油方法（写出常用的药剂）？
答： 采收率=波及系数*洗油效率；
化学改造的原因：采收率低；
方法：提高波及系数；提高洗油效率；
常用的驱油方法及药剂：
（1） 聚合物驱—聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、Na-CMC、HPAM、黄胞胶；
（2） 表面活性剂驱—聚氧乙烯异辛基苯酚醚-10、聚氧乙烯聚氧丙烯二醇醚-2070；
（3） 碱驱—石油酸与加入的碱生成环烷酸钠，环烷酸钠是很强的活性剂，NaOH、NH4OH、Na2CO3;
（4） 泡沫驱—由水、气、起泡剂组成（淡水、盐水；空气、氮气、CO2等；烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠）；
（5） 复合驱—指两种或两种以上驱油成分组合起来；驱油成分指聚合物、碱、表面活性剂；
（6） 混相驱—烃类混相驱（液化石油气驱LPG、富气驱）、非烃类混相驱（CO2、N2等）。
9.怎样用化学方法解决采油过程中油井出现的一系列问题（写出常用药剂）？
油井出砂：胶结剂：水玻璃，水泥浆 桥结剂：阳离子型聚合物
油井结蜡：防蜡剂稠环芳烃；表面活性剂：油溶性表面活性剂、水溶性表面活性剂；聚合物：聚丙烯酸酯，乙烯与丙烯酸酯共聚物；清蜡剂：芳香烃，互溶剂：醇、醚、醇醚。
油井出水：调剖剂：石灰乳、硅酸溶胶、Na2CO3 FeCl3\Na2SiO3FeSO4堵水剂：非选择性堵水剂 酚醛树脂；选择性堵水剂 HPAM
稠油开采：，乳化剂:阴离子型表面活性剂，非离子型表面活性剂，高分子活性剂，两性活性剂。
采收率低：聚合物驱、表面活性剂驱、碱驱、泡沫驱、复合驱（前三项混用）、混相驱（lpg、CO2）
10.油基清蜡剂各成分的作用？
答：油基清蜡剂的配方
成份 ％
煤油 45—85 溶蜡剂
苯 5—45 溶蜡剂
乙二醇丁醚 0.5—6 互溶剂
异丙醇 1—15 互溶剂
11.油田水处理剂有哪些？各种处理剂相应的分类（一类至少举一个例子）
答：有缓蚀剂、防垢剂、杀菌剂、除氧剂、除油剂、絮凝剂；
除油剂—羟基铝、羟基锆、有机阳离子型聚合物除油剂、高吸油材料；
絮凝剂—FeCl3、AlCl3、聚合铝、聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺、聚乙烯醇；
除氧剂—亚硫酸钠、连二亚硫酸钠、甲醛、联氨；
杀菌剂—氯气、臭氧、次氯酸钠、高猛酸钾、季铵盐、酚类、醛类；
缓蚀剂—十八胺、季铵盐、酰胺类、酰胺羧酸类；
防垢剂—锁具磷酸盐、有机磷酸酯、有机多元膦酸；
除垢剂—无机酸、螯合剂；
12集输化学的概要
1管道与设备的防腐：
1覆盖层防腐法：
用覆盖层抑制金属腐蚀的方法
主要方法：1石油沥青防腐层2煤焦油瓷漆防腐层3聚乙烯防腐层3聚乙烯聚氨酯泡沫保温防腐层4熔结环氧粉末防腐层5环氧煤沥青防腐层6三层型防腐层
2阴极保护法
覆盖层防腐法必须与阴极保护法联合使用，阴极保护法是覆盖层防腐法的补充防腐法
（1）外加电流的阴极保护法。
（2）牺牲阳极的阴极保护法 ：1）镁基合金。2）锌基合金。
2乳化原油的破乳
1.乳化原油的类型：
（1）油包水乳化原油（W/O）
（2）水包油乳化原油（O/W）
（3）多重乳化原油（W/O/W、O/W/O）
油包水乳化原油的破乳方法
有热法、电法和化学法，通常联合使用，叫热-电-化学法。
油包水乳化原油的破乳剂
1)低分子破乳剂：脂肪酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、OP型表面活性剂、平平加型表面活性剂和吐温型表面活性剂
2)高分子破乳剂：分子由引发剂、环氧化合物、扩链剂、封尾剂。
引发剂（如丙二醇、丙三醇、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、酚醛树脂、酚胺树脂等）
环氧化合物（如环氧乙烷、环氧丙烷等）反应生成
为了提高其相对分子质量，可用扩链剂（如二异氰酸酯、二元羧酸等）
为了改变破乳剂的亲水亲油平衡，可用封尾剂（如松香酸、羧酸等）
2水包油乳化原油的破乳方法
有热法、电法和化学法，通常联合使用。
（2）水包油乳化原油的破乳剂
可用四类破乳剂：
1电解质、
2低分子醇
1水溶性醇：甲醇、乙醇、丙醇
2油溶性醇：己醇、庚醇等。
3表面活性剂
1阳离子型表面活性剂2阴离子型表面活性剂
4聚合物
1阳离子型聚合物2阴离子型聚合物3非离子型聚合物4非离子-阳离子型聚合物
3起泡沫原油的消泡
原油消泡剂：
（1）溶剂型原油消泡剂
低分子醇、醚、醇醚和酯。
（2）表面活性剂型原油消泡剂
有分支结构的表面活性剂
（3）聚合物型原油消泡剂
主要用聚硅氧烷，也可用含氟的聚硅氧烷。
4原油的降凝输送和减阻输送
原油的降凝输送
（1）物理降凝法
（2）化学降凝法：在原油中加降凝剂的降凝法。
1） 表面活性剂型原油降凝剂
2）聚合物型原油降凝剂
（3） 化学－物理降凝法
原油的减阻输送
（1）原油的减阻输送：加有减阻剂的处在紊流状态的原油在长距离管道中的输送。
原油减阻剂是油溶性聚合物
（2）原油减阻剂的评价：减阻率、增输率。
5天然气的脱水和脱酸性气体
天然气脱水法（l）降温法（2）吸附法（3）吸收法
天然气脱酸性气体
天然气中的酸性气体主要：
1硫化氢2二氧化碳3二硫化碳（CS2）、硫氧化碳（COS）、硫醇（RSH）同时脱除
天然气脱酸性气体方法
1．吸附法
（1）化学吸附剂：海绵铁
（2）物理吸附剂：1）分子筛；2）活性炭；3）硅胶
2．吸收法
（1）化学吸收剂
（2）物理吸收剂
天然气水合物生成的抑制
1. 天然气水合物的生成条件：
1）天然气中有水存在；
2）有足够低的温度和足够高的压力。
2.天然气水合物生成的抑制法
（1）降低压力；
（2）保持一定温度；
（3）减少天然气水含量；
（4）用天然气抑制剂抑制天然气水合物：1）醇2）表面活性剂3）聚合物