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基于乙二酸封端聚醚无磷水处理剂的合成及性能研究

王虎传  
【摘要】:在工业生产中,为了控制循环冷却水中的结垢、腐蚀等问题,保证工业循环水系统高效、长周期的正常运行,通常采用往循环水系统中添加水处理剂(阻垢剂、缓蚀剂)的方法对循环水进行预处理。随着国家环保法规和人们环保意识的增强,开发无毒、无污染、对环境无害的水处理剂已成为研究的重点。与市场上常用的水处理剂相比,本文研究的水处理剂制备方法简单,具有更加优异的阻垢或分散效果。全文研究内容如下:(1)以烯丙基聚氧乙烯醚(APEG)和乙二酸为原料,通过酯化反应,合成了羧基封端聚醚大分子单体APEM。在APEG末端成功接枝上乙二酸羧基官能团分子,通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振碳谱和氢谱(13C-NMR和1H-NMR)的验证,可知在羧基化过程中,聚醚单体的双键完好、没有被破坏,合成的APEM热稳定性相对于原料APEG有所提高。以丙烯酸(AA)和APEM为原料,通过水相自由基共聚,制备了不同比例的无磷无氮的水溶性共聚物阻垢剂APEM/AA,通过溴值的测定可以知道反应单体的不饱和双键消失,共聚反应完全,APEM/AA的热稳定性优于APEG和APEM,聚合物分子量数量级为104左右。以丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸AMPS)和APEM为原料,通过水相自由基共聚,制备了不同比例的无磷水溶性共聚物阻垢剂APEM/AMPS/AA,通过FT-IR和1H-NMR的验证,可知反应单体反应完全。(2)乙二酸封端聚醚阻垢剂APEM/AA具有良好的阻碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙垢性能,其最佳合成条件为:反应温度80℃℃,滴加时间1.0 h,反应时间2.0 h,引发剂用量为单体总质量的2%,APEM/AA的单体摩尔配比AA:APEM为2:1,环氧乙烯基重复单元数n为9。APEM/AA在最佳合成工艺下,投加至8 mg·L-1的临界值时能达到80%的碳酸钙阻垢率。APEM/AA能在高硬度和高碱度的水质中使用,其性能略接近于市场上最好的碳酸钙阻垢剂2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸(PBTC),优于一些常用的无磷阻垢剂。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线粉末衍射(XRD)可知,APEM/AA不仅显著改变碳酸钙晶体的形貌,还改变碳酸钙晶体的晶型。投加至4 mg·L-1的临界值时能达到95%的硫酸钙阻垢率,通过SEM和XRD可知,APEM/AA只改变硫酸钙晶体的形貌,不改变硫酸钙晶体的晶型。投加至5 mg·L-1的临界值时能达到近100%的磷酸钙阻垢率,通过SEM可知,APEM/AA显著改变磷酸钙晶体的形貌。(3) APEM/AA中大量的羧基能螯合溶液中的铁离子,在投加量为6 mg·L-1时,其透光率就可以达到22%,随着阈值效应的出现,继续添加APEM/AA透光率没有明显变化并维持在15%左右。在高钙离子、高铁离子和不同温度下,APEM/AA都有很好的分散氧化铁效果。APEM/AA是阴极抑制型缓蚀剂,具有优异的缓蚀性能:在投加量为60mg·L-‘时有超过70%的缓蚀率。APEM/AA与锌盐、聚膦酸盐缓蚀剂和杀菌剂的二元复配性能优异,最高达到近80%的缓蚀率。(4)通过对APEM/AA/APTA(8-烯丙氧基-1,3,6-芘三磺酸钠)阻垢性能和分散性能的测试,可知荧光标识共聚阻垢剂APEM/AA/APTA具有良好的阻碳酸钙垢和硫酸钙垢性能,APEM/AA/APTA和荧光单体APTA具有相同的激发和发射波长,分别为402nm和430nm。APEM/AA/APTA的荧光强度随着其浓度的增加而增加且呈很好的线性关系,其线性相关系数r为0.99672,样品的检测下限为0.38 mg·L-1。实验还考察了溶液酸度(pH值)、温度、溶剂以及其他水处理剂等因素对APEM/AA/APTA荧光强度的影响,APEM/AA/APTA既是一种无磷无氮的环保水处理剂,同时也满足了在线监测的要求。(5)乙二酸封端聚醚阻垢剂APEM/AMPS/AA具有良好的阻碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙垢和分散铁性能,其最佳合成条件为:反应温度80℃C,滴加时间1.5 h,反应时间3.0 h,引发剂用量为单体总质量的6%,APEM/AMPS/AA的单体质量配比/AA:AMPS:APEM 为 4:0.5:0.5。APEM/AMPS/AA在最佳合成工艺下,投加至8 mg·L-1的临界值时能达到75%的碳酸钙阻垢率,通过SEM和TEM可知,APEM/AMPS/AA能显著改变碳酸钙的形貌,通过XRD可知APEM/AMPS/AA改变碳酸钙形貌的同时也改变碳酸钙的晶型;投加至5 mg·L-1的临界值时能达到95%的硫酸钙阻垢率,通过SEM和TEM可知,APEM/AMPS/AA能显著改变硫酸钙的形貌,但通过FT-IR可知/APEM/AMPS/AA并不改变硫酸钙的晶型;投加至3 mg·L-1的临界值时能达到超过85%的磷酸钙阻垢率。在投加量为9 mg-L一时达到阈值效应的临界值,并达到20%左右的透光率。相对于APEM/AA二元聚合物,APEM/AMPS/AA还具有一定的阻硫酸钡效果,当单体的配比为4:0.5:0.5时,当浓度为12 mg·L-1时,阻硫酸钡的效果能达到58%,在临界值16 mg·L-1时阻垢率达到最大值75%,通过SEM可知APEM/AMPS/AA显著改变硫酸钡的形貌,加入APEM/AMPS/AA后的硫酸钡晶体变的细小和圆润。


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