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生物可降解的聚醚水处理剂的合成及性能研究

陈依漪  
【摘要】:工业循环冷却水浓缩倍数的提高会带来难溶盐沉积、管道腐蚀等问题,其中难溶盐包括碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙等物质,它们沉积在换热器的管道内壁降低其传热效率;管道腐蚀会导致设备表面穿孔,影响生产的正常进行。控制结垢和缓解腐蚀最常用也最有效的方法是在循环冷却水系统中加入水处理剂或阻垢缓蚀剂。本论文设计制备了两种多功能聚醚水处理剂,具体研究内容如下:(1)首先以马来酸酐(MA)为原料,过氧化氢为氧化剂,钨酸钠为催化剂,通过环氧化反应合成环氧琥珀酸钠(ESA)单体,然后以水为反应溶剂,过硫酸铵为引发剂,ESA与乙二酸封端聚醚(APEM)或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烯丙基聚氧乙烯磺酸铵(APES)为单体,通过自由基共聚合反应制备可生物降解的聚醚水处理剂ESA-APEM和ESA-AMPS-APES。(2)以水处理剂对碳酸钙、硫酸钙的阻垢性能(阻垢率)为评价标准,确定水处理剂ESA-APEM的最佳聚合条件:单体质量配比m(ESA):m(APEM)为2:1,引发剂用量占单体总质量的6%,聚合温度70℃,反应时间3.0 h。水处理剂ESA-AMPS-APES的最佳聚合条件为:反应温度70℃,反应时间3.0 h,引发剂用量为单体总质量的6%,m(ESA):m(APES):m(AMPS)为2:0.5:0.5。(3)采用静态阻垢法探讨水处理剂ESA-APEM的阻垢性能和分散氧化铁性能。实验结果表明,与市售水处理剂的各性能相比,水处理剂ESA-APEM对碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙均有优异的阻垢效果,对氧化铁有良好的分散效果,可适用于高硬度、高碱度、高硫酸根离子浓度、高磷酸根离子浓度、高pH值和高温的循环水系统。在最佳聚合条件下,当水处理剂ESA-APEM的投加量为8 mg/L时,碳酸钙阻垢率可达89.6%,磷酸钙阻垢率为99.5%;当投加量为4 mg/L时,硫酸钙阻垢率为98.2%;当投加量为14 mg/L时,溶液的透光率仅有22%。(4)采用旋转挂片法考察水处理剂ESA-APEM的缓蚀性能。实验结果表明,当ESA-APEM的投加量为70 mg/L时,缓蚀率可以达到80%;缓蚀性能优于市售的水处理剂乙二胺四甲叉磷酸(EDTMP),略低于高磷水处理剂羟基乙叉二磷酸(HEDP)和膦酰基羧酸(POCA);与锌盐、聚磷酸盐缓蚀剂和杀菌剂复配使用时,表现出良好的协同作用。采用摇床实验法研究水处理剂ESA-APEM的生物降解性能。实验结果表明,水处理剂ESA-APEM是易生物降解性物质;在第10天时的生物降解率达到50%,第20天时的生物降解率可达88%。因为ESA-APEM的结构中含有醚键、酯基、羧基,对生物降解性能均有促进作用。(5)采用静态阻垢法探讨水处理剂ESA-AMPS-APES的阻垢性能。实验结果表明,三元共聚物水处理剂ESA-AMPS-APES具有良好的碳酸钙、硫酸钙阻垢性能,适用于高硬度、高碱度、高温、高pH的循环水水质;在最佳聚合条件下,当ESA-AMPS-APES的投加量为16 mg/L时,碳酸钙阻垢率可以达到90%;投加量为9 mg/L时,硫酸钙阻垢率为93%。(6)通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FT-IR)等手段研究碳酸钙、硫酸钙和磷酸钙的形貌与晶型,探讨水处理剂ESA-APEM和ESA-AMPS-APES的阻垢机理。研究表明,一方面,水处理剂分子结构中的羧基、羟基会螯合溶液中的Ca~(2+)形成稳定的钙螯合物,从而降低溶液中游离的Ca~(2+)浓度,减少Ca~(2+)与CO_3~(2-)、SO_4~(2-)、PO_4~(3-)等阴离子的碰撞次数,不利于钙垢的形成;另一方面,水处理剂结构中的官能基团会吸附到钙垢晶体的活性增长点上与Ca~(2+)螯合,破坏钙垢晶核的正常生长导致晶体结构发生扭曲、畸变,阻止钙垢的进一步生成。


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