荧光示踪聚天冬氨酸衍生物的制备及其阻垢缓蚀性能

【摘要】：循环冷却水系统由于水温升高、流速变化等因素常常存在结垢、腐蚀等问题,解决结垢、腐蚀问题最经济有效的方法是在水质中添加阻垢缓蚀剂。荧光示踪阻垢缓蚀剂可以实现药剂浓度的在线监测,发挥药剂最佳性能,提高循环水浓缩倍率,节约水资源,达到节能减排的目的。聚天冬氨酸(PASP)是一种公认的绿色水处理剂,但其本身并不具有荧光特性,基于此,本文拟采用含有特定荧光功能基团的化合物对PASP进行接枝改性,在保持PASP衍生物优异的阻垢缓蚀性能基础之上,使其同时具有较好的荧光特性,从而扩展PASP衍生物的应用范围。(1)以5-甲氧基色胺、2-氨基-5-(氨基甲基)-1-萘磺酸、3-氨基甲基吡啶为荧光功能基团,通过氨基开环的方法制备了聚天冬氨酸/5-甲氧基色胺(PASP/OTAM)、聚天冬氨酸/2-氨基-5-(氨基甲基)-1-萘磺酸(PASP/APS)及聚天冬氨酸/3-氨基甲基吡啶(PASP/3-AMPY),通过1H NMR及FTIR对上述产物的结构进行了表征。(2)采用静态阻垢法和旋转挂片法评价了PASP/OTAM、PASP/APS及PASP/3-AMPY接枝物的阻垢缓蚀性能。与PASP单体相比,PASP/OTAM、PASP/APS及PASP/3-AMPY的阻垢缓蚀性能均有较大程度的提升。采用荧光分光光度法考察了接枝物的荧光性能,实验结果表明:PASP/OTAM、PASP/APS及PASP/3-AMPY均具有较好的荧光性能,其荧光强度与浓度之间的线性相关系数R~2分别为0.99963、0.99919及0.99966。同时实验表明在加热温度为25-80℃、溶液p H值为5-11、加热时间为8-14 h的范围内,接枝物的荧光强度基本保持恒定。(3)采用电化学方法评价了PASP/OTAM、PASP/APS及PASP/3-AMPY在3.5%Na Cl溶液中的缓蚀性能,实验表明:PASP/OTAM、PASP/APS及PASP/3-AMPY在3.5%Na Cl溶液中的缓蚀效率分别为71.49%、68.53%及77.99%,在相同的浓度下,PASP单体的缓蚀率仅为36%。密度泛函理论(DFT)计算结果表明,接枝物具有较强的吸附性能,其可通过物理吸附和化学吸附等方式作用于于金属表面,起到较好的阻垢缓蚀作用。(5)采用逐级放大的实验方法,通过5L-20L-50L-100L-500L反应釜反应条件的优化,制定了PASP/3-AMPY接枝物的中试生产操作规程,利用自建的500L-2000 L中试生产线,初步合成了PASP/3-AMPY工业品,为荧光示踪聚天冬氨酸类衍生物的推广应用奠定了坚实基础。(6)采用正交试验研究了PASP/OTAM、PASP/APS及PASP/3-AMPY(中试产品)与PAPEMP、HPMA、Glu及Zn~(2+)离子等市售阻垢缓蚀剂之间的协同性能。实验表明复合型水处理剂在较低浓度下,其阻垢缓蚀效率即可高达95%以上,且其可以应用于高温、高碱、高p H领域。SEM及XRD研究表明上述三种复合型药剂可改变垢晶体的结构,使其变得疏松、颗粒细小,极易被水流冲走,避免垢晶体在金属管道表面沉积。