一种无磷无氮型循环冷却水处理药剂的合成及研究.pdf

第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:河北省重点基础研究计划项目()河北省科学院高层次人才培养与资助项目()作者简介:刘展()女河北深泽人工程师硕士主要从事水处理技术的研究 电话:.通信作者:刘振法()男研究员博士主要从事工业节水及污水资源化的研究 电话:.闫美芳()女副研究员博士主要从事工业水处理的研究 电话:.一种无磷无氮型循环冷却水处理药剂的合成及研究刘展王崇璞李娜闫美芳高玉华刘振法(.河北省科学院能源研究所河北 石家庄.河北省工业节水工程技术研究中心河北 石家庄.河北协同水处理技术有限公司河北 石家庄.河北桑沃特水处理有限责任公司河北 石家庄)摘 要:由马来酸()和烯丙基磺酸钠()合成了不含磷氮的循环冷却水处理药剂/共聚物 采用红外光谱、元素分析、凝胶色谱以及热重分析等进行表征采用静态试验对共聚物的阻垢、分散以及生物降解性进行了研究结果表明其对碳酸钙、磷酸钙以及硫酸钙的阻垢率均可以达到 分散后上层清液透光率最低为.生物降解率为 对环境友好是一种很有发展前景的循环水处理剂关键词:循环冷却水环保型药剂阻垢性能分散性能生物降解性中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):/()().:目前水资源短缺是一个全球性问题 工业水循环利用是节约水的重要手段但其反复使用会形成水垢导致设备热交换效率下降 工业上通常采用添加水处理剂来缓解水系统结垢现象 马来酸()为环境友好药剂但单一的结构使其聚合物易产生难溶于水的钙凝胶若在分子中引入磺酸基团可有效阻止钙凝胶产生还能稳定金属离子本实验将马来酸()和烯丙基磺酸钠()进行共聚得到一种优异阻垢分散性能的/共聚物其为无磷无氮的绿色水处理剂 本药剂的合成与应用有利于缓解水资源危机有助于水体保第 期刘展等:一种无磷无氮型循环冷却水处理药剂的合成及研究护对保护环境和可持续发展具有重要意义 实验部分.试剂与仪器顺丁烯二酸(马来酸)、烯丙基磺酸钠、过硫酸铵、磷酸二氢钾、亚硫酸氢钠、过氧化氢(质量分数)、碳酸氢钠、无水氯化钙、无水乙醇、硫酸亚铁铵、氢氧化钠、四硼酸钠均为分析纯 傅里叶变换红外光谱仪()扫描电子显微镜()射线衍射仪()元素分析仪型双光束紫外分光光度计 凝胶渗透色谱仪()热重分析仪./共聚物的合成将 和去离子水加入到四口烧瓶中搅拌至溶解 升温至 加入 温度升至 加入过硫酸铵和异丙醇同时通入氮气 之后(此时系统中已经充满氮气)采用两台注射泵同时分别注射亚硫酸氢钠的水溶液和双氧水注射时间为.注射完毕后保持恒温反应 得到黄色液体 用无水乙醇反复洗涤得到乳白色的沉淀物过滤在 烘干得到乳黄色固体产品(纯化的/)其反应方程式如下:().共聚物的表征.红外光谱 采用红外光谱仪在 范围内对提纯和干燥后的产物进行表征以确定官能团结构 本实验预期在红外光谱中存在两种单体的特征吸收带如、且不存在 以此表明两种原料完全聚合.元素分析采用元素分析仪测定聚合物中、和 的质量分数以确定两种单体 和 是否成功聚合.分子量 采用 法以./的硝酸钾溶液为流动相以聚乙二醇为标准物测定共聚物的相对分子质量大小和分布.在氮气保护下加热速率 /从室温升高到 时利用热重分析仪()分析了聚合物/的热稳定性.共聚物性能测定./对 的阻垢性能评价实验按照国家标准/进行 在容量为 的锥形瓶中加入阻垢剂溶液其中含有 的 配 制 水(/以 计)的水浴中放置 取出冷却后用 溶液滴定上清液 浓度计算阻垢率()()其中、和 分别为在无药剂、有药剂和室温条件下原水消耗的 溶液的体积./对 的阻垢性能实验依据中国石油标准/进行 在 锥形瓶中加入阻垢剂 配制水(/以 计)在 水浴中浸泡 取出冷却后用 溶液滴定上清液 浓度计算阻垢率()()其中、分别为室温下无药剂、有药剂和室温条件下原水消耗 溶液的体积./对()的阻垢性能参照标准/在锥形瓶中加入阻垢剂和 配制水(/以 计 /)在 水浴中反应 取出冷却后用分光光度计测定上清液中 的浓度计算阻垢率()()其中、分别为无药剂时 的浓度有药剂时 的浓度以及室温下的原水浓度/./的分散性能将不同浓度的/和 配制好的水(/以计 /)加入 锥形瓶中强烈搅拌后于 水浴中保持 溶液冷却后测量其上层透明溶液的透光率(采用 比色管波长为)蒸馏水的透光率为因此上层清液透光率越小分散效果越好.生物降解性在锥形瓶中加入含一定量/和含有接种物的溶液用塞子封住瓶口将锥形瓶置于 的摇床中测定第 的 计算生物降解率()生物降解率 ()应用化工第 卷式中 时刻含药剂溶液的/时刻空白溶液的/含药剂溶液的初始/空白溶液的初始/结果与讨论.共聚物的表征.红外表征图 为/共聚物的红外光谱图图 /共聚物的红外光谱图./由图 可知 为 中 的伸缩振动吸收峰.为 中 的吸收峰而 中 的吸收带位于 处 这些吸收带的同时出现证实了 对聚合物的贡献 为 的对称振动吸收峰表明聚合物中含有 其由单体 提供 聚合物的谱图中在 处不存在 的特征吸收带这表明 和 分子中的双键已经全部进行聚合反应完全 综上所述说明 和 已经成功进行聚合得到了/共聚物.元素分析 聚合物中、和 的元素分析结果见表 表 /聚合物元素分析数据 /元素理论值/实际值/.由表 可知聚合物/中、元素的分析结果与理论值基本一致进一步说明合成产物为理想的/共聚物.分子量表征/共聚物 分析见图 由图 可知聚合物的、和 的值分别为 /说明/聚合物的分子量分布比较集中图 /共聚物的相对分子质量及其分布./.热重分析采用 对/进行表征热损失曲线见图 图 /的热稳定性曲线./由图 可知 之间的重量损失是水分损失的结果此时共聚物没有发生化学变化主要是约.的失水 在 之间质量损失约为 在这一阶段共聚物因高温发生裂解反应导致共聚物中的化学键断裂分子中的羧酸、磺酸基团分解产生水、二氧化碳、二氧化硫等小分子物质 曲线上的峰表明了/共聚物的分解 过 程 的 复 杂 性 其 最 大 降 解 速 率 发 生 在.这是由于在.时聚合物的主链和碳碳单键断裂所致 后 曲线趋于平缓重量变化逐渐减小该结果表明/共聚物可用于热水循环系统./的性能研究./共聚物对碳酸钙的阻垢性能/的阻碳酸钙垢性能测试结果见图 由图 可知随着加药量的增大共聚物对碳酸钙的阻垢性能呈上升趋势加药量为/时其对碳酸钙的阻垢率可达 聚合物对碳酸钙的阻垢率主要是由于 提供的羧酸基团 可以与水中的成垢离子(钙离子)发生螯合作用从而起到阻碳酸钙垢的作用第 期刘展等:一种无磷无氮型循环冷却水处理药剂的合成及研究图 /共聚物对碳酸钙的阻垢性能././共聚物对磷酸钙的阻垢性能 图为共聚物对磷酸钙的阻垢性能图 /共聚物对磷酸钙的阻垢性能./由图 可知药剂投加量在/以下时共聚物对磷酸钙几乎是没有阻垢性能的从加药量为/开始阻垢率随着加药量的增加而增加在加药量为 /时阻垢率达到 药剂对磷酸钙表现出良好的阻垢性能./共聚物对硫酸钙的阻垢性能共聚物的阻硫酸钙垢性能见图 图 /共聚物对硫酸钙的阻垢性能./由图 可知聚合物对硫酸钙的阻垢率优异在药剂量 /时对硫酸钙的阻垢率就可以达到./共聚物的分散性能图 为共聚物的分散性能研究结果图 /共聚物的分散性能./由图 可知 和 进行聚合后共聚物表现出优异的分散性能 中含有的强亲水性磺酸基团 是起到分散作用的主要基团与铁离子具有一定的螯合能力从而使得氧化铁可以均一地分 散 在 溶 液 中 随 水 流 冲 走 在 加 药 量 为/时分散氧化铁后上层清液的透光率为.分散效果优异./共聚物的降解性采用生物摇床实验对聚合产物进行生物降解性测试结果见图 图 /聚合物的生物降解性./由图 可知生物降解率随着时间的延长而逐渐增大在第 天时共聚物的降解率可以达到属于易生物降解性物质避免了药剂长期使用造成水体富营养化和水环境污染 结论以 和 为原料合成了一种无磷、无氮、环保的水处理剂/共聚物 其相对分子质量比较集中具有良好的热稳定性可以应用到热水循环系统中其对碳酸钙、磷酸钙以及硫酸钙的阻垢率均可以达到 分散后上层清液透光率最低为.生物降解率为 表明/共聚物具有良好的阻垢分散性能和生物降解性是一种很优异的循环水用阻垢分散剂(下转第 页)第 期苏景振等:生物炭对水中抗生素的吸附特性及影响因素研究 .:.:().朱煜寒张东明唐美华等.分光光度法同时测定 种共存的抗生素.计算机与应用化学():.王朝旭陈绍荣张峰等.玉米秸秆生物炭及其老化对石灰性农田土壤氨氧化和氨挥发的影响.农业环境科学学报():.:.高惠子田伟君张子钰等.锰氧化物改性生物炭基质材料对典型喹诺酮类抗生素的吸附及其在人工湿地的应用.环境科学():./.:.:.:.():.徐楠楠林大松徐应明等.玉米秸秆生物炭对 的吸附特性及影响因素.农业环境科学学报():.:.():.亢佳明.不同插层改性生物炭表征及对水中阿特拉津的吸附特性.哈尔滨:东北农业大学.陈再明方远徐义亮等.水稻秸秆生物碳对重金属 的吸附作用及影响因素.环境科学学报():.:.(上接第 页)参考文献:崔川川.新型无磷多功能水处理剂的合成及性能研究.淄博:山东理工大学.刘展闫美芳李娜等.环保型水处理剂的阻垢性能研究.应用化工():.王志磊.绿色水处理剂聚环氧琥珀酸的研究.山西化工():.():.耿存珍唐美如.绿色水处理剂聚天冬氨酸及其衍生物的研究进展.应用化工():.程玉山邢乃豪张蕾等.环境友好型聚天冬氨酸水处理剂配方研究.清洗世界():.:.:.:.:.杨海燕.中水回用循环冷却水处理剂的筛选及评价.石油化工腐蚀与防护():.王玉江方洪波姚明修.碳酸钙阻垢剂研究进展及阻垢作用机理.应用化工():.张光华王静张万斌等.长效缓释型缓蚀阻垢剂的制备及性能评价.应用化工():.宋荻陈炜余伟等.羧甲基壳聚糖接枝聚丙烯酸阻垢缓蚀性能研究.环境科学学报():.郭心瑜.羧基改性聚天冬氨酸衍生物制备及其阻垢缓蚀作用机制.开封:河南大学.宋荻余伟杨琥.羧甲基壳聚糖阻垢缓蚀性能研究.中国科学:化学():.李娇阳.环保型水处理剂阻垢及分散性能的试验研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学.陈雪松.绿色环保型阻垢缓蚀剂的制备及其机理研究.大庆:东北石油大学.