秦文華 (內蒙古工業(yè)大學礦業(yè)學院,內蒙古呼和浩特01 0051)

聚環(huán)氧琥珀酸 (PESA)分子結構中含有可生物降解的環(huán)氧基,不含使水體富養(yǎng)化元素 (氮、磷和鉀),是性能良好的綠色阻垢劑,其缺點是阻磷酸鈣垢、分散氧化鐵、穩(wěn)定鋅離子效果不是很好。磺酸基是磷酸鈣阻垢、分散氧化鐵、穩(wěn)定鋅鹽的有效基團,恰好可以彌補聚環(huán)氧琥珀酸水處理劑性能的不足,且藥力持久,不易結膠[1-2]。相對酸而言,作為中性的鹽類水處理劑可以避免對設備造成腐蝕。為此,筆者采用溶液聚合法合成了新型水處理劑環(huán)氧磺酸鹽 (ESA-SSS),并對其進行結構表征和性能評價。

1 試驗部分

1.1 主要試劑與儀器

1)主要試劑 順丁烯二酸酐 (MA)、兩水鎢酸鈉、30%的雙氧水、氫氧化鈉、對苯乙烯磺酸鈉(SSS)、過硫酸銨、無水甲醇、氯化鈣、碳酸鈉、無水氯化鈣、碳酸氫鈉、硼砂、氫氧化鉀、鈣羧酸指示劑、乙二胺四乙酸二鈉、磷酸二氫鉀、鉬酸銨、抗壞血酸、甲酸、酒石酸銻鉀、無水硫酸鈉、鋅粉、硫酸亞鐵、鋅試劑等,其中苯乙烯磺酸鈉為工業(yè)純,其余試劑均為分析純。

2)主要儀器 電子分析天平JA3003N(梅特勒-托利多儀器有限公司);恒溫磁力攪拌器81-2(上海司樂儀器廠);電子恒溫水浴鍋DZKW(北京永光明醫(yī)療儀器廠);精密酸度計pHS-2C(上海雷磁儀器廠);真空干燥箱CVO30-S(天津華北實驗儀器有限公司;)循環(huán)水式真空泵DZKW(北京市永光明醫(yī)療儀器廠);傅立葉紅外光譜儀Nexus670(美國Nicolet(尼高力)公司);紫外分光光度儀UV-3150C(日本島津公司);分光光度計 721型(上海第三分析儀器廠)等。

圖1 ESA-SSS合成反應流程

1.2 試驗原理

將馬來酸酐溶于水形成酸,用氫氧化鈉溶液中和,以兩水鎢酸鈉作催化劑,并用30%的雙氧水氧化。環(huán)化保溫合成環(huán)氧琥珀酸鹽后,以過硫酸銨作為引發(fā)劑,與對苯乙烯磺酸鈉反應,通過聚合生成環(huán)氧磺酸鹽,即環(huán)氧琥珀酸-對苯乙烯磺酸鹽共聚物。

1.3 試驗方法

在4口燒瓶內加入0.1mol的順丁烯二酸酐和15ml蒸餾水,常溫下攪拌,溶解后在溫度低于60℃下加入0.3mol氫氧化鈉水溶液 (質量比為1∶1),投入0.40g兩水鎢酸鈉,將0.2mol 50%氫氧化鈉溶液勻速滴加在溶液中,同時滴加12ml 30%雙氧水。滴加完畢后,升溫至65℃,環(huán)化保溫1.5h。加入相應配比的對苯乙烯磺酸鈉,升溫80℃后加入過硫酸銨2～3.5g,保持溫度85℃左右,3h后結束反應。通過測定酸堿性,發(fā)現(xiàn)產物為中性,證明產物屬鹽類水處理劑。最后對產物通過洗滌、過濾、干燥等過程進行提純。

2 結果與討論

2.1 ESA-SSS的紅外結構表征

ESA-SSS與PESA的紅外光譜圖如圖2所示。從圖2可以看出,ESA-SSS在2923.60cm-1處加強,而2923.60cm-1是苯環(huán)的Ar—H 的特征峰,1186.03cm-1和1035.60cm-1是—SO2—的的特征峰,678.83cm-1和624.83 cm-1處為S—O的特征峰。ESA-SSS圖譜中明顯增加了磺酸基的特征峰,且1120.46cm-1處有環(huán)氧鍵的特征峰。通過上述分析可知,該試驗成功保留了環(huán)氧基等PESA原有的結構特征,同時引入了磺酸基團,從而合成了新型綠色水處理劑環(huán)氧磺酸鹽。

圖2 ESA-SSS與PESA的紅外光譜圖

2.2 阻碳酸鈣垢性能

水處理劑濃度對CaCO3阻垢效果的影響如圖3所示。由圖3可以看出,隨著原料中順丁烯二酸酐(MA)的相對增加,合成產物環(huán)氧磺酸鹽的阻垢效果相對增強,聚環(huán)氧琥珀酸不含有磺酸基,其碳酸鈣阻垢效果最好。

2.3 阻硫酸鈣垢性能

水處理劑濃度對CaSO4阻垢效果的影響如圖4所示。由圖4可以看出,隨著ESA-SSS濃度增加,鈣離子濃度上升速度很快,原料MA與SSS比為4∶1的合成產物ESA-SSS在濃度達到1.68mg/L時其阻垢率為94.8%;原料MA與SSS比為2∶1的ESA-SSS在濃度達到0.72mg/L時,其阻垢率已達到95.6%。而PESA隨著濃度的增加,鈣離子濃度增加相當緩慢。因此,ESA-SSS阻硫酸鈣垢效果優(yōu)于PESA。

圖3 水處理劑濃度對CaCO3阻垢效果的影響

圖4 水處理劑濃度對CaSO4阻垢效果影響

2.4 阻磷酸鈣垢性能

水處理劑濃度對Ca3(PO4)2阻垢效果的影響如圖5所示。從圖5可以看出,阻垢率隨著阻垢劑濃度的增加,先升后降。在濃度為11.2mg/L時,原料MA與SSS比為1∶1和2∶1的ESA-SSS阻垢率均已達到100%,原料比為8∶3的ESA-SSS的阻垢率為63.3%,PESA的阻垢率僅為55.6%。總體來看,ESA-SSS比PESA對Ca3(PO4)2阻垢效果更好。

2.5 穩(wěn)定鋅鹽性能

水處理劑濃度對穩(wěn)定鋅鹽的影響如圖6所示。從圖6可以得出,穩(wěn)鋅率隨著ESA-SSS濃度的增加先增大后減小,MA∶SSS為1∶1與2∶1的ESA-SSS的最佳穩(wěn)鋅率分別為82.2%和76.7%,而PESA在濃度為2.6mg/L時,穩(wěn)鋅率已達100%。因此,在濃度相對增加后,ESA-SSS的穩(wěn)鋅效果劣于PESA。

圖5 水處理劑濃度對Ca3(PO4)2阻垢效果的影響

圖6 水處理劑的濃度對穩(wěn)定鋅鹽的影響

2.6 分散氧化鐵性能

水處理劑濃度對氧化鐵分散性能的影響如圖7所示。由圖7可以看出,隨著藥劑量的增加,ESASSS對氧化鐵分散性能逐漸增強,原料比MA∶SSS為1∶1與2∶1的ESA-SSS為例,其透光率最低可達54.5%,而PESA的透光率最低為83.6%,因而ESA-SSS比PESA分散氧化鐵的性能更好。

圖7 水處理劑濃度對氧化鐵分散性能的影響

3 結 語

通過采用溶液聚合法進行合成反應并進行結構表征,發(fā)現(xiàn)合成產物具有環(huán)氧琥珀酸和磺酸鹽的結構特征。靜態(tài)試驗測定,合成新產物環(huán)氧磺酸鹽具有優(yōu)良的阻硫酸鈣和磷酸鈣垢及穩(wěn)定鋅鹽和分散氧化鐵的性能,兼具聚環(huán)氧琥珀酸 (PESA)阻垢劑和磺酸鹽阻垢劑的優(yōu)點。因此,ESA-SSS是一種性能優(yōu)良的新型綠色水處理劑。

[1]丁春梨,范莉莉,佟巖.磺化馬來酸酐-丙烯酸共聚物型阻垢劑 [J].長春工業(yè)大學學報,2005,26(1):16-18.

[2]趙彥生,武麗麗,魏文隴.磺酸鹽類共聚物阻垢劑分散劑研究進展[J].昆明理工大學學報,2002,33(2):225-228.