李云仙　付惠　雷然等

摘要：以木薯淀粉和丙烯酰胺為原料，以過硫酸銨-亞硫酸氫鈉（NH4）2S2O8-NaHSO3為引發(fā)體系，合成木薯淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物（SGA）。研究了共聚物（SGA）在不同水質(zhì)條件下對Ca3（PO4）2的阻垢性能，探討了共聚物濃度、恒溫溫度及恒溫時間等條件對Ca3（PO4）2阻垢性能的影響。結(jié)果表明，阻垢劑SGA濃度為55 mg/L時阻垢率最高，達96.1%。較長的恒溫時間仍能保持較高的阻垢率，具有較高的時效性。SGA對介質(zhì)溫度的適應范圍較寬，適合用于高溫用水系統(tǒng)中阻磷酸鈣垢。

關鍵詞：木薯淀粉；改性；阻垢；磷酸鈣

中圖分類號：TQ085 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）07-1534-03

在城市用水中，工業(yè)用水占80%以上，而在工業(yè)用水中，冷卻用水約占60%，因此節(jié)約冷卻用水就成為節(jié)約城市用水的關鍵。采用循環(huán)冷卻水處理技術，比直流冷卻水可節(jié)水97%以上，是節(jié)水的有效途徑。采用循環(huán)水冷卻方式后，隨著循環(huán)水的不斷濃縮，水中的難溶鹽離子如鈣、鎂、碳酸根和磷酸根會大大超過其飽和溶解度，易從水中沉淀析出形成垢。結(jié)垢降低水冷器的換熱效果或堵塞管路，腐蝕導致設備穿孔，嚴重影響生產(chǎn)的正常運行。阻垢分散劑能使成垢離子如鈣、鎂、碳酸根和磷酸根等穩(wěn)定于水中，在大大超過其飽和溶解度的條件下而不析出。阻垢劑主要是指能夠防止水垢和污垢產(chǎn)生或抑制其沉積生長的化學類試劑，是工業(yè)水處理中必不可少的元素，可以用來延長設備壽命并保證設備安全運行[1]。聚合物作為阻垢劑已有20多年的歷史，最初使用的是低分子的均聚物。近年來研究表明，某些共聚物的綜合性能明顯優(yōu)于均聚物，開發(fā)和研制共聚物類阻垢分散劑是當前各國水處理藥劑研究的熱點[2-6]。近年來，隨著人們對共聚物結(jié)構及阻垢機理研究的深入，發(fā)現(xiàn)共聚物結(jié)構與阻垢性能的關系極為密切[7]。共聚物中的羧基是阻碳酸鈣、硫酸鈣垢的主要官能團[8]，而羥基酰胺基等對阻磷酸鈣垢有益。改性木薯淀粉是木薯淀粉與丙烯酰胺的接枝共聚物，具有較高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在較高溫度下仍能保持良好的阻垢效果。目前尚無淀粉與丙烯酰胺接枝共聚物作為阻垢劑的報道。

1 材料與方法

1.1 材料

儀器：數(shù)顯恒溫水浴箱（HWS-20江蘇太倉市實驗設備廠）；可見分光光度計（Unic7200尤尼柯（上海）儀器有限公司）；真空干燥箱（DZF-6030A上海一恒科學儀器有限公司）；電子天平（AL204梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）。試劑：無水氯化鈣﹑十水四硼酸鈉﹑磷酸二氫鉀﹑鉬酸銨﹑抗壞血酸﹑酒石酸銻鉀﹑硫酸﹑乙二胺四乙酸二鈉﹑氫氧化鉀均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 改性木薯淀粉的合成 取一定量木薯淀粉放入裝有電動攪拌器的250 mL三口燒瓶中，加入一定量去離子水，在通氮氣的條件下，于恒溫水浴鍋中糊化30 min，糊化溫度為80 ℃，冷卻至反應溫度。加入一定計量的丙烯酰胺攪拌一定時間，再加入過硫酸銨，緩慢滴加亞硫酸氫鈉，繼續(xù)攪拌至反應時間。待反應終止后，將反應液冷卻至室溫，用無水乙醇沉淀產(chǎn)物。過濾、洗滌后于真空干燥箱中50 ℃干燥至恒重，得到接枝粗產(chǎn)物。定量稱取接枝粗產(chǎn)物，用索氏提取器以丙酮作為溶劑抽提24 h，除去均聚物，然后60 ℃真空干燥至恒量，得到純接枝共聚物（SGA）[9]。

1.2.2 阻磷酸鈣垢性能測定 試驗方法均采用國標的方法[10-12]。配制一定體積含Ca2+的水樣，用乙二胺四乙酸二鈉標定，其濃度約含20 mg/mL Ca2+，加入含有一定濃度的PO43-溶液，在一定溫度條件下恒溫10 h，使磷酸鈣沉淀完全，然后采用磷鉬藍分光光度法測定溶液中剩余的PO43-的吸光度，根據(jù)磷酸鹽標準曲線通過吸光度可得到溶液中剩余離子的濃度，得出用作比較的空白試驗值。在同樣組成的溶液中，加入一定量的木薯淀粉與丙烯酰胺的接枝共聚物，在相同溫度條件下恒溫10 h，測定其剩余PO43-濃度，所得數(shù)值與空白值的比值即為阻垢率，水中剩余的PO43-濃度越大則阻垢效果越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷酸鹽標準曲線

以測得的吸光度為縱坐標、相對應的PO43-濃度（mg/mL）為橫坐標繪制標準曲線（圖1）。標準曲線在PO43-濃度為0～0.004 mg/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關系（y=166.25x+0.003 9，R2=0.999 4）。

2.2 阻垢劑濃度對阻垢效果的影響

水浴溫度為（80±1） ℃，恒溫靜置時間為10 h，改變阻垢劑（SGA）濃度，測定阻垢效果（圖2）。由圖2可知，阻垢率隨著阻垢劑（SGA）濃度的增加而上升，當阻垢劑投加量達到45 mg/L時，再增加阻垢劑的濃度，阻垢率增加緩慢，幾乎不變，阻垢劑濃度為55 mg/L時阻垢率最高，達96.1%。

2.3 恒溫時間對阻垢效果的影響

水浴溫度為（80±1） ℃，阻垢劑SGA濃度為50 mg/L，改變恒溫靜置時間，測定阻垢效果（圖3）。由圖3可知，當恒溫時間為5 h時阻垢率達到99.4%，隨著恒溫時間的延長，阻垢率呈下降趨勢，而當恒溫時間為14 h時阻垢率仍保持在84.0%以上。表明木薯淀粉接枝丙烯酰胺阻垢劑SGA在較短的時間內(nèi)即能達到良好的阻垢效果，即便延長恒溫時間仍能保持較高的阻垢率，具有較高的時效性。

2.4 恒溫溫度對阻垢效果的影響

阻垢劑（SGA）濃度為50 mg/L，恒溫靜置時間為10 h，改變水浴溫度，測定阻垢效果。結(jié)果見圖4。由圖4可知，阻垢率隨恒溫溫度的升高而降低，當恒溫溫度為50 ℃時阻垢率達97.8%；95 ℃時阻垢率為86.4%，降低了11.4個百分點。因為溫度升高，溶液中成垢離子運動速度也隨之增加；成垢幾率也隨之增大，而且溫度升高，接枝共聚物表面吸附的垢物脫附力增大。溫度從50 ℃增加至95 ℃，阻垢率仍能達到86.4%，表明木薯淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（SGA）對介質(zhì)溫度的適應范圍較寬，適合作為高溫用水系統(tǒng)中阻磷酸鈣垢。

3 結(jié)論

1）通過研究阻垢劑濃度對阻垢效果的影響可知，阻垢率隨著阻垢劑SGA濃度的增加而上升，當阻垢劑濃度增加到一定程度后，阻垢率增加緩慢，阻垢劑濃度為55 mg/L時阻垢率最高，達96.1%。

2）通過研究恒溫時間對阻垢效果的影響可知，隨著恒溫時間的延長，阻垢率呈下降趨勢，但在較長的恒溫時間（14 h）仍能保持較高的阻垢率（84.0%），具有較高的時效性。

3）通過研究恒溫溫度對阻垢效果的影響可知，阻垢率隨恒溫溫度的升高而降低，當溫度升高至95 ℃，阻垢率仍能保持較高（86.4%），說明木薯淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（SGA）對介質(zhì)溫度的適應范圍較寬，適合作為高溫用水系統(tǒng)中阻磷酸鈣垢。

致謝：感謝西南林業(yè)大學化學實驗中心大型儀器共享平臺提供檢測儀器。

參考文獻：

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[10] GB/T 22626-2008水處理劑阻垢性能的測定 磷酸鈣沉積法[S].

[11] GB/T 6903-2005鍋爐用水和冷卻水分析方法 磷酸鹽的測定[S].

[12] GB/T 16632-2008水處理劑阻垢性能的測定[S].