王 法，孫姣姣，李翠勤

（東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江大慶163318）

環(huán)氧琥珀酸鈉（PESA）是二十世紀(jì)90年代初由美國(guó)Betz實(shí)驗(yàn)室首先開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種無(wú)磷無(wú)氮的綠色阻垢劑[1]。它對(duì)鈣、鎂、鐵等離子有良好的阻垢作用，其阻垢性能優(yōu)于聚丙烯酸鈉、聚馬來(lái)酸（鈉）、酒石酸等[2-5]，且無(wú)磷、無(wú)氮、易于生物降解，制造工藝清潔簡(jiǎn)單，具有很好的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。本文采用順丁烯二酸酐為原料以?xún)刹椒ê铣闪司郗h(huán)氧琥珀酸鈉，采用靜態(tài)阻垢法研究了聚環(huán)氧琥珀酸鈉的合成工藝對(duì)其阻垢性能的影響，并研究了聚環(huán)氧琥珀酸鈉與樹(shù)狀大分子聚酰胺-胺的協(xié)同阻垢性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

NaOH、順丁烯二酸酐、鎢酸鈉、無(wú)水甲醇、硫化二鈉、乙二胺四乙酸均為分析純，沈陽(yáng)新興試劑廠生產(chǎn)；Ca（OH）2（A.R.天津市泰興試劑廠）；30%H2O2、鉻黑T（A.R.沈陽(yáng)市華東試劑廠）；丙酮、鹽酸為分析純，北京化工廠；聚酰胺-胺（自制[6]）。

DK-S12型電熱恒溫水浴鍋（上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；JB90-D型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)（上海標(biāo)本模型廠）；SHB-3型循環(huán)水多用真空泵（鄭州杜甫儀器廠）；DZ-1BC型真空干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；PHS-10B型酸度計(jì)（上海標(biāo)本模型廠）；W-O型智能恒溫油?。ㄠ嵵蓍L(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司）；LY-DH4型報(bào)警顯示活動(dòng)式恒溫箱（福建省龍溪教學(xué)儀器廠）；FT-IR430型紅外光譜儀（日本HITACHI）。

1.2 合成步驟

1.2.1 環(huán)氧琥珀酸鈉單體的合成[7]將19.6g馬來(lái)酸酐和30mL的去離子水250mL的四口燒瓶中，25℃下緩慢滴加48g 20%的NaOH水溶液，攪拌30min后，升溫至50℃，加入0.72g催化劑和26mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水，控制反應(yīng)體系的pH值為弱酸性，恒溫反應(yīng)3h。反應(yīng)混合物趁熱過(guò)濾，向?yàn)V液加入一定量的丙酮，25℃下靜置12h，過(guò)濾，固體用30mL丙酮洗滌3次，50℃真空下干燥8h，得到環(huán)氧琥珀酸鈉白色固體。合成路線見(jiàn)圖1。

圖1 環(huán)氧琥珀酸鈉單體的合成路線Fig.1 Synthesis route of the epoxy sodium succinatemonomer

1.2.2 聚環(huán)氧琥珀酸鈉的合成 將17.4g環(huán)氧琥珀酸鈉溶于50mL去離子水中，回流溫度下加入1.2g催化劑，恒溫反應(yīng)3h，趁熱過(guò)濾，濾液在25℃，即得到聚環(huán)氧琥珀酸鈉溶液；然后用乙醇多次沉淀析出，將所得白色膠狀物質(zhì)在80℃的真空烘箱中干燥至恒重，得到聚環(huán)氧琥珀酸鈉（PESA）。合成路線見(jiàn)圖2：

圖2 聚環(huán)氧琥珀酸鈉的合成路線Fig.2 Synthesis route of the poly epoxy sodium succinate

1.3 阻垢性能測(cè)定

聚環(huán)氧琥珀酸鈉阻垢性能及其與聚酰胺-胺的協(xié)同阻垢性能按照《水處理劑阻垢性能的測(cè)定——碳酸鈣沉淀法》[8]測(cè)定。阻垢劑用量均為20mg·L-1，測(cè)試時(shí)間10h。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚環(huán)氧琥酸鈉的紅外譜圖分析

采用KBr壓片法對(duì)聚環(huán)氧琥珀酸鈉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)圖1。根據(jù)有機(jī)化合物官能團(tuán)的吸收峰頻率和強(qiáng)度，對(duì)其進(jìn)行了指認(rèn)和歸屬，結(jié)果列于表1。

圖3 PESA的紅外光譜圖Fig.3 The IR spectra of PESA

表1 聚環(huán)氧琥珀酸鈉的IR特征吸收歸屬Tab.1 Assignments of the IR band for polyepoxysuccinic acid

從表1中明顯看出，在吸收波數(shù)為3450.42、1070.23、1362.15、1637.12cm-1處，所對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)分別為OH、COONa、COONa、CH。由此可以推出，所得產(chǎn)物為聚環(huán)氧琥珀酸鈉。

2.2 聚環(huán)氧琥珀酸鈉合成工藝對(duì)其阻垢性能的影響

筆者通過(guò)正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，考察了聚環(huán)氧琥珀酸鈉的合成工藝對(duì)其阻垢性能的影響，設(shè)計(jì)一組三水平三因素的正交實(shí)驗(yàn)，方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析見(jiàn)表3。

表2 正交試驗(yàn)表Tab.2 Orthogonal array

表3 直觀分析表Tab.3 Intuitive analysis table

由表3得出聚環(huán)氧琥珀酸鈉最佳工藝為A2B2C2，即引發(fā)劑的濃度為0.7%、聚合反應(yīng)溫度為90℃、聚合反應(yīng)時(shí)間為3h。在此條件下聚環(huán)氧琥珀酸鈉對(duì)Ca2+的阻垢率可達(dá)85%以上，具有良好的阻垢效果。

2.3 聚環(huán)氧琥珀酸鈉與聚酰胺-胺的協(xié)同阻垢性能

2.3.1 阻垢劑濃度對(duì)協(xié)同阻垢性能的影響 阻垢劑的濃度對(duì)阻垢劑的阻垢性能影響見(jiàn)圖4。

圖4 阻垢劑濃度對(duì)協(xié)同阻垢性能的影響Fig.4 Effect of dosage on scale inhibition

由圖4可以看出，隨著阻垢劑濃度的增加，阻垢率先增加，隨后變化較小，當(dāng)阻垢劑濃度為20mg· L-1時(shí)，阻垢率已達(dá)到85%以上。且兩種阻垢劑混合使用時(shí)，在添加濃度為20mg·L-1時(shí)，阻垢率達(dá)90%以上，具有良好的協(xié)同阻垢效果。

2.3.2 溫度對(duì)協(xié)同阻垢性能的影響 溫度對(duì)PESA阻垢率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 溫度對(duì)協(xié)同阻垢性能的影響Fig.5 Effect of temperature on scale inhibition

由圖5可以看出，隨著溫度的升高，阻垢劑PESA和PAMAM的阻垢率下降；當(dāng)溫度超過(guò)80℃，阻垢率下降幅度較大，其中PESA和PAMAM復(fù)配后的混合阻垢劑對(duì)溫度具有較好的協(xié)同穩(wěn)定效果。這說(shuō)明PESA和PAMAM復(fù)配后即使在高溫水系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間的停留，對(duì)碳酸鈣垢仍有較強(qiáng)的抑制作用。

3 結(jié)論

本文分兩步法合成了一種新型的綠色環(huán)保的阻垢劑，通過(guò)采用靜態(tài)滴定法研究了聚合工藝對(duì)其阻垢性能進(jìn)行了研究，確定最佳聚合工藝條件為：引發(fā)劑的濃度為0.7%、聚合反應(yīng)溫度為90℃、聚合反應(yīng)時(shí)間為3h。在此條件下聚環(huán)氧琥珀酸鈉對(duì)Ca2+的阻垢率可達(dá)85%以上，具有良好的阻垢效果。聚環(huán)氧琥珀酸鈉與聚酰胺-胺具有良好的協(xié)同阻垢效果，阻垢率可達(dá)90%以上。

［1］ 張治宏,王彩花,王嘵昌.一種新型共聚物的合成及其阻垢性能［J］.工業(yè)用水與廢水,2005,36（6）:68-71

［2］ 高書(shū)峰,黃勇,周濤,等.綠色阻垢劑聚環(huán)氧琥珀酸（鈉）的合成及工藝［J］.高分子材料科學(xué)與工程,2006,22（6）:67-70.

［3］ 熊蓉春,魏剛,周娣,等.綠色阻垢劑聚環(huán)氧琥珀酸鈉的合成［J］.工業(yè)水處理,1999,19（3）:11-13.

［4］ 謝燕,曾祥欽.改性磺化木質(zhì)素LSA阻垢分散性能及機(jī)理研究［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2003,32（1）:37-40.

［5］ 于躍芹,董愛(ài)想,李忠珍.衣康酸共聚物阻垢劑的合成與應(yīng)用［J］.工業(yè)水處理,2005,25（10）:44-46.

［6］ 王俊,李杰,于翠艷,等.星型聚合物破乳劑的合成與性能研究［J］.精細(xì)化工,2002,19（3）:169-172.

［7］ 熊蓉春,魏剛,周娣,等.綠色阻垢劑聚環(huán)氧琥珀酸鈉的合成［J］.工業(yè)水處理,1999,19（3）:11-13.

［8］GB16632-1996，水處理劑阻垢性能的測(cè)定——碳酸鈣沉淀法［S］.