杂环与磺酸基改性聚天冬氨酸复合型阻垢缓蚀剂及其协同性能研究

发布时间：2020-09-04 21:02

　　环境友好型高效水处理剂是目前水处理领域的研究热点,聚天冬氨酸(PASP)是当前公认的绿色,可生物降解的水处理剂之一,它具有类似于蛋白质的酰胺键结构,有着优秀的阻CaCO_3和CaSO_4垢性能,但其阻Ca_3(PO_4)_2垢、缓蚀性能以及分散氧化铁性能并不突出,限制了其应用范围。因此,工业上采用改性以及多种药剂复配的方法来提高水处理剂的综合性能。本文采用氨基开环法制备聚天冬氨酸改性产物,并利用正交实验优化合成产物与2膦酸基-1,2,4-三羧酸丁烷(PBTCA)、硫酸锌和聚环氧琥珀酸(PESA)的浓度配比。通过静态阻垢法、失重法、电化学法、动态模拟实验、好氧生物降解法等手段来探讨其阻垢、缓蚀和生物降解性能。(1)采用热缩聚的方法分别以氨基甲磺酸(Aminomethanesulfonic acid)、糠胺(Furfurylamine)、4-氨甲基吡啶(4-Aminopyridine)等为原料,合成了聚天冬氨酸/氨基甲磺酸接枝物(PASP/ASA)、聚天冬氨酸/糠胺接枝物(PASP/FA)、聚天冬氨酸/4-甲氨基吡啶接枝物(PASP/4-AMPY),并用核磁共振氢谱(~1H-NMR)对其进行了表征。(2)采用正交试验的方法,设计了系列合成产物与PBTCA、ZnSO_4和PESA的浓度配比。结果表明,含PASP/ASA接枝物的复合型阻垢缓蚀剂(Comp-1)最佳浓度配比为:PASP/ASA为10 mg/L,PESA为20 mg/L,硫酸锌为2 mg/L和PBTCA为8 mg/L。含PASP/FA接枝物的复合型阻垢缓蚀剂(Comp-2)的最佳浓度配比:PASP/FA为30 mg/L,PESA为40 mg/L,硫酸锌为4 mg/L和PBTCA为8 mg/L。含PASP/4-AMPY接枝物的复合型阻垢缓蚀剂(Comp-3)最佳浓度:PASP/4-AMPY为20 mg/L,PESA为30 mg/L,硫酸锌为4 mg/L,PBTCA为15 mg/L。(3)采用静态阻垢法研究三种复合药剂的阻垢性能。结果表明,Comp-1、Comp-2和Comp-3均表现出优秀的阻垢效率,在80℃下加热10 h,Comp-2的阻CaCO_3垢效率高达92.3%。(4)采用失重法和电化学法研究三种复合药剂的缓蚀性能。结果显示,Comp-1、Comp-2和Comp-3均表现出优秀的缓蚀性能,其中Comp-3表现为一种以阴极反应为主的复合型阻垢缓蚀剂,其缓蚀率最高为98.1%。(5)利用扫描电镜(SEM)研究了CaCO_3,CaSO_4和Ca_3(PO_4)_2晶型及碳钢片表面的变化。研究表明加药后三种不同钙垢晶体结构均遭到严重损坏、粒径变小、由紧密结实的结构变成疏松无规则形状;碳钢片表面没有明显的腐蚀区域和腐蚀坑。(6)利用WKMZ-II型装置对三种复合药剂进行动态模拟试验。在控制3倍浓缩倍率,周期15天时,Comp-1、Comp-2和Comp-3的年腐蚀速率分别为0.123 mm/a、0.049mm/a和0.056 mm/a,污垢热阻分别为1.0564 m~(2.)K/W、2.0759 m~(2.)K/W和0.8646 m~(2.)K/W。(7)采用好氧生物降解法考察了三种复合药剂的生物降解性能。结果表明,Comp-2和Comp-3表现出优秀的生物降解效率,降解率分别达到61.6%,69.5%。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703
【部分图文】：

循环冷却水装置

备换热效率低，而且设备使用寿命大大减短，生产能力降低，解决这些问题刻不容缓[1]。工业上最常用的方法是在循环冷却缓蚀剂，来达到阻垢缓蚀的目的。早在上世纪中期，就有将木高分子聚合物作为阻垢剂用于工业中，但其阻垢性能较差，用量现的合成阻垢剂取代[2]。随着社会环保意识的增强，绿色高效受到人们的关注。近年来,为提高水处理剂的综合性能，越来研究复合型绿色水处理剂，在确保不污染环境的前提下，通过式，进一步提高阻垢缓蚀效率[3]。循环冷却水系统却水系统（如图 1-1 所示）是指以水作为冷却介质并循环使用统，主要包括换热器、冷凝器、冷却塔、空气冷却器、水泵和

循环冷却水系统,换热管

循环水中含有各种盐类，如碳酸盐、硫酸盐、氯化物等，其中最多并且最不稳定的应为 Ca(HCO3)2和 Mg(HCO3)2，当它通过换热器传热表面时，会受热分解：Ca(HCO3)2= CaCO3↓ + H2O + CO2↑ （1-1）冷却水随循环装置流动通过冷却塔，可将溶解在水中的 CO2逸出，因此水的 pH 值会升高[10]。此时循环水中的溶解性盐类在碱性条件下也会发生如下的反应：Ca(HCO3)2+ 2OH-= CaCO3↓ + 2H2O + CO32-(1-2)换热器传热表面上形成的水垢主要以碳酸钙为主，这是因为硫酸钙的溶解度远大于碳酸钙，并且在一般天然水中溶解的磷酸盐较少。在循环冷却水系统中，除了上述的污垢问题，腐蚀也是其主要的运行障碍之一[11]，腐蚀产物会形成污垢，污垢又导致腐蚀，二者密切相关。金属的腐蚀是指金属在周围介质的作用下，由于化学反应、电化学反应或物理作用而使金属受到破坏或性能恶化的现象（图 1-2）。

阻垢缓蚀剂,结构式,阻垢

并应用于工业生产。70 年代中期，各种有机膦酸酯和有机磷酸盐被成功开发，其典型代表（图 1-3）为羟基乙叉二磷酸（HEDP）基膦酸（ATMP），至今仍然作为磷系阻垢配方的主要成分而被一时期出现的还有甘氨酸二甲叉磷酸（GDMP）和甲胺二甲叉P）等[45-47]。为了适应更加恶劣的水质，德国归丽晶公司研制出了2-膦酸-1,2,4-三羧酸丁烷（PBTCA），其分子中含有羧基和磷酸的阻垢和缓蚀性能[48]。80 年代后期，美国研制出了 2-羟基-膦酰基[49]，它对 CaCO3及 Ca3(PO4)2垢具有良好的阻垢和分散性能，并对忍度[50]。进入 90 年代，Calgon 公司研制开发了聚氨基聚醚基亚甲EMP）[51]。该产品在综合性能上有很大的提高，成为有机膦类阻垢。这类阻垢剂和无机聚磷酸盐相比，拥有稳定性好和用量少等优好的阻垢分散性能，也拥有良好的缓蚀能力。目前这类产品仍然在]。

【参考文献】