新型水處理劑環(huán)氧磺酸鹽的合成及性能測(cè)定

秦文華 (內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特01 0051)

聚環(huán)氧琥珀酸 (PESA)分子結(jié)構(gòu)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(diǎn)是阻磷酸鈣垢、分散氧化鐵、穩(wěn)定鋅離子效果不是很好?；撬峄橇姿徕}阻垢、分散氧化鐵、穩(wěn)定鋅鹽的有效基團(tuán),恰好可以彌補(bǔ)聚環(huán)氧琥珀酸水處理劑性能的不足,且藥力持久,不易結(jié)膠[1-2]。相對(duì)酸而言,作為中性的鹽類(lèi)水處理劑可以避免對(duì)設(shè)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(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征和性能評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)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(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)、過(guò)硫酸銨、無(wú)水甲醇、氯化鈣、碳酸鈉、無(wú)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(wú)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(lè)儀器廠(chǎng));電子恒溫水浴鍋DZKW(北京永光明醫(yī)療儀器廠(chǎng));精密酸度計(jì)pHS-2C(上海雷磁儀器廠(chǎng));真空干燥箱CVO30-S(天津華北實(shí)驗(yàn)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(chǎng));傅立葉紅外光譜儀Nexus670(美國(guó)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(jì) 721型(上海第三分析儀器廠(chǎng))等。

圖1 ESA-SSS合成反應(yīng)流程

1.2 試驗(yàn)原理

將馬來(lái)酸酐溶于水形成酸,用氫氧化鈉溶液中和,以?xún)伤u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(guò)硫酸銨作為引發(fā)劑,與對(duì)苯乙烯磺酸鈉反應(yīng),通過(guò)聚合生成環(huán)氧磺酸鹽,即環(huán)氧琥珀酸-對(duì)苯乙烯磺酸鹽共聚物。

1.3 試驗(yàn)方法

在4口燒瓶?jī)?nèi)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(zhì)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(shí)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(yīng)配比的對(duì)苯乙烯磺酸鈉,升溫80℃后加入過(guò)硫酸銨2～3.5g,保持溫度85℃左右,3h后結(jié)束反應(yīng)。通過(guò)測(cè)定酸堿性,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物為中性,證明產(chǎn)物屬鹽類(lèi)水處理劑。最后對(duì)產(chǎn)物通過(guò)洗滌、過(guò)濾、干燥等過(guò)程進(jìn)行提純。

2 結(jié)果與討論

2.1 ESA-SSS的紅外結(jié)構(gòu)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(qiáng),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(guò)上述分析可知,該試驗(yàn)成功保留了環(huán)氧基等PESA原有的結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)引入了磺酸基團(tuán),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(duì)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(duì)增加,合成產(chǎn)物環(huán)氧磺酸鹽的阻垢效果相對(duì)增強(qiáng),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(duì)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(chǎn)物ESA-SSS在濃度達(dá)到1.68mg/L時(shí)其阻垢率為94.8%;原料MA與SSS比為2∶1的ESA-SSS在濃度達(dá)到0.72mg/L時(shí),其阻垢率已達(dá)到95.6%。而PESA隨著濃度的增加,鈣離子濃度增加相當(dāng)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(duì)CaCO3阻垢效果的影響

圖4 水處理劑濃度對(duì)CaSO4阻垢效果影響

2.4 阻磷酸鈣垢性能

水處理劑濃度對(duì)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(shí),原料MA與SSS比為1∶1和2∶1的ESA-SSS阻垢率均已達(dá)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%?？傮w來(lái)看,ESA-SSS比PESA對(duì)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(duì)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(shí),穩(wěn)鋅率已達(dá)100%。因此,在濃度相對(duì)增加后,ESA-SSS的穩(wěn)鋅效果劣于PESA。

圖5 水處理劑濃度對(duì)Ca3(PO4)2阻垢效果的影響

圖6 水處理劑的濃度對(duì)穩(wěn)定鋅鹽的影響

2.6 分散氧化鐵性能

水處理劑濃度對(duì)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(duì)氧化鐵分散性能逐漸增強(qiáng),原料比MA∶SSS為1∶1與2∶1的ESA-SSS為例,其透光率最低可達(dá)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(duì)氧化鐵分散性能的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用溶液聚合法進(jìn)行合成反應(yīng)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征,發(fā)現(xiàn)合成產(chǎn)物具有環(huán)氧琥珀酸和磺酸鹽的結(jié)構(gòu)特征。靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)定,合成新產(chǎn)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(diǎn)。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(lái)酸酐-丙烯酸共聚物型阻垢劑 [J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(1):16-18.

[2]趙彥生,武麗麗,魏文隴.磺酸鹽類(lèi)共聚物阻垢劑分散劑研究進(jìn)展[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33(2):225-228.