聚丙烯酸－丙烯酰胺高吸水樹脂對硬水的軟化性能

陳 曙，余響林

（1.湖北中醫藥大學藥學系，湖北 武漢 430065；2.武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

根據我國對生活飲用水現行的硬度標準規定［1］，工業生產飲用水硬度一般不得超過100mg／L CaCO3，否則，必須對其進行脫鹽處理，即硬水的軟化.對硬水軟化的方法［2－4］很多，主要有離子交換法、膜分離方法、石灰法、加藥法和吸附法，前面四種方法均存在操作復雜，成本較高等缺點，吸附法因其價格便宜，適用范圍廣，再生能力強和投資低等優點而獲得廣泛應用.常用的吸附劑有很多，包括無機吸附劑，高分子吸附劑等.高吸水性樹脂，由于其分子內部具有獨特的三維網絡結構，且組成其網絡結構的分子鏈上帶有大量的功能性基團，能吸附或者螯合大量的金屬離子，因此具有獨特的硬水軟化能力［5－11］.

本實驗以人工硬水為對象，用水溶液聚合法合成丙烯酸系高吸水樹脂作為硬水軟化劑，研究了不同樹脂用量下樹脂對于人工硬水的軟化能力.該方法的優點是原料來源較廣，工藝簡單，生產過程不產生污染，吸附劑可再生，易于實現綠色化生產，可給硬水軟化提供一個較新的技術參考方式.

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

本研究所用的試劑主要有丙烯酸（AA），分析純，天津市大茂化學試劑廠生產，使用前進行減壓蒸餾純化；N，N’－亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM），分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心生產；對苯二酚，分析純，阿拉丁試劑（上海）有限公司生產；氫氧化鈉、過硫酸鉀（KPS）、氯化鈉、無水氯化鈣、六水合氯化鎂、鹽酸，分析純，國藥集團化學試劑有限公司生產.

1.2 主要儀器裝置

Elmer FTIR－1710紅外光譜儀，美國PERKIN公司生產；FW80型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司生產；Vario EL元素分析儀，德國Elementar公司生產；標準檢驗篩，篩孔孔徑0.180mm，上虞市華豐五金儀器有限公司生產.

1.3 高吸水樹脂的合成

將一定量的丙烯酸、丙烯酰胺、2－丙烯酰胺－2－甲基丙磺酸和去離子水加入三口燒瓶中，勻速攪拌，并通入氮氣15min.然后在冰水浴中將事先配置好的NaOH溶液逐滴加入到三口燒瓶中，滴畢后再加入過硫酸鉀和交聯劑N，N’－亞甲基雙丙烯酰胺，將水浴溫度提高到一定的溫度，反應數小時.得到透明彈性水凝膠.切塊后在90℃下真空干燥24h，然后塊體粉碎后得高吸水樹脂粉末，并于90℃下真空干燥24h備用.

1.4 結構與性能測試

1.4.1 紅外光譜分析 用德國Brucker公司生產的Vector 33FTIR紅外光譜儀對樣品進行紅外光譜分析，用溴化鉀壓片測試，掃描范圍為500～4000cm－1.

1.4.2 樹脂軟化硬水性能的測試 a.3mmol／L人工硬水的配制.稱取0.441g二水氯化鈣CaCl2·2H2O，溶于少量蒸餾水，移入1000mL容量瓶，并用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻備用，配好的溶液放置時間不超過48h.

b.樹脂軟化硬水測試.稱取一定量的樹脂于燒杯中，加入200mL 3mmol／L的含鈣離子的鹽溶液，攪拌均勻，靜置一定時間，使其吸附達到飽和后過濾，稱取凝膠質量，測量濾液體積和濾液中鈣鎂離子濃度.按下面的公式（1）和（2）分別計算樹脂對鈣離子的吸附量和吸附率：

式中：q－樹脂對鈣離子的吸附量，mg／g；

C0－吸附前溶液中鈣離子濃度，mol／L；

Ct－吸附后溶液中鈣離子濃度，mol／L；

V0－吸附前鈣離子溶液的體積，L；

Vt－吸附后鈣離子溶液的體積，L；

M－鈣離子摩爾質量，g／mol；

m－樹脂的質量，g；

A－吸附率.

2 結果與討論

2.1 樹脂的表征

圖1為不同樣品的紅外譜圖，3079cm－1分別對應于丙烯酸的烯基上C—H鍵的面內彎曲振動，1611cm－1對應于烯基的伸縮振動，1670cm－1對應于伯酰胺基上羰基的伸縮振動，2943cm－1對應于飽和 C—H 的伸縮振動，3448cm－1對應于羥基的伸縮振動，1432cm－1對應于C—H的彎曲振動，1550cm－1對應于仲酰胺基N—H的彎曲振動.與曲線1，2，3對比，曲線4上3079cm－1和1611cm－1峰的消失確證了AA、AM、AMPS上的烯基都參與到共聚反應中來，2943cm－1和1432cm－1峰的增加表明烯基上的氫都轉變成了飽和氫，進一步確證了共聚反應的成功進行.1670cm－1、1550cm－1和3448cm－1峰的保存說明了共聚反應進行良好，反應物都參與到共聚反應中形成共聚物.綜上所述，聚合反應進行成功，所形成的共聚物為PAA－AM－AMPS共聚物.

圖1 不同樣品的紅外譜圖Fig.1 IR spectra of the different samples

2.2 高吸水樹脂軟化處理硬水

由于硬水中主要含的是鈣離子，鈣離子濃度遠超其他離子濃度，因此選取鈣離子為研究對象.選用一種樹脂，該樹脂的合成條件為：AA用量17.3mL、AM 用量5.98g、AMPS用量8.69g、引發劑KPS用量0.118g、交聯劑MBA用量0.012g，中和度為70%，在程序升溫下50℃反應2h，60℃反應2h.該樹脂吸水倍率為1054.2g／g，吸鹽水倍率為104.24g／g，吸液性能很好.測定其對于初始濃度固定為3mmol／L的體積為200mL氯化鈣溶液中鈣離子的吸附性能.測定了在不同樹脂用量下對于鈣離子吸附性能的比較，結果見表1和圖2、圖3.吸附量和吸附率計算公式見公式1和公式2.

圖2 樹脂用量對鈣離子吸附量的影響Fig.2 The effect of resin amount on adsorption amount of calciumion

表1 不同用量樹脂對鈣離子溶液的吸附性能比較Table 1 The adsorption properties comparision of different amounts of resin on calcium solution

可見隨著樹脂用量的加大，對鈣離子的吸附率不斷增大，但是單位質量樹脂的吸附量會不斷減小.達吸附平衡時，樹脂對鈣離子的吸附量由108mg·g－1降至37mg·g－1，吸附率由22.5%增至76.2%.這是因為高的樹脂用量會增加對鈣離子的吸附，從而提高吸附率.但是單位用量樹脂對鈣離子的吸附能力是有限的，到一定程度后會達到飽和，再增加樹脂用量，只會使公式（1）中的分母增大，使吸附量整體降低.因此對于硬水的軟化，要看情況而定樹脂的用量，在達到硬水軟化標準所需的鈣離子吸附率下，應盡可能使樹脂用量小，保持高的吸附量，這樣可以減少樹脂的浪費.

圖3 樹脂用量對鈣離子吸附率的影響Fig.3 The effect resin amount on adsorption amount of calciumion

3 結 語

本實驗初步研究了不同樹脂用量下樹脂對硬水的軟化能力，結果表明隨著樹脂用量由0.05g增加到0.5g，達吸附平衡時，樹脂對鈣離子的吸附量由108mg／g降至37mg／g，吸附率由22.5%增至76.2%，此結果為硬水的軟化提供了一種參考方法.

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