三元共聚物阻垢劑阻垢機理研究

張春風 洪李玲 朱婉寧

【摘 要】為了探索高分子聚合物的阻垢機理，本文利用掃描電子顯微鏡（SEM）對比了添加了高分子聚合物與未添加高分子聚合物的碳酸鈣垢樣晶型貌。通過對晶體結構的分析，初步探討了AA/APES/HPA三元共聚物阻垢劑的作用機理。

【關鍵詞】阻垢機理；SEM掃描；阻垢劑

經過國內外科學家的大量研究，水垢主要是由水中金屬離子與成垢陰離子結合而生成的難溶鹽。鈣鹽是日常生活及工業生產中最常見的難溶鹽。碳酸鈣在自然界中因其不同的形成過程而有不同的形式[1]。研究表明，晶體生長是在一些特定的活性中心進行的，當這些中心吸附上聚合物阻垢劑大分子時，晶體就會大大減少增長的速度，甚至停止增長，起到阻垢的作用。

一、實驗部分

（一）實驗藥品及主要儀器

碳酸鈣，氨水，硼砂緩沖溶液（西隴化工股份有限公司），均為分析純；丙烯酸/烯丙基聚乙氧基磺酸銨/丙烯酸羥丙酯共聚物（AA-APES-HPA）三元高分子共聚物阻垢劑，實驗室自制。

容量瓶，1000ml，移液管，25ml、50ml，酸式滴定管，50ml（北京博美玻璃儀器廠）；電熱恒溫水浴鍋，DF-101S，00℃，精度±1℃，上海正惠工貿有限公司。

（二）實驗原理

通過事先配置好一定濃度的鈣離子模擬水樣，加入一定量需要測定性能的藥劑，然后將加入了藥劑的水樣在一定的條件下恒溫足夠的時間。通過比較SEM掃描電鏡圖 ，分析得到阻垢機理。

（三）實驗方法

①稱取一定量CaCO3在160℃干燥2h，冷卻。稱量1.001g無水碳酸鈣于錐形瓶中，蒸餾水濕潤，滴入4mol/L稀鹽酸溶液至碳酸鈣溶解完全。加入蒸餾水，煮沸，除去二氧化碳。以甲基紅為指示劑，滴加3mol/L氨水調節至橙色。容量瓶定容，得鈣離子濃度為1mg/ml的溶液。

②在用移液管移取適量氯化鈣溶液于500ml容量瓶，使容量瓶中的鈣離子達到120mg。用移液管移取5ml配置好的阻垢劑溶液，邊加邊搖晃。加入20ml硼砂緩沖溶液，搖勻。移液管加入366mg碳酸鈣離子，邊加邊搖晃，蒸餾水定容，搖勻。在另一個容量瓶中，配置相同的水樣，不加入阻垢劑，做空白試驗。

③將加入阻垢劑的水樣與未加入阻垢劑的水樣放于比色管中，兩比色管浸入80℃的恒溫水浴中，將水浴液面高過水樣頁面，恒溫10小時。取出比色管，冷卻。將形成的碳酸鈣垢樣在SEM下拍攝4000倍的掃描電鏡圖。

二、實驗結果與討論

在水樣中添加阻垢劑，可分為三種主要的作用機理即螯合增溶、分散作用、晶格畸變作用[2]。通常情況下三種作用同時存在，互相促進與補救。圖2-1是在沒有添加高分子共聚物的情況下，通過靜態阻垢法形成的碳酸鈣垢樣在SEM下分別放大4000倍的掃描電鏡圖。由圖可得，在不存在阻垢劑的情況下，碳酸鈣晶粒完整，排列規則，結構致密，非常有利于晶格的進一步堆積于生長。并且此種結構的碳酸鈣垢樣易于吸附在容器表面，形成質地堅密緊實的碳酸鈣垢，不容易清洗與沖刷，長時間如果沒有有效地措施來遏制，將會對管道及容器形成嚴重的后果，造成巨大的經濟損失。

圖2-2是在加入了共聚物阻垢劑的情況下，通過靜態阻垢法生成的CaCO3晶體垢樣在SEM下分別放大4000倍的掃描電鏡圖。由圖可得，碳酸鈣垢的形貌與晶體結構發生了巨大的改變，呈現不規則的塊狀晶體且分布松散。此種垢樣晶型被嚴重破壞，不易于進一步生長于堆積，其圓滑的結構也難以吸附在容器壁及管道上，易于沖刷，避免了對容器壁的進一步腐蝕。

AA-APES-HPA三元高分子共聚物阻垢劑分子中的羧酸根離子使共聚物對金屬離子的螯合性能大大提高，通過分子間作用力吸附于碳酸鈣晶核表面。吸附于碳酸鈣晶格表面的共聚物阻垢劑具有負電荷，增加了碳酸鈣晶核之間的靜電斥力，防止因分子間的相互運動而長大[3]。并且吸附于碳酸鈣晶核表面的共聚物分子，占據著晶體的活性生長點，使其不能排列成完整晶體，致使晶格發生畸變，形成松散的易于沖刷的絮狀沉淀，在清洗過程中，可以通過簡單的沖刷除去。

三、結論

通過掃描電鏡（SEM）觀察了在未添加阻垢劑與添加了聚合物阻垢劑下的垢貌晶型，研究了聚合物的阻垢機理。實驗結果表明，阻垢劑的存在嚴重干擾了晶體的正常生長，致使晶體發生嚴重畸變，由緊致的正六面體構型變為松散易沖刷的絮狀物，具有優良的阻垢效果。

參考文獻：

[1]張群，陳敏，孫新園，等.檸檬酸鈉作用下碳酸鈣的制備[J].人工晶體學報，2012，41（2）：539-543.