衣康酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物性能研究

郝敬相， 石文艷

(1 盛隆化工有限公司，山東 棗莊 277519； 2 鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051)

在工廠的循環冷卻水系統中，常因為水的溫度比環境的溫度高而導致水中的鹽分結垢，這是目前大家都普遍關心的問題。現如今獲得阻垢效果較好的辦法是在水中加入一些合成的共聚物型阻垢劑[1-2]。阻垢劑通常被用來阻止碳酸鈣，硫酸鈣，磷酸鈣等結垢。由于阻垢劑的種類很多，聚合物對各種成垢抑制的阻垢效果也大不相同，主要是因為它們在阻垢機理上存在差別[3-4]。在阻垢機制的研究基礎上，一般圍繞性能、環保和節能三大目標[5-6]。處理這個問題重要的地方在于阻垢劑的研發和使用的合理性。因此，需要采取一些評定方法，對阻垢劑的性能進行很快而且有效的評定，確保阻垢劑實際應用的效果。

本文以過硫酸銨為引發劑，去離子水為溶劑，衣康酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為聚合單體進行聚合。采用靜態阻垢法，評價了衣康酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物對碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣的阻垢性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

衣康酸(IA)，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，鈣黃綠素，酚酞，氫氧化鉀，乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)等試劑均購于國藥集團化學試劑有限公司；所用試劑均為分析純，實驗用水為自配水。

電子掃描顯微鏡，美國FEI公司；分光光度計UV-1800D型，上海美譜達儀器有限公司；FA 2204B電子天平，上海精科天美科學儀器有限公司。

1.2 IA/AMPS共聚物的合成

在100 mL三口燒瓶中，加入稱量好的衣康酸(IA)與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，并加入25 mL去離子水，于恒溫水浴中加熱溶解，攪拌器攪拌。使用33%的氫氧化鈉溶液(常溫下的溶解度)調節燒瓶內溶液的pH至9后，于恒壓滴液漏斗中滴加引發劑過硫酸銨溶液，20 min內滴完。引發劑滴完后再恒溫20 min。得IA/AMPS共聚物取出備用。

1.3 阻垢性能評估

本文采用靜態阻垢法對合成的IA/AMPS共聚物阻碳酸鈣，磷酸鈣和硫酸鈣垢的性能進行評估。

1.3.1 不同濃度下IA/AMPS共聚物阻垢性能的測定

碳酸鈣阻垢性能測定：取8個燒杯，加入750 mL配制水，分別加入0、0.75、1.5、3、3.75、4.5、6、7.5、9 mL的阻垢劑，放入溫度已經變到50 ℃的恒溫水浴鍋中，把溫度數字調到80 ℃，濃縮1.5倍時，倒入到容量瓶中繼續恒溫水浴10 h，取出，冷卻至室溫，取上層清液過濾，進行鈣離子滴定。

硫酸鈣阻垢性能測定：取17個500 mL的容量瓶，在瓶中分別加1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28及30 mg/L的聚合物阻垢劑和200 mL氯化鈣儲備液及70 mL水，倒入200 mL硫酸鈉儲備液，用去離子水加定容。保溫10 h取出冷卻至室溫，加去離子水到500 mL的白色標線，進行鈣離子滴定。

1.3.2 不同溫度下IA/AMPS共聚物阻垢性能的測定

碳酸鈣阻垢劑性能測定：配制碳酸氫根和鈣離子的濃度皆為250 mg/L的水樣4 L待用(均以碳酸鈣計)，分別加入7.5 mL阻垢劑(2 mg/mL)，設置成50，60，70，80，90 ℃，5個溫度，進行靜態阻垢實驗，測定鈣離子濃度并算出阻垢性能。

硫酸鈣阻垢劑性能測定：向容量瓶中倒入200 mL氯化鈣儲備液，再倒入60 mL去離子水，各加入7.5 mL阻垢劑 (2 mg/mL)，加入200 mL硫酸鈉儲備液，設置成50，60，70，80，90 ℃，5個溫度，進行靜態阻垢實驗，測定鈣離子濃度并算出阻垢性能。

2 結果與討論

2.1 不同濃度條件下IA/AMPS共聚物阻垢性能

2.1.1 對碳酸鈣的阻垢性能分析

通過圖1可看出，當濃度在不斷的升高時，IA/AMPS共聚物的阻垢率呈現出先增大后減小，然后趨于平穩，當濃度達到接近20 mg/L時阻垢效率最大且為88.28%，阻垢效果很好。

2.1.2 對硫酸鈣的阻垢性能分析

從圖2可以看出，在濃度升高時，IA/AMPS共聚物的阻垢效率隨著濃度的增加增大，在濃度為20 mg/L左右的時候阻垢效率最大，且為96.9%，阻垢效果很好。

圖2 對硫酸鈣的阻垢率隨阻垢劑濃度的變化

2.1.3 對磷酸鈣的阻垢性能分析

圖3 對磷酸鈣的阻垢率隨阻垢劑濃度的變化

從圖3可看出，IA/AMPS共聚物的阻垢率呈現出先增大后變得平穩，當濃度達到16 mg/L時阻垢效率最大且為93%，阻垢效果很好。

2.2 不同溫度下IA/AMPS共聚物阻垢性能

2.2.1 對碳酸鈣的阻垢性能的測定

用一樣的濃度(20 mg/L)的IA/AMPS共聚物在調節到5個溫度的水浴鍋溫度中實驗阻垢劑對碳酸鈣的阻垢性能，得出的數據作圖如圖4所示。

圖4 不同溫度時IA/AMPS對碳酸鈣阻垢率

由圖4可看出，在溫度不太高時，聚合物的阻垢率很大并保持很平緩的趨勢，在溫度很低的時候，NaHCO3分解的成碳酸和二氧化碳的速率很慢，加上阻垢劑螯合鈣離子的作用，聚合物的阻垢率很大。70 ℃之后時，阻垢劑的阻垢率變小很多，表明在溫度高的時候，阻垢劑的阻垢性能受到很大的影響。

2.2.2 對硫酸鈣的阻垢性能的測定

選取5個溫度，測試IA/AMPS共聚物對硫酸鈣的阻垢性能，如圖5所示。

圖5 不同溫度時IA/AMPS對硫酸鈣阻垢率

由圖5可以看出，該聚合物阻垢劑在溫度不太高時對硫酸鈣的阻垢率較高，且曲線很平穩，在高溫時阻垢率下降的也不明顯，高于80 ℃之后阻垢率稍有下降，對硫酸鈣的阻垢效率較好，適于在工業中廣泛應用。

2.2.3 對磷酸鈣的阻垢性能的測定

在選取的5個溫度，測試IA/AMPS共聚物對磷酸鈣的阻垢性能，結果如圖6所示。

圖6 不同溫度時IA/AMPS共聚物阻磷酸鈣的阻垢率

由圖6可以看出，該聚合物阻垢劑在溫度不太高時對磷酸鈣的阻垢性能還不錯，且在前幾個溫度曲線比較平穩，但在高溫時阻垢率下降的稍微明顯，在高溫阻磷酸鈣垢稍差。

2.3 阻垢劑對硫酸鈣垢晶體形貌的影響情況分析

使用電子掃描顯微鏡觀察IA/AMPS共聚物對硫酸鈣垢晶體形貌的影響，結果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可見：加入IA/AMPS共聚物和未加入IA/AMPS共聚物的情況下掃描出的硫酸鈣晶型相差很大，未加IA/AMPS共聚物時的硫酸鈣晶型呈現為規則針狀晶體，硫酸鈣垢的成長是按照晶體的生長規律方式實現的，但是，加入IA/AMPS共聚物后，阻垢劑對硫酸鈣的生長產生了作用，發生了晶格畸變，這種硫酸鈣垢是沒有按照晶體規律成長的軟垢，很容易用水沖洗掉，不會粘附在換熱器等設備的表面從而進一步形成硬垢。

圖7 未添加阻垢劑時，硫酸鈣垢的晶體形貌

圖8 添加阻垢劑時，硫酸鈣垢的晶體形貌

3 結 論

通過使用了靜態阻垢法，探討了IA/AMPS共聚物的阻垢性能：

(1)該IA/AMPS共聚物對磷酸鈣、硫酸鈣、碳酸鈣的沉淀生成都表現出很好的抑制效果，最佳濃度分別在16 mg/L， 20 mg/L，20 mg/L左右。

(2)在溫度很低的時候，阻垢劑表現出很高的阻垢率，溫度影響較小；在溫度很高時，阻垢劑的阻垢率稍有下降說明IA/AMPS共聚物具備一定耐溫性。

(3)電子掃描顯微鏡的結果可以看出，加入IA/AMPS共聚物后，阻垢劑對其成長產生了影響，發生晶格畸變，硫酸鈣成為不太規則的絮狀晶體。