新型水处理剂环氧磺酸盐的合成及性能测定

秦文华 (内蒙古工业大学矿业学院,内蒙古呼和浩特01 0051)

聚环氧琥珀酸 (PESA)分子结构中含有可生物降解的环氧基,不含使水体富养化元素 (氮、磷和钾),是性能良好的绿色阻垢剂,其缺点是阻磷酸钙垢、分散氧化铁、稳定锌离子效果不是很好。磺酸基是磷酸钙阻垢、分散氧化铁、稳定锌盐的有效基团,恰好可以弥补聚环氧琥珀酸水处理剂性能的不足,且药力持久,不易结胶[1-2]。相对酸而言,作为中性的盐类水处理剂可以避免对设备造成腐蚀。为此,笔者采用溶液聚合法合成了新型水处理剂环氧磺酸盐 (ESA-SSS),并对其进行结构表征和性能评价。

1 试验部分

1.1 主要试剂与仪器

1)主要试剂 顺丁烯二酸酐 (MA)、两水钨酸钠、30%的双氧水、氢氧化钠、对苯乙烯磺酸钠(SSS)、过硫酸铵、无水甲醇、氯化钙、碳酸钠、无水氯化钙、碳酸氢钠、硼砂、氢氧化钾、钙羧酸指示剂、乙二胺四乙酸二钠、磷酸二氢钾、钼酸铵、抗坏血酸、甲酸、酒石酸锑钾、无水硫酸钠、锌粉、硫酸亚铁、锌试剂等,其中苯乙烯磺酸钠为工业纯,其余试剂均为分析纯。

2)主要仪器 电子分析天平JA3003N(梅特勒-托利多仪器有限公司);恒温磁力搅拌器81-2(上海司乐仪器厂);电子恒温水浴锅DZKW(北京永光明医疗仪器厂);精密酸度计pHS-2C(上海雷磁仪器厂);真空干燥箱CVO30-S(天津华北实验仪器有限公司;)循环水式真空泵DZKW(北京市永光明医疗仪器厂);傅立叶红外光谱仪Nexus670(美国Nicolet(尼高力)公司);紫外分光光度仪UV-3150C(日本岛津公司);分光光度计 721型(上海第三分析仪器厂)等。

图1 ESA-SSS合成反应流程

1.2 试验原理

将马来酸酐溶于水形成酸,用氢氧化钠溶液中和,以两水钨酸钠作催化剂,并用30%的双氧水氧化。环化保温合成环氧琥珀酸盐后,以过硫酸铵作为引发剂,与对苯乙烯磺酸钠反应,通过聚合生成环氧磺酸盐,即环氧琥珀酸-对苯乙烯磺酸盐共聚物。

1.3 试验方法

在4口烧瓶内加入0.1mol的顺丁烯二酸酐和15ml蒸馏水,常温下搅拌,溶解后在温度低于60℃下加入0.3mol氢氧化钠水溶液 (质量比为1∶1),投入0.40g两水钨酸钠,将0.2mol 50%氢氧化钠溶液匀速滴加在溶液中,同时滴加12ml 30%双氧水。滴加完毕后,升温至65℃,环化保温1.5h。加入相应配比的对苯乙烯磺酸钠,升温80℃后加入过硫酸铵2～3.5g,保持温度85℃左右,3h后结束反应。通过测定酸碱性,发现产物为中性,证明产物属盐类水处理剂。最后对产物通过洗涤、过滤、干燥等过程进行提纯。

2 结果与讨论

2.1 ESA-SSS的红外结构表征

ESA-SSS与PESA的红外光谱图如图2所示。从图2可以看出,ESA-SSS在2923.60cm-1处加强,而2923.60cm-1是苯环的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处为S—O的特征峰。ESA-SSS图谱中明显增加了磺酸基的特征峰,且1120.46cm-1处有环氧键的特征峰。通过上述分析可知,该试验成功保留了环氧基等PESA原有的结构特征,同时引入了磺酸基团,从而合成了新型绿色水处理剂环氧磺酸盐。

图2 ESA-SSS与PESA的红外光谱图

2.2 阻碳酸钙垢性能

水处理剂浓度对CaCO3阻垢效果的影响如图3所示。由图3可以看出,随着原料中顺丁烯二酸酐(MA)的相对增加,合成产物环氧磺酸盐的阻垢效果相对增强,聚环氧琥珀酸不含有磺酸基,其碳酸钙阻垢效果最好。

2.3 阻硫酸钙垢性能

水处理剂浓度对CaSO4阻垢效果的影响如图4所示。由图4可以看出,随着ESA-SSS浓度增加,钙离子浓度上升速度很快,原料MA与SSS比为4∶1的合成产物ESA-SSS在浓度达到1.68mg/L时其阻垢率为94.8%;原料MA与SSS比为2∶1的ESA-SSS在浓度达到0.72mg/L时,其阻垢率已达到95.6%。而PESA随着浓度的增加,钙离子浓度增加相当缓慢。因此,ESA-SSS阻硫酸钙垢效果优于PESA。

图3 水处理剂浓度对CaCO3阻垢效果的影响

图4 水处理剂浓度对CaSO4阻垢效果影响

2.4 阻磷酸钙垢性能

水处理剂浓度对Ca3(PO4)2阻垢效果的影响如图5所示。从图5可以看出,阻垢率随着阻垢剂浓度的增加,先升后降。在浓度为11.2mg/L时,原料MA与SSS比为1∶1和2∶1的ESA-SSS阻垢率均已达到100%,原料比为8∶3的ESA-SSS的阻垢率为63.3%,PESA的阻垢率仅为55.6%。总体来看,ESA-SSS比PESA对Ca3(PO4)2阻垢效果更好。

2.5 稳定锌盐性能

水处理剂浓度对稳定锌盐的影响如图6所示。从图6可以得出,稳锌率随着ESA-SSS浓度的增加先增大后减小,MA∶SSS为1∶1与2∶1的ESA-SSS的最佳稳锌率分别为82.2%和76.7%,而PESA在浓度为2.6mg/L时,稳锌率已达100%。因此,在浓度相对增加后,ESA-SSS的稳锌效果劣于PESA。

图5 水处理剂浓度对Ca3(PO4)2阻垢效果的影响

图6 水处理剂的浓度对稳定锌盐的影响

2.6 分散氧化铁性能

水处理剂浓度对氧化铁分散性能的影响如图7所示。由图7可以看出,随着药剂量的增加,ESASSS对氧化铁分散性能逐渐增强,原料比MA∶SSS为1∶1与2∶1的ESA-SSS为例,其透光率最低可达54.5%,而PESA的透光率最低为83.6%,因而ESA-SSS比PESA分散氧化铁的性能更好。

图7 水处理剂浓度对氧化铁分散性能的影响

3 结 语

通过采用溶液聚合法进行合成反应并进行结构表征,发现合成产物具有环氧琥珀酸和磺酸盐的结构特征。静态试验测定,合成新产物环氧磺酸盐具有优良的阻硫酸钙和磷酸钙垢及稳定锌盐和分散氧化铁的性能,兼具聚环氧琥珀酸 (PESA)阻垢剂和磺酸盐阻垢剂的优点。因此,ESA-SSS是一种性能优良的新型绿色水处理剂。

[1]丁春梨,范莉莉,佟岩.磺化马来酸酐-丙烯酸共聚物型阻垢剂 [J].长春工业大学学报,2005,26(1):16-18.

[2]赵彦生,武丽丽,魏文陇.磺酸盐类共聚物阻垢剂分散剂研究进展[J].昆明理工大学学报,2002,33(2):225-228.