无磷阻垢剂PIA的合成及性能评价

熊 伟，吴得南，刘 健，李国栋

无磷阻垢剂PIA的合成及性能评价

熊 伟1，吴得南1，刘 健1，李国栋2

（1. 银川能源学院 石油化工系，宁夏 银川 750105； 2. 大庆油田特种作业安全培训中心，黑龙江 大庆 163454）

以过硫酸铵为引发剂，水溶液自由基聚合制备了无磷阻垢剂聚衣康酸-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（Poly-IA-AMPS，简称PIA)。当聚合温度80 ℃，nIA∶nAMPS=1∶1，w（过硫酸铵）=7%，聚合时间为2 h时所合成的PIA阻垢效果最好。通过红外分析证明所合成产品为预期目标产物。实验结果表明，PIA加剂量为10 mg/L时其阻碳酸钙率最佳可达88.9%，是一种性能优异的阻垢剂。

衣康酸；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸；二元共聚物；阻垢性能

在循环冷却水系统中，由于水温比环境温度高而导致结垢，是目前普遍关注的问题。当今阻垢效果较好方法是在水体中加入共聚物型阻垢剂[1-3]。共聚物常用的单体主要以丙烯酸和马来酸为主，随着油价的持续上涨，丙烯酸等石油产品的价格升高，通过改变羧酸单体或引入强酸基团等对共聚物改性，降低产品成本并提高产品的综合性能逐渐成为研究的热点[4-6]。在阻垢机理的基础上，围绕性能、环保和节能三大目标[7-9]，设计并合成了无磷阻垢剂PIA。

1 实验部分

1.1 仪器与药品

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS，工业级）；衣康酸（IA，工业级）；过硫酸铵（分析级）；氯化钙（分析纯）；碳酸氢钠（分析纯）；傅立叶变换红外光谱仪（Bruker-Tensor27型）；超级恒温水浴等。

1.2 合成方法

1.2.1 合成原理

以IA、AMPS为单体，以过硫酸铵为引发剂，可发生如下反应：

1.2.2 合成方法

在三口烧瓶中，放入一定量的IA、AMPS和去离子水后滴加过硫酸铵（在15～20 min内滴完）。反应数小时后，可得淡黄色溶液。

1.3 阻垢剂性能评价方法

依据GB/T 16632—2008《水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》，阻垢实验条件为 70 ℃及其以上、钙离子浓度为6 000 mg/L（以CaCl2计）、碳酸氢根浓度为183 000 mg/L（以NaHCO3计）、pH=9，采用静态“烧杯”实验法评价所合成共聚产物 PIA的阻垢性能[10]。

2 结果与讨论

2.1 合成条件对阻垢性能的影响

2.1.1 单体配比对PIA阻垢性能影响

固定聚合温度为85 ℃、聚合时间为2 h、w（过硫酸铵）=5%，探讨了单体配比nIA:nAMPS对PIA阻垢性能的影响，结果如图1所示。

由图1可知，随着nIA:nAMPS增加，阻垢率先增高后下降。当IA较少时，由于极性因素和空间位阻效应的存在，AMPS易发生自聚，产物粘度和分子量较大；当IA较多，会析出未反应的IA单体，PIA中含有的羧基较少，螯合能力下降，导致阻垢能力下降。因此，单体配比确定为nIA∶nAMPS=1∶1。

2.1.2 聚合温度对PIA阻垢性能影响

聚合温度对聚合速率和聚合度均有重要影响。在确定单体配比nIA∶nAMPS=1∶1后探讨温度对PIA阻垢性能的影响，结果如图2所示。由图2可知，随着温度的升高，阻垢率呈现先增高后下降的趋势。温度低于 80 ℃时，过硫酸铵活性随着温度的升高而不断提高，聚合度变小，致使聚合物分子量降低，粘度降低，使 PIA阻垢性能升高[6]。在自由基聚合过程中，向大分子的转移常数随温度而增加，当温度过高时，单体易向大分子转移，将形成大量支链，支链发生交联，使羧基等起作用的官能团易被包裹在分子中不易与钙离子和镁离子等螯合，致使阻垢性能下降。因此，选择聚合温度为80 ℃。

2.1.3 过硫酸铵用量对PIA阻垢性能影响

引发剂用量对聚合反应速率和产物分子量有重要影响。在保持其他条件不变的情况下，探讨过硫酸铵用量对PIA阻垢性能的影响，结果如图3所示。

由图3可知，随着过硫酸铵用量增大，PIA阻垢率先升高后下降。当过硫酸铵量较小时，PIA分子链较长易卷曲，致使其阻垢性能较低；当过硫酸铵用量过大时，PIA分子量过小，则失去了相应的螯合及吸附能力，降低阻垢效果，同时也提高了生产成本且成为生产上的不安全隐患。综合考虑，确定引发剂过硫酸铵用量为7%。

2.2 PIA的IR分析

采用KBr压片法，对提纯后的PIA进行IR表征，其谱图如图4所示。

由图4可知，3 083 cm-1处出现IA中羧基的O-H伸缩振动吸收宽峰，由于干燥不彻底导致宽峰；

1 703 cm-1处出现酰胺的 C=O伸缩振动吸收峰；1 436 cm-1处出现-CH-弯曲振动吸收峰；1 308 cm-1处出现甲基的C-H伸缩振动吸收峰；1 216、1 167 cm-1处出现磺酸盐的 S=O的伸缩振动吸收峰；911 cm-1处出现磺酸盐的S-O的伸缩振动吸收峰；734、725、626 cm-1处为C-S的伸缩振动吸收峰。由IR谱图可知，本实验所合成的产品为IA和AMPS的二元共聚物，分子链上同时成功引入了磺酸基团与羧酸基团。

2.3 PIA的阻垢性能评价

在最佳合成条件下所合成PIA进行阻垢性能评价。

2.3.1 加剂量对阻垢性能影响

阻垢实验温度为70 ℃，探讨PIA加剂量对阻垢性能的影响，结果如图5所示。

由图5可知，PIA的用量直接影响阻垢效果，均呈现先增大后减小的趋势。当 PIA加剂量为 10 mg/L时，阻垢率可达到88.9%，PIA具有良好的阻垢性能。

2.3.2 阻垢实验温度对阻垢性能影响

固定加剂量为10 mg/L，探讨阻垢实验温度在对PIA阻垢性能的影响，结果如图6所示。

由图6可知，PIA的阻垢效果随着温度的升高而缓慢降低。当温度升高到 90 ℃时其阻垢率仍在85%以上，这表明PIA具有较好的热稳定性。

3 结 论

本实验通过自由基聚合法合成了无磷阻垢剂PIA，用红外分析证明得到了预期的产物结构；探讨合成条件对阻垢性能的影响，确定了最佳的合成条件为：单体配比nIA:nAMPS=1:1，反应温度80 ℃，w（过硫酸铵）=7%，反应时间2 h；实验结果表明：在加剂量为10 mg/L时阻碳酸钙率最高可达88.9%，在阻垢实验温度为90 ℃下阻垢率仍在85%以上。PIA合成条件简单、易控制，容易工业化，分子上同时引入了大量的羧基和磺酸基，使其具备了较好的阻垢性能和耐温性能。这是工业开发新型绿色环保共聚物阻垢剂的有益尝试，对循环冷却水结垢的有效防治具有重要的意义。

［1］胡百顺，郭学辉，王康，等．绿色缓蚀阻垢剂的研究及应用进展[J]．工业水处理，2013，33(5)：9-12．

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［6］熊伟．衣康酸类共聚物的合成及阻垢分散性能研究[D]．大庆：东北石油大学，2012．

［7］Moulay S.，Boukherissa M., Abdoune F., et al．Low Molecular Weight Poly(acrylic acid) as a Salt Scaling Inhibitor in Oilfield Operations[J]．The Iranian Chemical Society, 2005, 2(3)：212-219．

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Synthesis of Nonphosphorus Copolymer PIA and Evaluation of Its Scale Inhibition Performance

XIOANG Wei1,WU De-nan1,LIU Jian1,LI Guo-dong2
（1. College of Petrochemical Engineering, Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yinchuan 750105, China; 2. Special Equipment Safety Training Center, Daqing Oilfield Company, Heilongjiang Daqing, 163454, China）

Using ammonium persulfate as initiator, nonphosphorus scale inhibitor（Poly-IA-AMPS，PIA）was prepared by radical polymerization in aqueous solution. The influence of the synthesis conditions on the performance of polymer’s scale inhibition was studied. The experimental results show that the optimum reaction conditions are as follows: the ratio of monomers is nIA:nAMPS=1:1, reaction temperature is 80℃, the dosage of the initiator is 7%, reaction time is 2 h. The compounds have been proved to be the target products through FTIR spectra. When the concentration of the scale inhibitor is 10mg/L, the scale inhibiting rate is the best, reaching 88.9%. So PIA is a kind of scale inhibitor with excellent properties.

Itaconic acid；2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid；Copolymer；Scale inhibition

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）04-0945-03

银川能源学院科研项目资助，项目号：2013-KY-Y-05。

2014-11-23

熊伟（1983-），男，黑龙江齐齐哈尔人，助教，研究生，主要从事油田化学助剂方面的研究。E-mail：xw04520@163.com。