高效环保型非磷阻垢缓蚀剂开发制备

李升军，楚飞虎，吴晓雄，吴彦君

（爱环吴世（苏州）环保股份有限公司，江苏苏州 215011）

随着工业用循环水的增加，阻垢缓蚀剂的用量也随之加大。国内外循环水处理常用的阻垢缓蚀剂大部分是磷系水处理剂复合配方[1-3]。虽然它们无毒、低价且具有好的阻垢缓蚀性能，但是排入水体后，容易造成水体的富营养化，污染环境[4]。因此，开发无磷、低磷的缓蚀阻垢剂已成为国内外水处理剂的研究方向[5]。

本文针对工业节水领域内这一前沿研究方向，重点进行高效环保多元复合型多功能冷却水阻垢缓蚀剂的研制，选用环境友好聚天冬氨酸改性合成物（PASP/3，5-Diamino-Benzoic）、丙烯酸 -2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA-AMPS）、钼酸钠（Na2MoO4·2H2O）和柠檬酸钠（Na3C6H5O7·2H2O）进行复配，利用其协同增效作用，研制出一种高效环保型非磷的阻垢缓蚀剂，从而达到取代传统磷系阻垢缓蚀剂的目的。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

PASP/3，5-Diamino-Benzoic，30%（质量分数），自行合成；AA-AMPS，30%（质量分数），山东泰和水处理科技股份有限公司；Na2MoO4·2H2O，分析纯，天津市天力化学试剂有限公司；Na3C6H5O7·2H2O，分析纯，天津市天力化学试剂有限公司。

SHJ-6A数显恒温水浴锅，常州迅生仪器有限公司；UV754N分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；旋转挂片腐蚀仪，自制；A3碳钢试片，50 mm×25 mm×2 mm。

1.2 实验方法

根据PASP/3，5-Diamino-Benzoic和 AA-AMPS的溶限效应对碳酸钙及磷酸钙的阻垢性能，确认二者的质量比；固定二者的质量比，添加缓蚀剂柠檬酸钠，根据趋缓的缓蚀性能确定其添加量；固定PASP/3，5-Diamino-Benzoic、AA-AMPS 和柠檬酸钠的质量比，添加缓蚀剂钼酸钠，根据趋缓的缓蚀性能确定其添加量，最终确定该非磷阻垢缓蚀剂的最佳配方。

1.3 性能评价

1.3.1 阻垢性能评价

实验中依据GB/T 16632—2008《水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》和GB/T 22626—2008《水处理剂阻垢性能的测定 磷酸钙沉积法》进行阻垢性能评价[6-7]。

1.3.2 缓蚀性能评价

实验中依据HG/T 2159—91《水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法》进行缓蚀性能评价[8]。

2 结果与讨论

2.1 PASP/3，5-Diamino-Benzoic阻垢性能

采用碳酸钙沉积法和磷酸钙沉积法对 PASP/3，5-Diamino-Benzoic的阻碳酸钙垢和阻磷酸钙垢性能进行测定，不同质量浓度 PASP/3，5-Diamino-Benzoic的阻垢率如图1所示。其中，Ca2+初始质量浓度为240 mg/L，PO43-初始质量浓度为5 mg/L，水浴温度为80℃，时间为10 h。

图1 不同质量浓度PASP/3，5-Diamino-Benzoic的阻垢率

由图1可知，PASP/3，5-Diamino-Benzoic的阻碳酸钙垢性能良好。PASP/3，5-Diamino-Benzoic分子结构中同时含有酰胺键和羧基键，它兼具中性阻垢剂和阴离子型阻垢剂的特性，可通过凝聚分散、晶格畸变及络合增溶等方式发挥阻垢作用。随着质量浓度的增加，PASP/3，5-Diamino-Benzoic的阻碳酸钙垢率逐渐增大，最高可达到90%以上；同时有一定的阻磷酸钙垢性能，当PASP/3，5-Diamino-Benzoic的质量浓度超过10 mg/L后，其阻垢率的增加不太显著，这体现了PASP/3，5-Diamino-Benzoic的溶限效应。

2.2 AA-AMPS阻垢性能

采用碳酸钙沉积法和磷酸钙沉积法对AA-AMPS的阻碳酸钙垢和阻磷酸钙垢性能进行测定，不同质量浓度AA-AMPS的阻垢率如图2所示。其中，Ca2+初始质量浓度为240 mg/L，PO43-初始质量浓度为5 mg/L，水浴温度为80℃，时间为10 h。

图2 不同质量浓度AA-AMPS的阻垢率

由图2可知，AA-AMPS的阻碳酸钙垢性能良好。随着质量浓度的增加，AA-AMPS的阻碳酸钙垢率逐渐增大，最高可达到77.98%。当AA-AMPS的质量浓度超过10 mg/L后，其阻垢率的增加不太明显，这说明AA-AMPS的溶限效应同样存在。AA-AMPS的阻磷酸钙垢性能具有明显的“临界值效应”：在质量浓度为2～6 mg/L时，阻磷酸钙垢效果差，最高仅为3.15%；当质量浓度达到临界质量浓度8 mg/L时，阻磷酸钙垢率突跃至81.20%，且随着质量浓度增加，阻垢率缓慢增大，同样存在溶限效应。

2.3 PASP/3，5-Diamino-Benzoic与 AA-AMPS 最佳质量配比

固定总药剂质量浓度为20 mg/L，分别将PASP/3，5-Diamino-Benzoic 和 AA-AMPS 按照 1∶1、1∶2、1∶4、2∶1和4∶1的质量比进行复配，考察不同质量配比产物的阻碳酸钙垢和阻磷酸钙垢性能。实验结果见表1和表2。

由表 1和表 2可知，PASP/3，5-Diamino-Benzoic和AA-AMPS在阻碳酸钙垢方面有一定的协同效应，且具有相同的趋势；当质量浓度大于8 mg/L后，二者阻磷酸钙垢效果明显。综合来看，最佳配方（以质量浓度计，下同）为：PASP/3，5-Diamino-Benzoic（10 mg/L）、AA-AMPS（10 mg/L）。

表1 不同质量配比产物的阻碳酸钙垢性能

表2 不同质量配比产物的阻磷酸钙垢性能

2.4 柠檬酸钠添加配比对阻垢性能的影响

固定PASP/3，5-Diamino-Benzoic和AA-AMPS的质量浓度分别为10 mg/L，采用旋转挂片法，加入不同质量浓度的柠檬酸钠，测定缓蚀性能，实验结果见表3。

由表3知，柠檬酸钠加入质量浓度大于50 mg/L 时，缓蚀率随质量浓度的变化趋缓，综合性价比确定柠檬酸钠的配比质量浓度为50 mg/L。

表3 柠檬酸钠质量浓度对缓蚀率的影响

2.5 钼酸钠添加配比对阻垢性能的影响

固定PASP/3，5-Diamino-Benzoic和 AA-AMPS的质量浓度分别为10 mg/L，柠檬酸钠质量浓度为50 mg/L，采用旋转挂片法，加入不同质量浓度的钼酸钠，测定缓蚀性能，实验结果见表4。

由表4知，钼酸钠加入质量浓度大于20 mg/L时，缓蚀率随质量浓度的变化趋缓，综合性价比确定钼酸钠的质量浓度为20 mg/L。

表4 钼酸钠质量浓度对缓蚀率的影响

由以上可知，高效环保型非磷阻垢缓蚀剂的最佳配方为 PASP/3，5-Diamino-Benzoic（10 mg/L）、AA-AMPS（10 mg/L）、Na3C6H5O7·2H2O（50 mg/L）、Na2MoO4·2H2O（20 mg/L）。

3 结论

采用碳酸钙沉积法、磷酸钙沉积法和旋转挂片法，依据化学品的阻垢性能及缓蚀性能评价，确定高效环保型非磷阻垢缓蚀剂的最佳配方为PASP/3，5-Diamino-Benzoic（10 mg/L）、AA-AMPS（10 mg/L）、Na2MoO4·2H2O（20 mg/L）、Na3C6H5O7·2H2O（50 mg/L），该阻垢缓蚀剂阻碳酸钙垢率86%以上，阻磷酸钙垢率77%以上，碳钢缓蚀率74%以上，性能优异，可替代传统的磷系阻垢缓蚀剂。