衣康酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物性能研究

郝敬相， 石文艳

(1 盛隆化工有限公司，山东 枣庄 277519； 2 盐城工学院，江苏 盐城 224051)

在工厂的循环冷却水系统中，常因为水的温度比环境的温度高而导致水中的盐分结垢，这是目前大家都普遍关心的问题。现如今获得阻垢效果较好的办法是在水中加入一些合成的共聚物型阻垢剂[1-2]。阻垢剂通常被用来阻止碳酸钙，硫酸钙，磷酸钙等结垢。由于阻垢剂的种类很多，聚合物对各种成垢抑制的阻垢效果也大不相同，主要是因为它们在阻垢机理上存在差别[3-4]。在阻垢机制的研究基础上，一般围绕性能、环保和节能三大目标[5-6]。处理这个问题重要的地方在于阻垢剂的研发和使用的合理性。因此，需要采取一些评定方法，对阻垢剂的性能进行很快而且有效的评定，确保阻垢剂实际应用的效果。

本文以过硫酸铵为引发剂，去离子水为溶剂，衣康酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为聚合单体进行聚合。采用静态阻垢法，评价了衣康酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物对碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙的阻垢性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

衣康酸(IA)，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，钙黄绿素，酚酞，氢氧化钾，乙二胺四乙酸二钠(EDTA)等试剂均购于国药集团化学试剂有限公司；所用试剂均为分析纯，实验用水为自配水。

电子扫描显微镜，美国FEI公司；分光光度计UV-1800D型，上海美谱达仪器有限公司；FA 2204B电子天平，上海精科天美科学仪器有限公司。

1.2 IA/AMPS共聚物的合成

在100 mL三口烧瓶中，加入称量好的衣康酸(IA)与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)，并加入25 mL去离子水，于恒温水浴中加热溶解，搅拌器搅拌。使用33%的氢氧化钠溶液(常温下的溶解度)调节烧瓶内溶液的pH至9后，于恒压滴液漏斗中滴加引发剂过硫酸铵溶液，20 min内滴完。引发剂滴完后再恒温20 min。得IA/AMPS共聚物取出备用。

1.3 阻垢性能评估

本文采用静态阻垢法对合成的IA/AMPS共聚物阻碳酸钙，磷酸钙和硫酸钙垢的性能进行评估。

1.3.1 不同浓度下IA/AMPS共聚物阻垢性能的测定

碳酸钙阻垢性能测定：取8个烧杯，加入750 mL配制水，分别加入0、0.75、1.5、3、3.75、4.5、6、7.5、9 mL的阻垢剂，放入温度已经变到50 ℃的恒温水浴锅中，把温度数字调到80 ℃，浓缩1.5倍时，倒入到容量瓶中继续恒温水浴10 h，取出，冷却至室温，取上层清液过滤，进行钙离子滴定。

硫酸钙阻垢性能测定：取17个500 mL的容量瓶，在瓶中分别加1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28及30 mg/L的聚合物阻垢剂和200 mL氯化钙储备液及70 mL水，倒入200 mL硫酸钠储备液，用去离子水加定容。保温10 h取出冷却至室温，加去离子水到500 mL的白色标线，进行钙离子滴定。

1.3.2 不同温度下IA/AMPS共聚物阻垢性能的测定

碳酸钙阻垢剂性能测定：配制碳酸氢根和钙离子的浓度皆为250 mg/L的水样4 L待用(均以碳酸钙计)，分别加入7.5 mL阻垢剂(2 mg/mL)，设置成50，60，70，80，90 ℃，5个温度，进行静态阻垢实验，测定钙离子浓度并算出阻垢性能。

硫酸钙阻垢剂性能测定：向容量瓶中倒入200 mL氯化钙储备液，再倒入60 mL去离子水，各加入7.5 mL阻垢剂 (2 mg/mL)，加入200 mL硫酸钠储备液，设置成50，60，70，80，90 ℃，5个温度，进行静态阻垢实验，测定钙离子浓度并算出阻垢性能。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度条件下IA/AMPS共聚物阻垢性能

2.1.1 对碳酸钙的阻垢性能分析

通过图1可看出，当浓度在不断的升高时，IA/AMPS共聚物的阻垢率呈现出先增大后减小，然后趋于平稳，当浓度达到接近20 mg/L时阻垢效率最大且为88.28%，阻垢效果很好。

2.1.2 对硫酸钙的阻垢性能分析

从图2可以看出，在浓度升高时，IA/AMPS共聚物的阻垢效率随着浓度的增加增大，在浓度为20 mg/L左右的时候阻垢效率最大，且为96.9%，阻垢效果很好。

图2 对硫酸钙的阻垢率随阻垢剂浓度的变化

2.1.3 对磷酸钙的阻垢性能分析

图3 对磷酸钙的阻垢率随阻垢剂浓度的变化

从图3可看出，IA/AMPS共聚物的阻垢率呈现出先增大后变得平稳，当浓度达到16 mg/L时阻垢效率最大且为93%，阻垢效果很好。

2.2 不同温度下IA/AMPS共聚物阻垢性能

2.2.1 对碳酸钙的阻垢性能的测定

用一样的浓度(20 mg/L)的IA/AMPS共聚物在调节到5个温度的水浴锅温度中实验阻垢剂对碳酸钙的阻垢性能，得出的数据作图如图4所示。

图4 不同温度时IA/AMPS对碳酸钙阻垢率

由图4可看出，在温度不太高时，聚合物的阻垢率很大并保持很平缓的趋势，在温度很低的时候，NaHCO3分解的成碳酸和二氧化碳的速率很慢，加上阻垢剂螯合钙离子的作用，聚合物的阻垢率很大。70 ℃之后时，阻垢剂的阻垢率变小很多，表明在温度高的时候，阻垢剂的阻垢性能受到很大的影响。

2.2.2 对硫酸钙的阻垢性能的测定

选取5个温度，测试IA/AMPS共聚物对硫酸钙的阻垢性能，如图5所示。

图5 不同温度时IA/AMPS对硫酸钙阻垢率

由图5可以看出，该聚合物阻垢剂在温度不太高时对硫酸钙的阻垢率较高，且曲线很平稳，在高温时阻垢率下降的也不明显，高于80 ℃之后阻垢率稍有下降，对硫酸钙的阻垢效率较好，适于在工业中广泛应用。

2.2.3 对磷酸钙的阻垢性能的测定

在选取的5个温度，测试IA/AMPS共聚物对磷酸钙的阻垢性能，结果如图6所示。

图6 不同温度时IA/AMPS共聚物阻磷酸钙的阻垢率

由图6可以看出，该聚合物阻垢剂在温度不太高时对磷酸钙的阻垢性能还不错，且在前几个温度曲线比较平稳，但在高温时阻垢率下降的稍微明显，在高温阻磷酸钙垢稍差。

2.3 阻垢剂对硫酸钙垢晶体形貌的影响情况分析

使用电子扫描显微镜观察IA/AMPS共聚物对硫酸钙垢晶体形貌的影响，结果如图7和图8所示。

由图7和图8可见：加入IA/AMPS共聚物和未加入IA/AMPS共聚物的情况下扫描出的硫酸钙晶型相差很大，未加IA/AMPS共聚物时的硫酸钙晶型呈现为规则针状晶体，硫酸钙垢的成长是按照晶体的生长规律方式实现的，但是，加入IA/AMPS共聚物后，阻垢剂对硫酸钙的生长产生了作用，发生了晶格畸变，这种硫酸钙垢是没有按照晶体规律成长的软垢，很容易用水冲洗掉，不会粘附在换热器等设备的表面从而进一步形成硬垢。

图7 未添加阻垢剂时，硫酸钙垢的晶体形貌

图8 添加阻垢剂时，硫酸钙垢的晶体形貌

3 结 论

通过使用了静态阻垢法，探讨了IA/AMPS共聚物的阻垢性能：

(1)该IA/AMPS共聚物对磷酸钙、硫酸钙、碳酸钙的沉淀生成都表现出很好的抑制效果，最佳浓度分别在16 mg/L， 20 mg/L，20 mg/L左右。

(2)在温度很低的时候，阻垢剂表现出很高的阻垢率，温度影响较小；在温度很高时，阻垢剂的阻垢率稍有下降说明IA/AMPS共聚物具备一定耐温性。

(3)电子扫描显微镜的结果可以看出，加入IA/AMPS共聚物后，阻垢剂对其成长产生了影响，发生晶格畸变，硫酸钙成为不太规则的絮状晶体。