环境友好型阻垢剂阻CaCO3垢的性能研究

第３２卷　第１８期

２０１０年９月武　汉　理　工　大　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３２　Ｎｏ．１８　Ｓｅｐｔ．２０１０ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４４３１．２０１０．１８．０１８

环境友好型阻垢剂阻ＣａＣＯ３垢的性能研究

陈　琛１，杨红刚１，李淑柱２，刘晓烨１，周　毅３

（１．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉４３００７０；２．武汉理工大学化学工程学院，

武汉４３００７０；３．武汉卢比科技开发有限公司，武汉４３００７２）

摘　要：　以马来酸酐和铵盐为原料合成环境友好型阻垢剂聚天冬氨酸（ＰＡＳＰ），并研究不同因素对聚天冬氨酸阻ＣａＣＯ３垢性能影响以及聚天冬氨酸对ＣａＣＯ３结晶过程的影响。结果表明：所得产品的粘均分子量Ｍ为５７００；当Ｃａ２＋浓度为７５０ｍｇ／Ｌ，ＰＡＳＰ的投加浓度为６ｍｇ／Ｌ时，阻垢率为９４．７４％；当ＰＡＳＰ的浓度为６ｍｇ／Ｌ，在８０℃的水浴中运行１６ｈ时，阻垢率接近１００％；ＰＡＳＰ可以破坏ＣａＣＯ３的晶格结构，减小其晶胞体积，使ＣａＣＯ３的晶体无法有规则正常的生成和增长而发生严重的畸变。因此，ＰＡＳＰ可应用于高钙离子浓度的水系统，在高温水系统中长时间停留，对ＣａＣＯ３仍有较强的抑制作用。

关键词：　环境友好；　聚天冬氨酸；　ＣａＣＯ３；　阻垢

中图分类号：　Ｘ３８４文献标识码：　Ａ文章编号：１６７１－４４３１（２０１０）１８－００７０－０４

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ－ｆｒｉｅｎｄｌｙＳｃａｌｅＩｎｈｉｂｉｔｉｏｎｔｏＣａｌｃｉｕｍＣａｒｂｏｎａｔｅ

ＣＨＥＮＣｈｅｎ１，ＹＡＮＧＨｏｎｇ－ｇａｎｇ１，ＬＩＳｈｕ－ｚｈｕ２，ＬＩＵＸｉａｏ－ｙｅ１，ＺＨＯＵＹｉ３

（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌｏｆ

ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；３．ＷｕｈａｎＬｕｂｉＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏＬｔｄ，Ｗｕｈａｎ４３００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｐｏｌｙａｓｐａｒｔｉｃａｃｉｄ（ＰＡＳＰ）ｗａｓｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄｕｓｉｎｇｍａｌｅｆｉｃａｎｈｙｄｒｉｄｅａｎｄａｍｍｏｎｉｕｍｓａｌｔａｓｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｅｆ－ｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｐｏｌｙａｓｐａｒｔｉｃａｃｉｄｔｏｃａｌｃｉｕｍｃａｒｂｏｎａｔｅａｎｄｏｎｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｌｃｉｕｍｃａｒｂｏｎａｔｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｖｉｓｃｏｓｉｔｙ－ａｖｅｒａｇｅｍｏｌｅｃｕｌａｒｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｓ５７００．Ｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｕｐｔｏ９４．７４％，ａｓｔｈｅｄｏｓａｇｅｓｏｆＰＡＳＰｒｅａｃｈｉｎｇ６ｍｇ／Ｌａｎｄｃａｌｃｉｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒｅａｃｈｉｎｇ７５０ｍｇ／Ｌ．Ｔｈｅｉｎｈｉｂｉ－ｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｕｐｔｏ９４．７４％．Ｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎｒａｔｅｒｅａｃｈｅｓｎｅａｒ１００％ｗｈｅｎ６ｍｇ／ＬｏｆＰＡＳＰｗａｓａｄｄｅｄｉｎｔｏｗａｔｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ８０℃ｆｏｒ１６ｈｏｕｒｓ．Ｐｏｌｙａｓｐａｒｔｉｃａｃｉｄｃａｎｄｅｓｔｒｏｙｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃａｌｃｉｕｍｃａｒｂｏｎａｔｅａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｉｔｓｕｎｉｔｃｅｌｌｖｏｌｕｍｅ．Ｉｔ’ｓａｖａｉｌａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆｈｉｇｈｃａｌｃｉｕｍｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｓｔａｙｉｎｇｉｎｔｈｅｗａｔｅｒｓｙｓｔｅｍｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ－ｆｒｉｅｎｄｌｙ；　ｐｏｌｙａｓｐａｒｔｉｃａｃｉｄ；　ｃａｌｃｉｕｍｃａｒｂｏｎａｔｅ；　ｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ

收稿日期：２０１０－０４－２１．作者简介：陈　琛（１９８６－），女，硕士生．Ｅ－ｍａｉｌ：ｊａｎｅｃｈｅｎ８８６＠１６３．

ｃｏｍ随着人类环保意识日益提高，全球范围内节水意识的日益增强，保护水资源已成为环境保护的重要环节。水处理剂则是水处理的重要技术保证。中外许多学者致力于新型水处理剂的研究，尤以缓蚀阻垢剂的

研究最为突出。近几年“绿色阻垢剂”的概念已被提出，研制具有高阻垢性能、良好生物降解性、无毒性的环境友好型阻垢剂是２１世纪水处理剂的发展方向［１］。近几年，国外的研究者研究开发出了新型阻垢剂———聚天冬氨酸，英文名称为ＰｏｌｙａｓｐａｒｔｉｃＡｃｉｄ，简称ＰＡＳＰ，是受了动物代谢过程启发而合成成功的一种生物高分子阻垢剂，是公认的绿色水处理剂的更新换代产品。它的制造工艺清洁，不仅具有可生物降解性，还可同时起到缓蚀剂和阻垢剂的功能［２］。ＰＡＳＰ作为阻垢剂可用于冷却水处理、锅炉水处理、反渗透膜、油田回收水处理、肥料增效和医药等领域［３］。它的阻垢机理是它能够破坏污垢（碳酸钙，磷酸钙等）的晶体结构，使其变成软垢，具有热稳定性好、阻垢性能优异、投加量少等特点［４］

。作者选取以马来酸酐和铵盐为原料合成了

ＰＡＳＰ，并采用静态阻垢实验系统研究Ｃａ２＋浓度、碱度、恒温时间以及恒温温度对阻垢性能的影响。在此基础上，采用透射电子显微镜（ＴＥＭ）对生成的ＣａＣＯ３垢进行形貌分析，以探讨ＰＡＳＰ对ＣａＣＯ３结晶过程的影响。１　实　验

１．１　试剂与设备

主要试剂：马来酸酐、铵盐、氢氧化钠、盐酸、无水乙醇等，均为市售分析纯。

主要设备：电动搅拌器，恒温水浴锅，电热恒温鼓风干燥箱，透射电子显微镜（ＴＥＭ）。１．２　ＰＡＳＰ的合成

在２５０ｍＬ烧瓶中加入一定量的马来酸酐、铵盐及蒸馏水，搅拌溶解后升温至６０℃蒸干水分得白色固体，继续升温至２００℃，反应一定时间后得棕黄色脆性固体ＰＳＩ，洗涤，烘干，取出备用。称取一定量的ＰＳＩ，在５０℃下用氢氧化钠水溶液水解一段时间，冷却至室温，用稀盐酸调至中性，然后用大量乙醇沉析，沉淀物经过滤、干燥，得浅色粉末ＰＡＳＰ。１．３　ＰＡＳＰ粘均分子量

准确称取０．５０ｇＰＳＩ样品，溶于１００ｍＬ的二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）中配成０．５％溶液，（２５±０．１）℃条件下用矱＝０．５ｍｍ的乌式粘度计测定溶液粘度η，ＰＳＩ聚合度ｎ和ＰＡＳＰ粘均分子量Ｍ按公式计算

［５］ｎ＝３．５２×η１．５６（１）

η＝（ｔ－ｔ０）／ｔ０×Ｃ

（２）Ｍ＝１１５．１×ｎ＋１８（３）

式中，ｎ为ＰＳＩ聚合度；Ｍ为ＰＡＳＰ粘均分子量；η为溶液比浓粘度，ｍＬ／ｇ；Ｃ为溶液质量浓度，ｇ／ｍＬ；ｔ０为纯溶剂流过毛细管的时间，ｓ；ｔ为溶液流过毛细管的时间，ｓ。１．４　阻垢性能的测试

阻ＣａＣＯ３垢性能测试参考ＧＢ／Ｔ１６６３２—２００８：水处理剂阻垢性能的测定———碳酸钙沉积法。用去离子水配制含一定浓度的阻垢剂、Ｃａ

２＋、ＨＣＯ３－的溶液，并用硼砂调节ｐＨ值，然后置于恒温水浴中，在一定温度下保温一段时间，冷却、过滤，用ＥＤＴＡ络合滴定法测定Ｃａ２＋的浓度，同时做空白实验对照。按照下述公式

计算其阻垢率。η＝（Ｖ２一Ｖ１）／（Ｖ０一Ｖ１）×１００％

式中，Ｖ０为滴定时原水中Ｃａ２＋所消耗的ＥＤＴＡ量，ｍＬ；Ｖ１为滴定时恒温后空白试样中Ｃａ２＋所消耗的ＥＤＴＡ

量，ｍＬ；Ｖ２为滴定时恒温后加阻垢剂试样中Ｃａ

２＋所消耗的ＥＤＴＡ量，ｍＬ。

１．５　透射电镜分析（ＴＥＭ）采用透射电镜（ＴＥＭ）对制备样品进行形貌分析。实验条件：取少量样品经研磨后，在１００～２００ｋＶ下，以蒸馏水为溶剂，超声波分散样品，然后取适量悬浮液滴于碳支持膜铜网和微栅网上，干燥后上机观察。２　结果与讨论

２．１　阻垢性能测试结果

２．１．１　Ｃａ２＋浓度对阻垢性能的影响

实验条件：Ｃａ２＋浓度分别为２５０ｍｇ／Ｌ、５００ｍｇ／Ｌ、７５０ｍｇ／Ｌ，ＨＣＯ３－浓度为２５０ｍｇ／Ｌ（均以ＣａＣＯ３计），

１７第３２卷　第１８期 陈　琛，杨红刚，李淑柱，等：环境友好型阻垢剂阻ＣａＣＯ３垢的性能研究