聚环氧琥珀酸的研究进展

绿色环保型阻垢剂聚环氧琥珀酸的研究进展
于莉莉李国云
弗克科技（苏州）有限公司
摘要：详细叙述了绿色阻垢剂聚环氧琥珀酸的合成及其性能，并对其发展方向作出了展望。

关键词：绿色阻垢剂，合成，性能
1前言
21世纪，全球都面临着水资源紧缺的突出矛盾，特别是中国。

中国水资源匮乏，加上水环境污染严重，可利用的水资源很少，因此如何节约和保护水资源成为当务之急。

节约水资源最主要的是节约工业冷却水。

其主要方法是循环利用冷却水，提高浓缩倍率，但由于不断的蒸发和浓缩，水中的各种矿物质、藻类及泥沙等不断增多，会导致设备结垢、腐蚀和造成水质污染。

这样，就要求向水中投加药剂，以减少损害，其中，使用最多的为投加阻垢剂。

绿色化学是20世纪90年代出现的一个多学科交叉的研究领域[1]，随着人们环境保护意识的不断增强，绿色化学成为研究的重点。

在水处理化学中，开发可生物降解的“环境友好”型水处理化学品已经越来越受到人们的重视，成为21世纪中水处理领域的一个重要发展方向，研究绿色阻垢剂也成为当前水处理剂研究中的重要课题。

绿色阻垢剂的发展经历了由天然高分子绿色阻垢剂到人工合成型绿色阻垢剂的过程。

天然绿色阻垢剂因其原料来源广泛、无毒、易降解、价廉和易回收等特点，在水处理界得到高度的重视和广泛的研究，发展也很快。

常见的天然高分子绿色阻垢剂有葡萄糖酸钠、木质素、淀粉和单宁及其衍生物等[2]。

由于天然绿色阻垢剂具有投加量大（50~200mg/L）高温条件下易分解、杂质含量高等缺陷，现在应用较少。

目前发展的人工合成型绿色阻垢剂主要包括聚天冬氨酸（PASP）和聚环氧琥珀酸（PESA）。

这两种阻垢剂是目前国际公认的具有无磷、可生物降解特性的绿色水处理剂。

本文主要介绍PESA的合成、性能及其发展。

2 PESA的发展
聚环氧琥珀酸（PESA）是20世纪90年代初由美国Betz实验室首先开发出来的一种绿色水处理剂[3,4]。

下面为聚环氧琥珀酸钠的结构式：
其中，n值一般为2~50，n值在2~25时，效果更好，Na+可被H+或其他水溶性阳离子代替，如K+、NH4+等。

PESA既具有良好的阻垢性能（对钙、镁、铁等离子的螯合能力较强），又无磷、无氮且易生物降解，适用于高碱高固水系，可用于锅炉水处理、冷却水处理、污水处理、海水淡化、膜分离等。

PESA因在聚合物中插入了氧原子而使其阻垢性能大大优于常用有机膦酸类聚合物阻垢剂。

研究表明[5]，在pH值为9.0，[Ca2+]=1000mg/L，[HCO3—]=500mg/L，温度80℃的条件下，试验6h。

当PESA的投加浓度为1mg/L，2mg/L，6mg/L，10mg/L时，碳酸钙的阻垢率分别为82%，95%，99%，100%。

3 PESA的合成
根据合成步骤和条件的不同，文献报道的有关聚环氧琥珀酸的合成的方法主要有以下两种：一步合成法和两步合成法，以下将对这两种方法进行分别阐述。

3.1 一步合成法
1989年，美国Prector&Gamble公司[6]发表了制备聚环氧琥珀酸的专利，该专利以马来酸酐为原料，加氢氧化钠使之碱性水解成马来酸钠，然后以钨酸钠为催化剂，用双氧水氧化得到环氧琥珀酸钠以后，用Ca(OH)2引发剂，得到聚环氧琥珀酸钠。

该方法操作比较简单，原料也很廉价，是目前应用最广泛的合成方法。

1999年，熊蓉春等[7]以马来酸酐为原料，用水和碱使之水解生成马来酸盐，再以Cat A （过氧化物催化剂）和Cat B（钒系催化剂）为催化剂进行环氧化反应，生成环氧琥珀酸，最后以Cat C（稀土催化剂）为催化剂使之聚合，得到PESA。

2003年，熊蓉春等[8,9]直接以环氧琥珀酸为原料，成盐以后，用碳酸钙或者硫酸钙为引发剂进行聚合生成PESA。

3.2 两步合成法
2001年，王风云等[10]利用两步法合成了PESA，先用马来酸酐合成环氧琥珀酸盐，之后用丙酮洗涤沉淀干燥，配成2.0mol/L的溶液，在一定的温度下，分批加入引发剂Ca(OH)2，聚合得到PESA。

4 PESA的阻垢性能
4.1 PESA阻CaCO3垢的性能
白华萍等[11]用鼓泡法将PESA与常用阻垢剂HPMA、HEDP和PBTCA进行阻垢性能比较，结果如图1所示。

由图可以看出：PESA合成的产品比HEDP、HPMA具有更好的阻垢性能，但与PBTCA相比，PESA的阻垢性能稍差。

当PESA的投加量为10mg/L时，已经具有较好的阻垢性能。

4.2 PESA阻CaSO4垢的性能
雷武等[12]分析了PESA的阻CaSO4垢的性能，结果如表1所示。

分析结果表明：PESA 阻CaSO4垢的性能较为优异，比常用的阻垢剂的阻垢性能要好，在加药量大于10mg/L时，产生阈值现象使阻垢率达到100%。

4.3 PESA阻Ca3(PO4)2垢的性能
雷武等[12]同样评价了PESA阻磷酸钙的沉积能力，结果如表2。

表上可以得出，虽然PESA阻磷酸钙沉积的能力比有机膦酸类阻垢剂HEDP、PBTCA和均聚物PAA、HPMA都强，但是效果不是很理想。

4.4 PESA阻BaSO4、SrSO4垢的性能
侯振宇等[13]对PESA对硫酸锶和硫酸钡的阻垢性能做出了研究，结果如图2、3所示。

阻垢性能的测定是按照石油天然气行业标准SY/T5673-93进行的。

由曲线可以看出，PESA的投加量为80mg/L时，对硫酸锶垢的阻垢率可达100%；投加量为10mg/L时，对硫酸钡的阻垢率可达100%。

5 PESA的缓蚀性能
吕志芳等[14]采用旋转挂片失重法对PESA的缓蚀性能做出了评价。

实验结果如图4。

PESA具有一定的缓蚀性能，其缓蚀能力随药剂量的增加而增强，但其性能与其他有机膦酸缓蚀剂相比较差。

6 结语
PESA是一种绿色的水处理剂，它可生物降解，具有无磷、无氮结构，同时兼具阻垢和缓蚀两种功效，应用前景非常广阔。

目前国内对PESA的研究报道比较多，主要集中在研究PESA的阻垢性能上，对于其缓蚀以及机理等方面研究较少。

此外，PESA还可以和其他水处理药剂复配使用，以达到环保、高效、低成本、多功能的效果。

[参考文献]
[1] 詹亚力(ZHAN Ya-li)，郭绍辉(GUO Shao-hui)，吕荣湖(LV Rong-hu).高分子材料科学与
工程(Polymer Materials Science & Engineering). 2003, 19(5): 14~18.
[2] 胡晓斌. 绿色阻垢剂聚环氧磺羧酸的合成及其性能评定. 南京工业大学硕士论文,
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[3] Fuknmoto Y, Taniguchi T. JP 04166298,1991.
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[8] 熊蓉春，魏刚，周庆，等. CN1609131，2005 .
[9] 熊蓉春，魏刚，周庆，等. CN1609132，2005 .
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绿色阻垢剂聚环氧琥珀酸的合成与阻垢机理初探.化工学
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聚环氧琥珀酸的合成及其阻垢性能研究.工业用水与废水，
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[14] 吕志芳，董伟，夏明珠，等。

聚环氧琥珀酸的阻垢缓蚀性能研究。

工业水处理，2001，
3（21）:22~24.
表格
表1 加药量对PESA阻CaSO4垢的影响
表2 加药量对PESA阻Ca3(PO4)2垢的影响
图片
图1 阻垢剂投加量与阻垢率的关系
图2 PESA对硫酸锶垢的阻垢性能
图3 PESA对硫酸钡垢的阻垢性能
图4 加药量对缓蚀率的影响。