水解聚马来酸酐(HPMA)的合成工艺

水解聚马来酸酐(HPMA)的合成工艺

摘要：水解聚马来酸酐（HPMA）对CaCO3和Ca3(P04)2的阻垢效果好，是非常适合工业循环冷却水的阻垢剂；本工艺合成水解聚马来酸酐（HPMA）反应时间短、操作简单、成本低、绿色无污染；所用催化剂及引发剂价兼易得、用量少、活性高；该工艺工序较为简单，安全系数较高，生产周期较短，能耗较低，产量较高，有利于批量生产；原材料利用率高、无污染环境的废物产生。

关键词：水解聚马来酸酐；阻垢；水处理；

1、理论依据

以《应用化工》、《21世纪水处理剂发展战略[J ]环境工程》为依据。

2、反应原理

反应式：见右式。

其合成原理是：在引发剂、催化剂作用下将马来酸酐分子内不饱和双键断裂，从而自身发生聚合反应生成水解聚马来酸酐。

3、生产工艺简介

由于马来酸酐碳碳双健的电子云密度低、空间位阻大，难以均聚，是合成反应的瓶颈。目前主要有三种方法可以生产聚马来酸酐：1、辐射聚合法，它需要一个辐射源设备，条件高，多用于科学研究，在工业上应用基本没有。2、有机溶剂聚合法，该法采用偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰等为引发剂，用苯、甲苯、二甲苯等为有机溶剂，早期合成聚马来酸酐的工业化生产，多采用此法，此法的缺点是由于有机溶剂的使用和回收，能耗大且易燃易爆，工艺复杂，引发剂价格昂贵且用量较大，造成生产成本高。3、水溶液聚合法，该法以水代替有机溶剂，优点是消除了苯类有机溶剂潜在的危险，安全卫生，工艺简化，但缺点是引发剂用量大，需要合适的催化剂，目前已经有一些工业化的生产。通过实验研究，找到一类廉价易得的有效催化剂，通过实验室合成和工业试生产证明了水溶液聚合法工艺已经成熟，能够合成出符合国家标准的产品。

4、产品合成实验过程

本实验主要是温度及回流时间的控制，这两项因素控制得成功与否决定了产品的质量：

4.1温度控制

将顺酐、水、硫酸铁铵加入四口瓶后开始升温，保持其他条件不变，反应1小时，将温度分别取80、90、100、110、120℃，实验中发现，当温度到达105℃

时经化验产品各项指标均超过国家标准：产品的外观为棕红色透明药剂、密度为1.22g/cm3（国家标准为 1.18g/cm3）、固体含量53%（国家标准为48%），在105--110℃时产品各项指标基本不变，超过110℃时，投加双氧水反应剧烈并且喷出瓶外，实验无法进行。所以，为了节约时间及能源，最高控制温度试验点取为105℃。得到产品指标随温度的变化情况如表1：

表1 产品指标随反应温度变化

4.2回流（反应）时间控制

当温度达到105℃后开始缓慢滴加过氧化氢，保温回流反应。根据资料：反应温度105℃左右时回流理论时间为60-90分钟，我们在实验室将回流时间从60、70、80、90取了4个点进行实验，发现反应时间为70-80分钟时已经得到棕红色产品水解聚马来酸酐。经过检测，产品指标均达到最好，所以，反应时间定在75分钟。产品指标随反应时间变化情况如表2：

表2 产品指标随反应时间变化

结论：该实验反应温度为105℃；反应时间为75分钟。

为了更加接近生产，我们将反应温度控制在105℃，反应时间控制在75分钟又进行了工业化中试实验，中试产品的各项指标经过检测均超过了国家标准。

5、产品阻垢效果实验

本工艺目的是合成能够应用于生产的合格产品，为了检验其对生产的适用性，我们在实验室做了产品的模拟生产阻垢实验，取回用工业补充水进行动态阻垢实验，对实验室产品、外买某公司产品、终试产品同步进行阻垢实验，经实验，产品阻垢率分别为96.6%、95.8%、97.4%。这说明本产品性能合格，可以适应生产需要。

6、工业化生产流程

本课题如果正式实施，需要建一条生产线：

6.1厂房：本生产流程比较简洁，要求不高，厂房面积不需很大。

6.2设备：本生产线设计使用一个500L的反应釜。反应釜由釜体、釜盖、夹套、搅拌器、传动装置、轴封装置、支承等组成，含电加热装置和冷凝回流装置，使用压力：0.2～0.4Mpa，使用温度为0～200℃。

6.3操作：本工艺操作简单，具体如下：a、加料及反应过程：由操作人员将原料马来酸酐从反应釜的加料孔一次性加入，再加入定量的水和催化剂，接着打开电加热升高温度到100℃，停止电加热，打开阀门缓慢滴双氧水，控制反应温度为105℃，75分钟后，反应结束；b、出产品：产品合成结束后，自然冷却到室温，打开反应釜下端的出料口出料；c、产品装置：由于本产品产量不大，用25L的塑料桶装置就可。

6.4 存储：本产品显酸性，所以可以用塑料罐存储。设计存储一个月，存储量为125÷12=10.4吨，产品密度以1.22g/m³计，通过了解，一个3m³的塑料罐价值1000元，则10.4÷3÷1.22=2.84只，即需要4个塑料罐（其中一个备用），价值4000元。

7、经济核算：

通过生产，每生产1吨水解聚马来酸酐需要原材料成本3555.2元，水电能源动力费用126.2元，人工成本720元，设备成本（以10年折旧计算）12.2元，合计总成本4413.6元。以每吨7200元/吨（含票价）销售，同时扣除附加税及管理成本，可达到利润每年20.6万元。

8、结论：

本工艺操作简单、投入少、见效快，是一个成功的合成工艺方法，而且利润可观，而且可以根据市场情况，适当增加反应釜容量从而增加产品产量以进一步增加效益。

参考文献

[1]熊蓉春.绿色化学与21世纪水处理剂发展战略[J]环境工程,2000

[2]张洪利.魏丹.徐飞.蔡鹏.张家梁水解聚马来酸酐的最新合成工艺研究-应用化工2008

[3]严瑞宣水溶性高分子应用化工,1998