改性木薯淀粉阻磷酸鈣垢性能的研究

李云仙　付惠　雷然等

摘要：以木薯淀粉和丙烯酰胺為原料，以過硫酸銨-亞硫酸氫鈉（NH4）2S2O8-NaHSO3為引發(fā)體系，合成木薯淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物（SGA）。研究了共聚物（SGA）在不同水質(zhì)條件下對(duì)Ca3（PO4）2的阻垢性能，探討了共聚物濃度、恒溫溫度及恒溫時(shí)間等條件對(duì)Ca3（PO4）2阻垢性能的影響。結(jié)果表明，阻垢劑SGA濃度為55 mg/L時(shí)阻垢率最高，達(dá)96.1%。較長(zhǎng)的恒溫時(shí)間仍能保持較高的阻垢率，具有較高的時(shí)效性。SGA對(duì)介質(zhì)溫度的適應(yīng)范圍較寬，適合用于高溫用水系統(tǒng)中阻磷酸鈣垢。

關(guān)鍵詞：木薯淀粉；改性；阻垢；磷酸鈣

中圖分類號(hào)：TQ085 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）07-1534-03

在城市用水中，工業(yè)用水占80%以上，而在工業(yè)用水中，冷卻用水約占60%，因此節(jié)約冷卻用水就成為節(jié)約城市用水的關(guān)鍵。采用循環(huán)冷卻水處理技術(shù)，比直流冷卻水可節(jié)水97%以上，是節(jié)水的有效途徑。采用循環(huán)水冷卻方式后，隨著循環(huán)水的不斷濃縮，水中的難溶鹽離子如鈣、鎂、碳酸根和磷酸根會(huì)大大超過其飽和溶解度，易從水中沉淀析出形成垢。結(jié)垢降低水冷器的換熱效果或堵塞管路，腐蝕導(dǎo)致設(shè)備穿孔，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。阻垢分散劑能使成垢離子如鈣、鎂、碳酸根和磷酸根等穩(wěn)定于水中，在大大超過其飽和溶解度的條件下而不析出。阻垢劑主要是指能夠防止水垢和污垢產(chǎn)生或抑制其沉積生長(zhǎng)的化學(xué)類試劑，是工業(yè)水處理中必不可少的元素，可以用來延長(zhǎng)設(shè)備壽命并保證設(shè)備安全運(yùn)行[1]。聚合物作為阻垢劑已有20多年的歷史，最初使用的是低分子的均聚物。近年來研究表明，某些共聚物的綜合性能明顯優(yōu)于均聚物，開發(fā)和研制共聚物類阻垢分散劑是當(dāng)前各國(guó)水處理藥劑研究的熱點(diǎn)[2-6]。近年來，隨著人們對(duì)共聚物結(jié)構(gòu)及阻垢機(jī)理研究的深入，發(fā)現(xiàn)共聚物結(jié)構(gòu)與阻垢性能的關(guān)系極為密切[7]。共聚物中的羧基是阻碳酸鈣、硫酸鈣垢的主要官能團(tuán)[8]，而羥基酰胺基等對(duì)阻磷酸鈣垢有益。改性木薯淀粉是木薯淀粉與丙烯酰胺的接枝共聚物，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，在較高溫度下仍能保持良好的阻垢效果。目前尚無(wú)淀粉與丙烯酰胺接枝共聚物作為阻垢劑的報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料

儀器：數(shù)顯恒溫水浴箱（HWS-20江蘇太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠）；可見分光光度計(jì)（Unic7200尤尼柯（上海）儀器有限公司）；真空干燥箱（DZF-6030A上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；電子天平（AL204梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司）。試劑：無(wú)水氯化鈣﹑十水四硼酸鈉﹑磷酸二氫鉀﹑鉬酸銨﹑抗壞血酸﹑酒石酸銻鉀﹑硫酸﹑乙二胺四乙酸二鈉﹑氫氧化鉀均為分析純。

1.2 方法

1.2.1 改性木薯淀粉的合成 取一定量木薯淀粉放入裝有電動(dòng)攪拌器的250 mL三口燒瓶中，加入一定量去離子水，在通氮?dú)獾臈l件下，于恒溫水浴鍋中糊化30 min，糊化溫度為80 ℃，冷卻至反應(yīng)溫度。加入一定計(jì)量的丙烯酰胺攪拌一定時(shí)間，再加入過硫酸銨，緩慢滴加亞硫酸氫鈉，繼續(xù)攪拌至反應(yīng)時(shí)間。待反應(yīng)終止后，將反應(yīng)液冷卻至室溫，用無(wú)水乙醇沉淀產(chǎn)物。過濾、洗滌后于真空干燥箱中50 ℃干燥至恒重，得到接枝粗產(chǎn)物。定量稱取接枝粗產(chǎn)物，用索氏提取器以丙酮作為溶劑抽提24 h，除去均聚物，然后60 ℃真空干燥至恒量，得到純接枝共聚物（SGA）[9]。

1.2.2 阻磷酸鈣垢性能測(cè)定 試驗(yàn)方法均采用國(guó)標(biāo)的方法[10-12]。配制一定體積含Ca2+的水樣，用乙二胺四乙酸二鈉標(biāo)定，其濃度約含20 mg/mL Ca2+，加入含有一定濃度的PO43-溶液，在一定溫度條件下恒溫10 h，使磷酸鈣沉淀完全，然后采用磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定溶液中剩余的PO43-的吸光度，根據(jù)磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線通過吸光度可得到溶液中剩余離子的濃度，得出用作比較的空白試驗(yàn)值。在同樣組成的溶液中，加入一定量的木薯淀粉與丙烯酰胺的接枝共聚物，在相同溫度條件下恒溫10 h，測(cè)定其剩余PO43-濃度，所得數(shù)值與空白值的比值即為阻垢率，水中剩余的PO43-濃度越大則阻垢效果越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線

以測(cè)得的吸光度為縱坐標(biāo)、相對(duì)應(yīng)的PO43-濃度（mg/mL）為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1）。標(biāo)準(zhǔn)曲線在PO43-濃度為0～0.004 mg/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（y=166.25x+0.003 9，R2=0.999 4）。

2.2 阻垢劑濃度對(duì)阻垢效果的影響

水浴溫度為（80±1） ℃，恒溫靜置時(shí)間為10 h，改變阻垢劑（SGA）濃度，測(cè)定阻垢效果（圖2）。由圖2可知，阻垢率隨著阻垢劑（SGA）濃度的增加而上升，當(dāng)阻垢劑投加量達(dá)到45 mg/L時(shí)，再增加阻垢劑的濃度，阻垢率增加緩慢，幾乎不變，阻垢劑濃度為55 mg/L時(shí)阻垢率最高，達(dá)96.1%。

2.3 恒溫時(shí)間對(duì)阻垢效果的影響

水浴溫度為（80±1） ℃，阻垢劑SGA濃度為50 mg/L，改變恒溫靜置時(shí)間，測(cè)定阻垢效果（圖3）。由圖3可知，當(dāng)恒溫時(shí)間為5 h時(shí)阻垢率達(dá)到99.4%，隨著恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，阻垢率呈下降趨勢(shì)，而當(dāng)恒溫時(shí)間為14 h時(shí)阻垢率仍保持在84.0%以上。表明木薯淀粉接枝丙烯酰胺阻垢劑SGA在較短的時(shí)間內(nèi)即能達(dá)到良好的阻垢效果，即便延長(zhǎng)恒溫時(shí)間仍能保持較高的阻垢率，具有較高的時(shí)效性。

2.4 恒溫溫度對(duì)阻垢效果的影響

阻垢劑（SGA）濃度為50 mg/L，恒溫靜置時(shí)間為10 h，改變水浴溫度，測(cè)定阻垢效果。結(jié)果見圖4。由圖4可知，阻垢率隨恒溫溫度的升高而降低，當(dāng)恒溫溫度為50 ℃時(shí)阻垢率達(dá)97.8%；95 ℃時(shí)阻垢率為86.4%，降低了11.4個(gè)百分點(diǎn)。因?yàn)闇囟壬撸芤褐谐晒鸽x子運(yùn)動(dòng)速度也隨之增加；成垢幾率也隨之增大，而且溫度升高，接枝共聚物表面吸附的垢物脫附力增大。溫度從50 ℃增加至95 ℃，阻垢率仍能達(dá)到86.4%，表明木薯淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（SGA）對(duì)介質(zhì)溫度的適應(yīng)范圍較寬，適合作為高溫用水系統(tǒng)中阻磷酸鈣垢。

3 結(jié)論

1）通過研究阻垢劑濃度對(duì)阻垢效果的影響可知，阻垢率隨著阻垢劑SGA濃度的增加而上升，當(dāng)阻垢劑濃度增加到一定程度后，阻垢率增加緩慢，阻垢劑濃度為55 mg/L時(shí)阻垢率最高，達(dá)96.1%。

2）通過研究恒溫時(shí)間對(duì)阻垢效果的影響可知，隨著恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，阻垢率呈下降趨勢(shì)，但在較長(zhǎng)的恒溫時(shí)間（14 h）仍能保持較高的阻垢率（84.0%），具有較高的時(shí)效性。

3）通過研究恒溫溫度對(duì)阻垢效果的影響可知，阻垢率隨恒溫溫度的升高而降低，當(dāng)溫度升高至95 ℃，阻垢率仍能保持較高（86.4%），說明木薯淀粉接枝丙烯酰胺共聚物（SGA）對(duì)介質(zhì)溫度的適應(yīng)范圍較寬，適合作為高溫用水系統(tǒng)中阻磷酸鈣垢。

致謝：感謝西南林業(yè)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心大型儀器共享平臺(tái)提供檢測(cè)儀器。

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