衣康酸共聚物與靜電場(chǎng)的協(xié)同阻垢效應(yīng)

李?；?，閆美芳，張利輝，李曉輝，劉振法

（1. 河北省科學(xué)院 能源研究所，河北 石家莊 050081；2. 河北省工業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081）

精細(xì)化工

衣康酸共聚物與靜電場(chǎng)的協(xié)同阻垢效應(yīng)

李?；?，2，閆美芳1，2，張利輝1，2，李曉輝1，2，劉振法1，2

（1. 河北省科學(xué)院 能源研究所，河北 石家莊 050081；2. 河北省工業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081）

以衣康酸（IA）、丙烯磺酸鈉（SAS）和次亞磷酸鈉（SHP）為單體，合成兼具阻垢、緩蝕和分散性能的衣康酸共聚物（IA/ SHP/SAS）；考察了IA/SHP/SAS與靜電場(chǎng)的協(xié)同阻垢性能。靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)靜電電壓為5 kV、水浴溫度為60 ℃、IA/SHP/SAS加入量為8 mg/L時(shí)，阻垢率提高了20.7%；動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地下水經(jīng)靜電場(chǎng)（溫度40 ℃）處理后，阻垢率提高了12.6%。經(jīng)靜電場(chǎng)處理后，水垢中的文石型CaCO3含量明顯增多；靜電場(chǎng)與IA/SHP/SAS協(xié)同作用，加強(qiáng)了IA/SHP/SAS對(duì)CaCO3晶體的扭曲和分散作用，提高了CaCO3的溶解度。IA/SHP/SAS對(duì)A3碳鋼的緩蝕率最高可達(dá)93.1%，分散Fe2O3時(shí)（IA/SHP/ SAS加入量為30 mg/L）溶液的透光率為65.7%，28 d時(shí)的生物降解率為69.5%，說(shuō)明IA/SHP/SAS是可生物降解的阻垢緩蝕劑。

衣康酸共聚物；可生物降解；阻垢緩蝕劑；協(xié)同阻垢效應(yīng)；靜電場(chǎng)

隨著各國(guó)對(duì)工業(yè)排污的限制和人類(lèi)環(huán)保意識(shí)的提高，阻垢劑正在向無(wú)磷、可生物降解、環(huán)保高效的方向發(fā)展［1-3］。衣康酸（IA）是一種由淀粉經(jīng)生物發(fā)酵合成的單體，含有不飽和雙鍵，可與丙烯酸、丙烯腈、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、苯乙烯磺酸鈉等進(jìn)行共聚，得到多種衣康酸共聚物［4-6］。20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始出現(xiàn)關(guān)于衣康酸聚合物作為阻垢分散劑的研究報(bào)道［7-10］。與常用的丙烯酸類(lèi)和馬來(lái)酸類(lèi)聚合物相比，衣康酸聚合物的阻垢效果較差，且大部分性能單一，不具有緩蝕和分散性能。

靜電水處理技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種物理水處理技術(shù)［11-14］，不但能阻垢，還能促進(jìn)管道中老垢的溶脫。對(duì)于靜電場(chǎng)的阻垢機(jī)理，較主要的一種觀點(diǎn)認(rèn)為［15］：靜電水處理的阻垢作用是由于靜電場(chǎng)使水分子中正電荷重心與負(fù)電荷重心間的距離增大，從而使水分子的偶極矩和極性增大，這樣的活性水分子與溶液中的鹽類(lèi)離子的水化作用增強(qiáng)，使水垢的溶解度增大，生成的水垢中文石型CaCO3晶體的含量增加。

本工作以IA、丙烯磺酸鈉（SAS）和次亞磷酸鈉（SHP）為單體，通過(guò)向IA的分子鏈中同時(shí)引入膦基和磺酸基，合成一種兼具阻垢、緩蝕和分散性能的衣康酸共聚物（IA/SHP/SAS）。將該共聚物與靜電水處理聯(lián)合使用，考察了兩者間的協(xié)同阻垢性能，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的CaCO3晶體進(jìn)行表征；考察了IA/SHP/SAS的緩蝕、分散和生物降解性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

SAS：工業(yè)品，山東淄博張店向陽(yáng)化工廠；IA：工業(yè)品，濟(jì)南華明生化有限公司；SHP和NaHCO3：分析純，天津市紅巖化學(xué)試劑廠；硫酸亞鐵銨：分析純，北京化學(xué)試劑三廠；異丙醇：分析純，天津博迪化工股份有限公司；雙氧水（w=30%）：分析純，天津百世化工有限公司；CaCl2·2H2O：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 IA/SHP/SAS的合成和表征

在裝有回流冷凝器、滴液漏斗、溫度計(jì)和攪拌器的四口瓶中，依次加入52 g IA、13 g SAS、3 g硫酸亞鐵銨、5 mL異丙醇和50 mL水，升溫?cái)嚢柚镣耆芙?。溫度升?0 ℃后，滴加雙氧水和SHP水溶液（雙氧水20 mL，SAS 8.45 g），因反應(yīng)劇烈放熱，應(yīng)緩慢滴加，一般在1.5～2.0 h滴完。滴加完畢后，升溫至100 ℃，在回流狀態(tài)下繼續(xù)反應(yīng)1.5 h。反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫出料，反應(yīng)產(chǎn)物即為IA/ SHP/SAS。反應(yīng)方程見(jiàn)式（1）。

采用PerKinElmer 公司SP100型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定產(chǎn)物的骨架結(jié)構(gòu)，掃描范圍400～4 000 cm-1；將產(chǎn)物配成0.1%（w）的硫氰酸鈉溶液，采用上海良晶玻璃儀器廠1835型烏氏黏度計(jì)測(cè)定溶液的黏度，測(cè)定溫度（30±0.3） ℃，并根據(jù)式（2）計(jì)算產(chǎn)物的特性黏數(shù)［η］［16］：

式中，ηsp為增比黏度，ηsp= （t-t0）/t0；ηr為相對(duì)黏度，ηr= t/t0；ρ為試液的質(zhì)量濃度，g/dL；t0為硫氰酸鈉溶液流過(guò)黏度計(jì)的時(shí)間，s；t為試液流過(guò)黏度計(jì)的時(shí)間，s。

根據(jù)Mark-Houwink經(jīng)驗(yàn)公式，用［η］計(jì)算產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量（M）：

式中，K = 1.51×10-3，α = 0.82［16］。

1.3 實(shí)驗(yàn)水樣

用去離子水將CaCl2和NaHCO3配成實(shí)驗(yàn)水樣（配制水），其中，Ca2+質(zhì)量濃度600 mg/L，質(zhì)量濃度600 mg/L。配制水在靜電水處理器（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）中循環(huán)流動(dòng)2 h，靜電電壓5 kV，流速0.01 m/s，得到的水樣稱(chēng)為靜電水。

圖1 靜電水處理器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of electrostatic water treatment apparatus.

動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)中使用的水樣為地下水，主要成分及其含量：總硬度 （以CaCO3計(jì)）773 mg/L，Ca2+質(zhì)量濃度（以CaCO3計(jì)）558 mg/L，總堿度（以CaCO3計(jì)）321 mg/L，Cl-質(zhì)量濃度（以Cl-計(jì)）205 mg/L。

緩蝕實(shí)驗(yàn)中使用的水樣為自來(lái)水，主要成分及其含量：總硬度294 mg/L，Ca2+質(zhì)量濃度187 mg/L，總堿度135 mg/L，Cl-質(zhì)量濃度96 mg/L。

1.4 靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)

在靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)中，采用蒸發(fā)濃縮實(shí)驗(yàn)法評(píng)定阻垢劑的阻垢性能［17］。具體步驟：取750 mL實(shí)驗(yàn)水樣置于1 000 mL燒瓶中，放入恒溫水浴鍋中，在一定溫度下蒸發(fā)濃縮至500 mL，然后轉(zhuǎn)移到500 mL容量瓶中（用去離子水補(bǔ)齊到刻度線），將容量瓶重新放回水浴鍋中靜置到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。從計(jì)時(shí)開(kāi)始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，水浴時(shí)間共10 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取上層清液，用乙二胺四乙酸溶液滴定其中的Ca2+質(zhì)量濃度。靜態(tài)濃縮阻垢率（η1）按式（4）計(jì)算：

式中，ρ0為不加阻垢劑時(shí)加熱濃縮后溶液中的Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；ρ1為加入阻垢劑時(shí)加熱濃縮后溶液中的Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；ρ2為不加阻垢劑、不加熱時(shí)水樣中的Ca2+質(zhì)量濃度，mg/L；濃縮倍數(shù)為1.5。

1.5 動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)

使用高郵市新郵儀器廠DGC-Ⅱ型動(dòng)態(tài)污垢監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)熱交換器上污垢熱阻的變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加入阻垢劑的地下水先經(jīng)過(guò)靜電水處理器，再流過(guò)熱交換器，水垢析出附著在傳熱管的換熱面上。動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)條件：靜電電壓5 kV，流速0.01 m/s，溫度40 ℃，時(shí)間10 h。污垢熱阻（Rd）按式（5）計(jì)算［18］：

式中，F(xiàn)為傳熱面積，m2；R為電熱元件的電阻，?；V為電熱元件兩端的電壓，V；ΔTw1為結(jié)垢前電熱元件的外壁溫度，K；ΔTw2為結(jié)垢后電熱元件的外壁溫度，K。

動(dòng)態(tài)阻垢率（η2）由式（6）計(jì)算：

式中，R′d為加入阻垢劑時(shí)的污垢熱阻，m2·K/W；Rd為空白實(shí)驗(yàn)的污垢熱阻，m2·K/W。

1.6 水垢的表征

在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，在水槽中放置玻璃載玻片，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出載玻片，在40 ℃的烘箱中烘干，用FEI公司Inspect S50型掃描電子顯微鏡觀測(cè)水垢的形貌；收集水槽中的水垢，烘干后用理學(xué)公司Ultima Ⅳ型X射線衍射儀分析垢樣的晶型，Cu靶，Ni濾波，管電壓40 kV，管電流40 mA，掃描范圍2θ = 20o～60o，掃描速率5（o）/min。

1.7 緩蝕性能的測(cè)試

按照GB/T 18175—2000［19］進(jìn)行緩蝕性能測(cè)試。使用高郵市新郵儀器廠RCC-1型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)儀，溫度45 ℃，旋轉(zhuǎn)速率75 r/min，時(shí)間72 h，試片為A3碳鋼試片（50 mm×25 mm×2 mm）。腐蝕率和緩蝕率分別根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算：

式中，m為實(shí)驗(yàn)后試片的質(zhì)量，g；m0為實(shí)驗(yàn)前試片的質(zhì)量，g；A為試片的表面積，28 cm2；D為試片的密度，7.850 g/cm3；t為實(shí)驗(yàn)時(shí)間，72 h；X0為試片在空白實(shí)驗(yàn)中的腐蝕率，mm/a；X1為試片在加藥劑實(shí)驗(yàn)中的腐蝕率，mm/a；X2為緩蝕率。

1.8 分散Fe2O3性能的測(cè)試

用去離子水將CaCl2和硫酸亞鐵銨配成實(shí)驗(yàn)水樣，其中，Ca2+質(zhì)量濃度150 mg/L，F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度10 mg/L。取500 mL水樣，加入一定量的藥劑，用四硼酸鈉調(diào)節(jié)溶液pH=9。強(qiáng)烈攪拌15 min后，在50℃的恒溫水浴中放置5 h，冷卻至室溫后取上層溶液，用上海光學(xué)儀器廠724型可見(jiàn)分光光度計(jì)在450 nm下測(cè)定其透光率，透光率越小表明分散效果越好（以蒸餾水做參比，其透光率為100%）。

1.9 生物降解性能的測(cè)試

采用搖床實(shí)驗(yàn)法研究IA/SHP/SAS的生物降解性能。實(shí)驗(yàn)步驟：先制備接種物，取100 g花園土溶于1 000 mL蒸餾水中，充分?jǐn)嚢?，沉? h后過(guò)濾，棄去上層濾液200 mL，其余作為接種物備用。在錐形瓶中加入含一定量IA/SHP/SAS的溶液500 mL，接種物1 mL，用棉塞封住瓶口，放置在20 ℃的搖床內(nèi)振蕩，按照GB/T 15456—2008［20］，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的第1，7，14，21，28 d測(cè)定試樣的化學(xué)需氧量（COD）。降解率（D）按式（9）計(jì)算：

式中，ρt為t時(shí)刻含有IA/SHP/SAS的接種反應(yīng)液中實(shí)際測(cè)得的COD值，mg/L；ρbt為t時(shí)刻空白實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的COD值，mg/L；ρ0為含有IA/SHP/SAS的接種反應(yīng)液中實(shí)際測(cè)得的COD值，mg/L；ρb0為空白實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)得的COD值，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 IA/SHP/SAS的表征結(jié)果

合成IA/SHP/SAS的反應(yīng)物和產(chǎn)物的FTIR譜圖見(jiàn)圖2。在反應(yīng)物SAS的FTIR譜圖中，1 646 cm-1處為C=C鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 193 cm-1處為C—S鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 051 cm-1處為S=O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰。在反應(yīng)物IA的FTIR譜圖中，1 704 cm-1處為C=O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 631 cm-1處為C=C鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰。在產(chǎn)物IA/SHP/SAS的FTIR譜圖中，3 438 cm-1處為羧基中 O—H 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 686 cm-1處為 C=O 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 403 cm-1處為C—P 鍵的振動(dòng)吸收峰；1 270 cm-1處為 P=O 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 137 cm-1處為磺酸鹽中S=O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；995 cm-1處為 P—O 鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；796， 620 cm-1處為 C—S鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 646 cm-1處C=C鍵的特征吸收峰消失，這說(shuō)明IA與SAS單體充分進(jìn)行了共聚反應(yīng)。由以上分析可知，合成的IA/ SHP/SAS中含有羧酸基、磺酸基和膦基。

IA/SHP/SAS溶液的黏度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可看出，3次平行測(cè)定的結(jié)果一致性較高，說(shuō)明該方法所得的數(shù)據(jù)較為可靠。IA/SHP/SAS的［η］= 0.887，由此計(jì)算得其相對(duì)分子質(zhì)量為2 381。

圖2 SAS（a），IA（b），IA/SHP/SAS（c）的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of SAS（a），IA（b）and IA/SHP/SAS（c）.

表1 IA/SHP/SAS溶液的黏度Table 1 Viscosity of IA/SHP/SAS solution

2.2 靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 靜電電壓對(duì)阻垢率的影響

為提高IA/SHP/SAS的阻垢性能，先用靜電場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)水樣（配制水）進(jìn)行處理，再將IA/SHP/SAS應(yīng)用于靜電水中。采用靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)考察了靜電電壓對(duì)IA/SHP/SAS阻垢性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 靜電電壓對(duì)阻垢率的影響Fig.3 Effects of electrostatic voltage on the scale inhibition rate.

從圖3可看出，隨靜電電壓的增加，阻垢率增加；當(dāng)靜電電壓增至5 kV、加藥量（即IA/SHP/ SAS加入量）為8 mg/L時(shí)，阻垢率從69.0%提高到89.7%，提高了20.7%。這說(shuō)明IA/SHP/SAS與靜電場(chǎng)之間存在協(xié)同阻垢效應(yīng)。但當(dāng)靜電電壓增至7 kV時(shí)，阻垢率的增幅不大。這說(shuō)明，對(duì)于水質(zhì)硬度為600 mg/L的配制水，較低的靜電電壓就能達(dá)到較好的處理效果。因此，靜電電壓選擇5 kV即可。

2.2.2 水浴溫度對(duì)阻垢性能的影響

考察了不同水浴溫度下IA/SHP/SAS的阻垢性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可看出，隨水浴溫度的升高，配制水和靜電水中的阻垢率均呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樽韫竸┑奈绞欠艧岱磻?yīng)，水浴溫度的升高使得阻垢劑的吸附能力減弱。此外，IA/SHP/SAS在靜電水中的阻垢率均高于相同水浴溫度和相同加藥量時(shí)配制水中的阻垢率。在靜電水中80 ℃時(shí)的阻垢率與配制水中60 ℃時(shí)的阻垢率相當(dāng)。這說(shuō)明，IA/SHP/ SAS與靜電場(chǎng)的協(xié)同作用，適用于更高溫度的水處理?xiàng)l件。

圖4 水浴溫度對(duì)阻垢率的影響Fig.4 Effects of the water bath temperature on the scale inhibition rate.

2.3 動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考察了IA/SHP/SAS在地下水和靜電地下水中的動(dòng)態(tài)阻垢性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5可看出，加入IA/SHP/SAS后，污垢熱阻明顯減小。實(shí)驗(yàn)時(shí)間10 h時(shí)，地下水的污垢熱阻為16.1×10-4m2·k/W；加入IA/SHP/SAS后，污垢熱阻為2.3×10-4m2·k/ W，阻垢率為85.7%。地下水經(jīng)靜電場(chǎng)處理后再加入IA/SHP/SAS時(shí)，污垢熱阻為0.3×10-4m2·k/W；阻垢率為98.3%，比地下水中提高了12.6%。

圖5 污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of fouling resistance with time.

2.4 水垢的表征結(jié)果

動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)中，不同水樣生成水垢的SEM圖像見(jiàn)圖6。

圖6 動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)中生成水垢的SEM圖像Fig.6 SEM images of scales formed in different water samples.

從圖6a可看出，地下水中生成的水垢主要由成簇的針狀文石型CaCO3顆粒和菱面體狀方解石型CaCO3顆粒構(gòu)成，由此可知，地下水中生成的水垢主要由方解石型和文石型CaCO3構(gòu)成。當(dāng)?shù)叵滤?jīng)靜電處理后（見(jiàn)圖6b），水垢中的菱面體狀顆?；鞠?，水垢顆粒間更分散。當(dāng)?shù)叵滤屑尤隝A/SHP/SAS后（見(jiàn)圖6c），水垢完全轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙铑w粒，邊緣較光滑。

這主要是因?yàn)镮A/SHP/SAS對(duì)CaCO3的晶格畸變作用［21］，即IA/SHP/SAS分子鏈會(huì)吸附在晶體的活性增長(zhǎng)點(diǎn)上，抑制晶格向一定方向生長(zhǎng)。當(dāng)靜電地下水中加入IA/SHP/SAS后（見(jiàn)圖6d），水垢量大幅減少，只在玻璃基底上得到一些不成形的污漬。這說(shuō)明靜電場(chǎng)與IA/SHP/SAS協(xié)同作用，加強(qiáng)了IA/ SHP/SAS對(duì)CaCO3晶體的扭曲和分散作用，提高了CaCO3的溶解度。

不同水樣中生成水垢的XRD譜圖見(jiàn)圖7。從圖7可見(jiàn)，地下水中生成的水垢（見(jiàn)譜線a）具有方解石型CaCO3和文石型CaCO3的特征衍射峰，其中2θ=29.58o處為方解石型CaCO3的特征衍射峰，對(duì)應(yīng)于（104）晶面；2θ=26.20o，27.17o處為文石型CaCO3的特征衍射峰，對(duì)應(yīng)于（111）晶面和（021）晶面。地下水經(jīng)靜電場(chǎng)處理后（見(jiàn)譜線b），方解石型CaCO3的特征衍射峰消失，只觀察到文石型CaCO3的衍射峰，該結(jié)果與SEM表征結(jié)果相符。說(shuō)明靜電場(chǎng)有利于文石型CaCO3的生成，抑制了方解石型CaCO3的生成。地下水中加入IA/SHP/SAS后（見(jiàn)譜線c），XRD譜圖中只出現(xiàn)方解石型CaCO3的衍射峰，說(shuō)明圖6d中的球狀水垢顆粒為方解石型CaCO3。靜電地下水加入IA/SHP/SAS后（見(jiàn)譜線d），CaCO3晶型仍為方解石型，基線開(kāi)始變粗糙，衍射峰強(qiáng)度降低。說(shuō)明靜電場(chǎng)和IA/SHP/SAS協(xié)同作用時(shí)，限制了水垢晶體晶面的生長(zhǎng)，水垢的結(jié)晶度降低。

圖7 動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)中生成水垢的XRD譜圖Fig.7 XRD spectra of scales formed in different water samples.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和水垢的表征結(jié)果說(shuō)明，靜電場(chǎng)的阻垢作用主要來(lái)源于靜電場(chǎng)對(duì)HCO3-和水分子的誘導(dǎo)變形。由于靜電水處理器中產(chǎn)生的是一個(gè)正電場(chǎng)，體積較大的HCO3-更易極化變形，HCO3-與Ca2+結(jié)合生成少量CaCO3晶核。同時(shí)水分子被誘導(dǎo)變形成活性水分子，吸附在晶核周?chē)?，使晶核可穩(wěn)定存在。在未加入IA/SHP/SAS的情況下，晶核將快速長(zhǎng)大生成沉淀。由于靜電場(chǎng)促進(jìn)了晶核的生成，為晶體生長(zhǎng)提供了能量，使得水垢中能量較高的亞穩(wěn)態(tài)文石型CaCO3的含量增加。在加入IA/ SHP/SAS時(shí)，IA/SHP/SAS分子鏈和活性水分子吸附在晶粒的活性生長(zhǎng)點(diǎn)上，抑制了晶格的正常生長(zhǎng)。

2.5 緩蝕性能

IA/SHP/SAS對(duì)A3碳鋼緩蝕率的影響見(jiàn)圖8。

從圖8可看出，隨加藥量的增加，IA/SHP/ SAS的緩蝕效果顯著提高；在加藥量為60 mg/L時(shí)，IA/SHP/SAS對(duì)A3碳鋼的緩蝕率為93.1%，緩蝕效果明顯。

圖8 IA/SHP/SAS對(duì)A3碳鋼緩蝕率的影響Fig.8 Effect of IA/SHP/SAS on the corrosion inhibition rate of A3 carbon steel.

2.6 分散Fe2O3性能

IA/SHP/SAS分散Fe2O3的性能見(jiàn)圖9。從圖9可見(jiàn)，當(dāng)加藥量超過(guò)20 mg/L后，水樣透光率顯著下降；當(dāng)加藥量為30 mg/L時(shí)，水樣透光率僅為65.7%。說(shuō)明IA/SHP/SAS對(duì)Fe2O3有較好的分散性能。

圖9 IA/SHP/SAS分散Fe2O3的性能Fig.9 Effect of IA/SHP/SAS on the dispersion of Fe2O3.

2.7 生物降解性能

IA/SHP/SAS的生物降解性能見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，IA/SHP/SAS的降解率提高；7 d時(shí)降解率為52.2%；28 d時(shí)降解率達(dá)69.5%。說(shuō)明IA/SHP/SAS易生物降解。

圖10 IA/SHP/SAS的生物降解性能Fig.10 Biodegradation rate of IA/SHP/SAS.

3 結(jié)論

1）使用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)，考察了IA/SHP/ SAS與靜電場(chǎng)的協(xié)同阻垢性能。靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Ca2+質(zhì)量濃度為600 mg/L的水樣中，當(dāng)靜電電壓為5 kV、水浴溫度為60 ℃、加藥量為8 mg/L時(shí)，IA/SHP/SAS的阻垢率提高了20.7%。動(dòng)態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地下水經(jīng)靜電場(chǎng)（溫度40 ℃）處理后，IA/SHP/SAS的阻垢率提高了12.6%。

2）水垢的SEM和XRD表征結(jié)果顯示，地下水經(jīng)靜電場(chǎng)處理后，水垢中的文石型CaCO3含量明顯增多。靜電場(chǎng)與IA/SHP/SAS協(xié)同作用，加強(qiáng)了IA/ SHP/SAS對(duì)CaCO3晶體的扭曲和分散作用，提高了CaCO3的溶解度。

3）除了阻垢性能外，IA/SHP/SAS還具有緩蝕、分散和可生物降解性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IA/ SHP/SAS對(duì)A3碳鋼的緩蝕率最高可達(dá)93.1%，分散Fe2O3時(shí)（IA/SHP/SAS加入量為30 mg/L）溶液的透光率為65.7%，28 d時(shí)生物降解率為69.5%。IA/ SHP/SAS是一種可生物降解的環(huán)保型阻垢緩蝕劑。

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（編輯 安 靜）

Synergistic Scale Inhibition of Itaconic Acid Copolymer and Electrostatic Field

Li Haihua1，2，Yan Meifang1，2，Zhang Lihui1，2，Li Xiaohui1，2，Liu Zhenfa1，2
（1. Institute of Energy Resources，Heibei Academy of Sciences，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2. Hebei Academy of ScienceHebei Engineering Research Center for Water Saving in Industry，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

An itaconic acid copolymer with scale inhibition，corrosion inhibition and dispersion was synthesized. The synergistic scale inhibition of the copolymer（IA/SHP/SAS） with electrostatic field was studied. The results of the static experiments showed that，under the conditions of electrostatic voltage 5 kV，water bath temperature 60 ℃ and the copolymer dosage 8 mg/L，the static scale inhibition rate was enhanced by 20.7%. In the dynamic experiments，after treatment with electrostatic f eld（40 ℃），the scale inhibition was enhanced by 12.6% and the content of aragonite type CaCO3in the scale increased obviously. The synergism of IA/SHP/SAS with the electrostatic f eld could improve the distorting and dispersing effects of IA/SHP/SAS on CaCO3crystals，and then the solubility of CaCO3was enhanced. It was showed that，under the synergistic effect，the corrosion inhibition rate to A3 carbon steel was 93.1% and the light transmittance of the solution with dispersed Fe2O3was 65.7%（IA/SHP/SAS dosage 30 mg/L）. The biodegradation rate of IA/SHP/SAS was 69.5% in 28 d.

itaconic acid copolymer；biodegradation；corrosion and scale inhibitor；synergistic scale inhibition；electrostatic f eld

1000 - 8144（2014）12 - 1415 - 07

TQ 085.4

A

2014 - 07 - 15；［修改稿日期］ 2014 - 08 - 27。

李?；ǎ?979—），女，河北省河間市人，博士，助理研究員，電話 13784383035，電郵 c.t.0205@sina.com。聯(lián)系人：劉振法，電話 0311 - 83031008，電郵 lzf63@sohu.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21376062）；河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（13254006D）。