聚丙烯酰胺對(duì)磷酸鈣結(jié)垢的影響研究

荊國(guó)林,詹紹薇，王 敏

(1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；2.北京東方石油化工有限公司 有機(jī)化工廠，北京 102500)

聚丙烯酰胺在國(guó)外應(yīng)用最大的領(lǐng)域是水處理，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的應(yīng)用正在推廣。水處理包括原水處理、污水處理和工業(yè)水處理等[1]。聚丙烯酰胺形成的絮體強(qiáng)度高[2]，沉降性能好，從而提高固液分離速度，有利于污泥脫水，循環(huán)冷卻系統(tǒng)的防腐與防垢[3-4]。聚丙烯酰胺的使用可減少無(wú)機(jī)絮凝劑的用量，從而避免無(wú)機(jī)物質(zhì)在設(shè)備表面的沉積，減緩設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢[5-6]。目前，已有研究證明聚丙烯酰胺對(duì)工業(yè)循環(huán)冷卻設(shè)備表面的碳酸鈣垢、硫酸鈣垢、硫酸鋇垢的形成有抑制作用[7-8]，而對(duì)磷酸鈣垢的影響研究卻很少。作者研究部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)對(duì)磷酸鈣垢的形成影響，分別改變高相對(duì)分子質(zhì)量和低相對(duì)分子質(zhì)量φ(HPAM)、溫度、時(shí)間、pH值4個(gè)影響因素，測(cè)定剩余磷酸鈣溶液中ρ(Ca2+)的變化。通過(guò)分析ρ(Ca2+)隨因素變化的規(guī)律，進(jìn)而推斷出HPAM對(duì)磷酸鈣垢形成產(chǎn)生的影響，分別進(jìn)行考察，并做出細(xì)致的討論和分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氯化鈣：哈爾濱新達(dá)化工廠；十二水合磷酸氫二鈉：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、HPAM：分析純，黑龍江省阿城化工試劑廠；氫氧化鈉：天津市河北區(qū)海晶精細(xì)化工廠；鈣試劑：中國(guó)天津化學(xué)試劑三廠；碳酸鈣：天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心；硫酸鎂：天津市塘沽膨大化工廠；以上試劑均為分析純。

HH-S電熱恒溫水浴鍋：江蘇省醫(yī)療器械廠；ME303/02電子天平：上海梅特勒-托利中儀器有限公司；SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；DGG-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；酸性膠頭滴管、容量瓶、錐形瓶、移液管、洗耳球、燒杯等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別向2個(gè)250 mL錐形瓶中加入質(zhì)量濃度為28.5 g/L的Na3PO4溶液、質(zhì)量濃度為12.487 5 g/L的CaCl2溶液。向250 mL燒杯中加入20 mL蒸餾水，用移液管取5 mL CaCl2(49.95 mg/mL)溶液于燒杯中，用移液管另取5 mL Na3PO4(14 mg/mL)溶液于另一個(gè)燒杯中。分別向2個(gè)燒杯中加入HPAM溶液，再分別加適量蒸餾水，使反應(yīng)體系總體積為50 mL，搖勻。在同一溫度下的恒溫?cái)嚢杵鲾嚢?0 min后，將2個(gè)燒杯密封放置在一定溫度下的恒溫水浴中預(yù)熱20 min，取出，將2個(gè)燒杯溶液混合密封，將其置于同一溫度下恒溫10 h。重復(fù)上述步驟，不加入HPAM溶液的為空白樣試液。

1.3 分析標(biāo)準(zhǔn)

具體方法參照中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T26626—2008《水處理劑阻垢性能的測(cè)定-磷酸鈣沉積法》，GB/7476—87《水質(zhì)鈣的測(cè)定EDTA滴定法》，GB6913—2008《鍋爐用水和冷卻水分析方法和磷酸鹽的測(cè)定》，GB/T601—2002《化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》，GB/T6682—2008《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》。

2 不同相對(duì)分子質(zhì)量的HPAM對(duì)磷酸鈣形成的影響

2.1 低相對(duì)分子質(zhì)量的HPAM對(duì)磷酸鈣形成的影響

考察了低相對(duì)分子質(zhì)量800萬(wàn)HPAM對(duì)磷酸鈣形成的影響。選取φ(HPAM)=300×10-6，相對(duì)分子質(zhì)量為800萬(wàn)的HPAM，改變不同的影響因素測(cè)定溶液中的剩余ρ(Ca2+)，同時(shí)以蒸餾水替代HPAM測(cè)得剩余ρ(Ca2+)作為空白組。

不同φ(HPAM)對(duì)磷酸鈣形成的影響見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，HPAM的加入使溶液中剩余ρ(Ca2+)發(fā)生變化，空白組剩余ρ(Ca2+)皆高于加入HPAM的剩余ρ(Ca2+)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明：加入HPAM對(duì)磷酸鈣產(chǎn)生促進(jìn)作用，且隨著φ(HPAM)升高，相對(duì)分子質(zhì)量為800萬(wàn)的HPAM的加入對(duì)磷酸鈣的形成所產(chǎn)生的促進(jìn)作用先升高后降低，并在φ(HPAM)=100×10-6時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。

φ(HPAM)×10-6圖1 φ(HPAM)對(duì)磷酸鈣形成的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷酸鈣形成的影響見(jiàn)圖2。

t/h圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷酸鈣形成的影響

從圖2可以看出，在2～4 h，溶液中剩余ρ(Ca2+)逐漸降低，4～10 h溶液中的剩余ρ(Ca2+)開(kāi)始緩慢增加，并在反應(yīng)時(shí)間為10 h，達(dá)到最大值，10～14 h又逐漸降低，且整個(gè)過(guò)程中空白值皆比實(shí)驗(yàn)組剩余ρ(Ca2+)高，說(shuō)明加入HPAM后，對(duì)磷酸鈣結(jié)垢有促進(jìn)作用，且反應(yīng)時(shí)間為10 h，HPAM對(duì)磷酸鈣結(jié)垢的影響最大。

不同溫度對(duì)磷酸鈣形成的影響見(jiàn)圖3。

t/℃圖3 溫度對(duì)磷酸鈣形成的影響

由圖3可以看出，空白組的剩余ρ(Ca2+)皆高于加入HPAM組的剩余ρ(Ca2+)，因此加入HPAM對(duì)磷酸鈣結(jié)垢產(chǎn)生促進(jìn)作用，且當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，HPAM對(duì)磷酸鈣的影響最大。

加入φ(HPAM)=300×10-6、相對(duì)分子質(zhì)量為800萬(wàn)的HPAM，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaOH和HCl按照體積比1∶1混合，用混合后的溶液調(diào)節(jié)pH值，并在40 ℃條件下反應(yīng)10 h，放置冷卻后過(guò)濾滴定溶液中的剩余ρ(Ca2+)，以蒸餾水替代HPAM測(cè)得剩余ρ(Ca2+)作為空白組，見(jiàn)圖4。

pH圖4 pH值對(duì)磷酸鈣形成的影響

由圖4可以看出，在pH=7～9時(shí)，空白溶液中的剩余ρ(Ca2+)高于加入HPAM溶液中的剩余ρ(Ca2+)，對(duì)磷酸鈣有促進(jìn)作用，當(dāng)pH=10～12時(shí)，空白組的剩余ρ(Ca2+)低于加入HPAM溶液的剩余ρ(Ca2+)，因此HPAM的加入對(duì)磷酸鈣垢的形成有抑制作用。

2.2 高相對(duì)分子質(zhì)量HPAM對(duì)磷酸鈣形成的影響

考察了高相對(duì)分子質(zhì)量為2 500萬(wàn)的HPAM對(duì)磷酸鈣垢形成的影響。首先選取體φ(HPAM)=300×10-6，相對(duì)分子質(zhì)量為2 500萬(wàn)的HPAM，改變不同的影響因素測(cè)定溶液中的剩余ρ(Ca2+)，同時(shí)以蒸餾水替代HPAM測(cè)得剩余ρ(Ca2+)作為空白組。

不同的φ(HPAM)對(duì)磷酸鈣形成的影響見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，在加入高相對(duì)分子質(zhì)量的HPAM時(shí)，隨著所加入φ(HPAM)的升高，溶液中的剩余ρ(Ca2+)先升高后降低，并在φ(HPAM)=300×10-6時(shí)達(dá)到最大值，在整個(gè)過(guò)程中，空白組剩余ρ(Ca2+)皆高于加入HPAM的剩余ρ(Ca2+)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明：加入HPAM對(duì)磷酸鈣產(chǎn)生促進(jìn)作用，且隨著φ(HPAM)的升高，相對(duì)分子質(zhì)量為2 500萬(wàn)的HPAM的加入對(duì)磷酸鈣的形成所產(chǎn)生的促進(jìn)作用先升高后降低，并在φ(HPAM)=300×10-6時(shí)達(dá)到最強(qiáng)。

φ(HPAM)×10-6圖5 φ(HPAM)對(duì)磷酸鈣形成的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷酸鈣垢形成的影響見(jiàn)圖6。

t/h圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)磷酸鈣形成的影響

從圖6可以看出，在2～6 h，溶液中剩余ρ(Ca2+)不斷減少，反應(yīng)穩(wěn)定后，在6～12 h，溶液中剩余ρ(Ca2+)逐漸增加，在12～14 h，溶液中剩余ρ(Ca2+)下降，且整個(gè)過(guò)程中空白值皆比實(shí)驗(yàn)組剩余ρ(Ca2+)高，說(shuō)明加入HPAM后，對(duì)磷酸鈣結(jié)垢有促進(jìn)作用，且在12 h影響最大。

不同溫度對(duì)磷酸鈣垢形成的影響見(jiàn)圖7。

從圖7可以看出，在加入HPAM時(shí)，逐漸升高溫度導(dǎo)致溶液中剩余ρ(Ca2+)發(fā)生波動(dòng)，在60 ℃時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，之后，隨著溫度的持續(xù)升高，剩余ρ(Ca2+)逐漸降低，且在整個(gè)過(guò)程中，空白組剩余ρ(Ca2+)皆高于加入HPAM的剩余ρ(Ca2+)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出，加入HPAM對(duì)磷酸鈣結(jié)垢有促進(jìn)作用，且當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，HPAM對(duì)磷酸鈣的影響最大。

t/℃圖7 溫度對(duì)磷酸鈣形成的影響

首先加入φ(HPAM)=300×10-6、相對(duì)分子質(zhì)量為2 500萬(wàn)的HPAM，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaOH和HCl按照體積比1∶1混合，將混合后溶液調(diào)節(jié)至pH=7、8、9、10、11、12，并在40 ℃條件下反應(yīng)10 h，放置冷卻后過(guò)濾滴定溶液中的剩余ρ(Ca2+)，以考察在HPAM存在條件況下，不同pH值下對(duì)磷酸鈣垢的影響，同時(shí)以蒸餾水替代HPAM測(cè)得剩余ρ(Ca2+)作為空白組，見(jiàn)圖8。

pH圖8 pH值對(duì)磷酸鈣形成的影響

從圖8可以看出，在HPAM存在的條件下，不同的pH值對(duì)磷酸鈣垢的影響程度不同。隨著pH值的增大，溶液中剩余鈣濃度先逐漸減少，再趨于平穩(wěn)，隨后又出現(xiàn)增減，且在pH=7時(shí)，溶液中的剩余ρ(Ca2+)最高，對(duì)磷酸鈣的影響最大。

3 結(jié) 論

(1) 不同相對(duì)分子質(zhì)量的HPAM對(duì)磷酸鈣的形成存在影響。加入各種不同相對(duì)分子質(zhì)量的HPAM均導(dǎo)致溶液中剩余ρ(Ca2+)低于空白樣中剩余ρ(Ca2+)，表明了HPAM的加入對(duì)磷酸鈣的形成有促進(jìn)作用；

(2) 相對(duì)分子質(zhì)量為800萬(wàn)HPAM的加入，不同的φ(HPAM)對(duì)ρ(Ca2+)產(chǎn)生影響，當(dāng)φ(HPAM)=5×10-6，HPAM對(duì)ρ(Ca2+)的影響最小，并且在φ(HPAM)=300×10-6，溶液中剩余ρ(Ca2+)最高，對(duì)磷酸鈣影響最大；反應(yīng)時(shí)間為10 h，對(duì)磷酸鈣的促進(jìn)作用最大；反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，溶液中的剩余ρ(Ca2+)最高，對(duì)磷酸鈣的促進(jìn)作用最大；在相對(duì)分子質(zhì)量為800萬(wàn)的HPAM存在的條件下，不同pH值對(duì)磷酸鈣垢的影響沒(méi)有明顯規(guī)律，溶液pH=7～9，對(duì)磷酸鈣的形成有促進(jìn)作用，溶液的pH=10～12，對(duì)磷酸鈣的形成有抑制作用；

(3) 相對(duì)分子質(zhì)量為2 500萬(wàn)HPAM的加入，隨著所加入φ(HPAM)的升高，溶液中的剩余ρ(Ca2+)先升高后降低，并在φ(HPAM)=300×10-6時(shí)達(dá)到最大值；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液中的剩余ρ(Ca2+)先降低，再升高，后又減少，并在反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，溶液中的剩余ρ(Ca2+)最高，對(duì)磷酸鈣的影響最大；不同的反應(yīng)溫度對(duì)磷酸鈣的影響也不同，隨溫度的升高，溶液中的剩余ρ(Ca2+)先降低再升高，并在反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，說(shuō)明反應(yīng)溫度為60 ℃對(duì)磷酸鈣的影響最大；隨pH值的增大溶液中剩余ρ(Ca2+)先降低后趨于平穩(wěn)，并在pH=7時(shí)達(dá)到最大值，且對(duì)磷酸鈣的影響最大。

參 考 文 獻(xiàn)：

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