多羧基聚醚阻垢剂的制备及其性能研究

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中国工业水体统中,60%~80%是循环冷却水。而循环水中非常容易形成钙垢,并沉淀在换热器或输水管道中,这会严重影响循环冷却水的换热效率,并导致用水量增加。为了节约水资源,提高能源利用率,水垢处理技术应运而生,其中,添加阻垢剂是目前最常见的一种方法。  本论文以探索新型聚醚类绿色阻垢剂为目的,在综合参考和研究国内外最新绿色阻垢剂相关文献的基础上,成功制备出了一种多羧基马来酸酐封端无磷无氮环保型聚醚阻垢剂-丙烯酸/烯丙基聚氧乙烯羧酸盐共聚物阻垢剂(APEY/AA)。文中通过红外和核磁表征验证了APEY/AA的制备过程,并根据相应的国标对APEY/AA的阻垢性能、分散性能和缓蚀性能进行了系统的测试。最后,通过对钙垢的分析表征,探讨了APEY/AA的阻垢过程和作用机理。  首先,用马来酸酐对烯丙基聚氧乙烯醚(APEG)进行羧基封端酯化,合成了烯丙基聚氧乙烯醚羧酸盐(APEY),随后以APEY与丙烯酸(AA)进行共聚反应,制备了无磷无氮羧酸共聚物阻垢剂APEY/AA。红外(FT-IR)和核磁氢谱(1H-NMR)分析表明,酯化反应成功在APEG末端枝接上马来酸分子,APEY/AA共聚完全。  然后,利用静态阻垢法,系统地研究了APEY/AA的阻垢性能。APEY/AA在最佳合成工艺下,投加至8 mg·L-1的临界值时能达到80%的碳酸钙阻垢率,投加至3 mg·L-1的临界值时能达到95%的硫酸钙阻垢率,投加至6 mg·L-1的临界值时能达到近100%的磷酸钙阻垢率。APEY/AA能在比国标条件苛刻的水质中使用,其性能优于市场上大部分阻垢剂,且与其他类型的阻垢剂和杀菌剂具有良好的复配性能。APEY/AA是阴极抑制型缓蚀剂,具有良好的缓蚀性能,在投加量为30 mg·L-1时达到阈值效应的临界值,并有超过70%的缓蚀率。APEY/AA与锌盐、聚膦酸盐缓蚀剂和杀菌剂的二元复配性能优异,最高都能超达到80%以上的缓蚀率。  通过SEM、TEM、XRD等分析手段,进行了碳酸钙,硫酸钙和磷酸钙的钙垢表面形貌和晶体结构的分析。通过钙垢表征发现,APEY/AA的加入成功改变对钙垢的形貌,晶型和晶体结构,使得原本光滑整齐的表面变得粗糙,原本质地紧密坚硬的水垢变成疏松的软垢。APEY/AA的阻垢机理为格畸变和螯合分散两种机理的共同作用。在成核阶段主要通过晶格畸变作用使得钙垢的晶核无法正常生长;在晶体生长阶段只要通过羧酸基团的螯合作用,使得钙离子形成可溶性较高的螯合物,从而使钙垢分散在循环水中,随水流冲走,从而达到阻垢的作用。
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