CN102616946B - 一种可生物降解的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸共聚物的制备方法 - Google Patents

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本发明属于工业循环冷却水处理技术领域,具体涉及一种可生物降解的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸共聚物及其制备方法。本发明是以马来酸酐为原料,使之碱性水解生成顺丁烯二酸二钠盐,在催化剂作用下用双氧水氧化为环氧琥珀酸二钠盐;环氧琥珀酸二钠盐与丙烯酸、3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙烷磺酸单钠盐进行共聚得到了环氧琥珀酸/丙烯酸/3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙烷磺酸单钠盐共聚物。本发明缓蚀阻垢剂无磷、无氮、耐高温、可生物降解,是一种绿色环保型缓蚀阻垢剂。本发明所制备聚合物具有良好的阻垢性能和缓蚀性能,可广泛应用于循环冷却水、锅炉水、油田水、膜处理等领域的阻垢缓蚀处理,是一种性能优良的阻垢分散剂。

Description

一种可生物降解的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸共聚物的制备方法
技术领域
本发明属于工业循环冷却水处理技术领域,具体涉及一种可生物降解的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸共聚物的制备方法,它是一种含有羧酸基、羟基、磺酸基的聚醚化合物,属于无磷、无氮、耐高温、可生物降解的绿色环保型缓蚀阻垢剂,用于水质的缓蚀及阻垢处理。
背景技术
工业生产中冷却水的用量非常大,在循环冷却水系统中加入水处理剂,能有效地节约水资源,对节水、节能降耗、保证生产的正常运行、解决全球性的水资源枯竭问题发挥了十分重要的作用,但是同时循环水处理药剂的使用也给环境造成了一定的影响。
迄今为止,化学法处理循环冷却水己有近70年的历史,经历数次较大的发展,日益成熟。以缓蚀剂为主剂的水处理方案,已由最早的铬系配方、磷系配方发展到有机磷锌配方、全有机配方和铝系配方。处理方法由单一的抑制腐蚀的酸性法,过渡到以抑制结垢为主的碱性法,大约每十年为一个发展阶段。
在20世纪50年代,为了减少冷却水中的铬酸盐浓度,美国人利用协同效应的原理,在循环冷却水中采用了铬酸盐/磷酸盐等复合配方。几年后,铬酸盐/锌盐复合方案被采用,使铬酸盐在配方中的比例大大降低,循环水中铬酸盐浓度由200mg/L降低至20mg/L以下。到60年代初,美国基本上仍以这种配方为主,直到出现磷酸盐/锌盐复合配方,但都是在酸性条件下运行。
20世纪60年代,美国开发出水溶性聚合物与有机磷酸盐化合物(磷酸酯和膦酸盐)。1967年又开发出有机膦酸盐、聚合物和天然有机物复合的循环冷却水处理方案。这是较早提出的冷却水在碱性条件下抑制腐蚀和结垢的方法,这一技术上的突破,意义深远。
20世纪80年代,碱性膦酸盐方案已成熟,包括稳定磷酸钙专用聚合物的碱性磷酸盐方案大量使用和进一步改进,减少了磷酸盐投加量,更加适合环境保护要求。但是膦羧酸终归也是含磷的有机水处理剂,虽然因为它不宜自然水解(或分解)成正磷酸盐,曾被认为对水体的污染不大、是无毒的,但是由于水体本身的复杂性,有机膦酸盐、膦羧酸品种不同,水解(分解)时间有差异,但终究会分解为正磷酸盐而影响水体,导致水体富营养化。
此外聚羧酸类阻垢分散剂如聚丙烯酸、聚马来酸酐等聚合物虽然曾经使水处理技术取得了突破性进展。由于无磷、曾被认为是无毒、污染小、环境可接受的水处理药剂。但是这些毒性较低或无毒的水处理药剂,忽略了它们在环境中的长期累积而造成的潜在危害。因为近年来的研究成果表明:尽管多数聚羧酸阻垢分散剂毒性较低,但它们一般无法在微生物和真菌的作用下分解成简单的无毒物质,即无法生物降解或只能少量被生物降解,若在水体中那个长期富集,也将污染环境,尤其是在一些对环保要求比较严格的领域等。
因此进入20世纪90年代,美国、日本、德国等几家知名的水处理企业都相继开始致力开发一种能够替代聚羧酸,在具有优良的阻垢缓蚀性能的同时,又可被生物降解的“绿色环保”型水处理化学品。随着无磷、生物可降解缓蚀阻垢剂聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸的开发,“绿色缓蚀阻垢剂”的概念,已成为21世纪水处理药剂的发展方向。
PESA最先是由美国的prector&Gamblecompany公司和Betz公司分别于上世纪80年代末和90年代初所研究,Betz实验室的Brown J M等进行了PESA的静态阻CaCO3性能研究,以及静态阻Ca3(PO4)2的实验,此后日本及其他发达国家相继对聚环氧琥珀酸及其衍生物进行了细致的研究。在我国,熊蓉春教授及其学生首先开发了聚环氧琥珀酸。周娣采用一步法和二步法研究了聚环氧琥珀酸的合成工艺及催化剂,周庆对合成过程的控制方法进行了专题研究,并重点研究了聚环氧琥珀酸的缓蚀协同效应,许亚南研究了聚环氧琥珀酸的可生物降解性与其结构的关系,这些研究为聚环氧琥珀酸的进一步开发提供了基础依据。
聚环氧琥珀酸对碳酸钙、硫酸钙等无机钙垢有较好的抑制作用。另外,聚环氧琥珀酸对碳钢具有一定的缓蚀性能。聚环氧琥珀酸是目前世界公认的绿色水处理剂,无磷、无氮、生物降解性能好并适用于高碱、高金属含量水系。它兼具阻垢、缓蚀双重作用;很多文献都对不同的条件下合成的聚环氧琥珀酸的缓蚀效果、对CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4等垢的阻垢性能和可生物降解性等进行了分析和研究并已得出了令人满意的结论,但其制备过程偏复杂,并且对催化剂的要求很高,成本较高,且环氧琥珀酸类水处理剂的种类还比较单一,不够多样化,这就限制了环氧琥珀酸类水处理剂的应用。另外关于聚环氧琥珀酸其他性能的研究(如分散性能)尚未见报道,这在很大程度上限制了聚环氧琥珀酸的应用。
发明内容
本发明的目的在于选另外两种单体—丙烯酸、3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐来与环氧琥珀酸共聚,使共聚产物兼有缓蚀、阻垢分散双重性能。本发明是对环氧琥珀酸进行改性,提出一种新型的环氧琥珀酸的共聚物产品——一种可生物降解的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸共聚物的制备方法。
本发明提出的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物是将以马来酸酐为原料,使之碱性水解生成顺丁烯二酸二钠盐,在钨酸钠的催化下用双氧水氧化为环氧琥珀酸二钠盐;环氧琥珀酸二钠盐与丙烯酸、3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐进行共聚得到了环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物,该共聚物是一种具有羧酸基、羟基、磺酸基的聚醚类化合物,该缓蚀阻垢剂具有如下结构:
式中R1、R2、R3、R4为H+或水溶性阳离子Na+、K+、NH4 +中任一种,n表示聚合度,为1~50的整数;x为分子中马来酸酐的摩尔百分比、y为分子中3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的摩尔百分比,z为分子中丙烯酸的摩尔百分比,且x+y+z=100%,其中x为10%~40%,y为10%~40%,z为20%~80%。
本发明提出的缓蚀阻垢剂的制备方法,具体步骤如下:以马来酸酐和碱为原料,用去离子水溶解,在用量为反应物总重的0.5%~5%催化剂1作用下,反应温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中滴加30%的双氧水,至反应液pH为3~4,反应时间为1~10小时,反应合成中间体环氧琥珀酸;在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入催化剂2后,同时滴加丙烯酸和3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及引发剂,反应温度为70~100℃,搅拌,反应时间2~8小时,得到环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
本发明中,原料马来酸酐和碱的摩尔比为1∶1~1∶2.5。碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
本发明中,所述合成中间体的反应中,催化剂1添加量为反应物0.5%~5.0%。催化剂1为钨酸钠、钼酸铵或钒酸铵。
本发明中,所述聚合反应中,原料马来酸酐与丙烯酸的摩尔比为1∶1~1∶7,3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的添加量为丙烯酸量的5%~20%。
本发明中,所述聚合反应中,催化剂2添加量为反应物总重的1%~15%。催化剂2为次亚磷酸盐,为钾、钠或铵盐。
本发明中,所述聚合反应中,引发剂为过硫酸盐,钾、钠或铵盐,添加量为反应物总重的1%~15%。
本发明缓蚀阻垢剂不含磷,而且生物可降解,是一种绿色环保型的水处理药剂。本发明所制备的环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物可作为缓蚀阻垢分散剂,可广泛应用于循环冷却水、锅炉水、油田水、膜处理等领域的阻垢缓蚀处理,是一种性能优良的阻垢分散剂。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的内容,下面结合具体实施例做进一步的说明,但不局限于此。
实施例1:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入38.67g马来酸酐和15.78g氢氧化钾,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入1.21g催化剂1钼酸铵,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4。在温度60~90℃、搅拌条件持续反应1小时,反应合成中间体环氧琥珀酸。在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入22.13g催化剂次亚磷酸钾后,同时滴加134.95g丙烯酸和7.11g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及22.13g引发剂过硫酸铵,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应4小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例2:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入38.67g马来酸酐和20.45g氢氧化钠,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入1.67g催化剂1钨酸钠,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4。在温度60~90℃、搅拌条件持续反应2小时,反应合成中间体环氧琥珀酸。在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入20.81g催化剂2次亚磷酸铵后,同时滴加161.94g丙烯酸和8.525g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及20.81g引发剂过硫酸钾,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应4小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例3:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入58.0g马来酸酐和26.04g氢氧化钠,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入2.5g催化剂1钒酸铵,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4。在温度60~90℃、搅拌条件持续反应2小时,反应合成中间体环氧琥珀酸。在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入23.32g催化剂2次亚磷酸钠后,同时滴加158.54g丙烯酸和11.93g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及23.32g引发剂过硫酸钠,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应5小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例4:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入38.67g马来酸酐和25.25g氢氧化钠,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入1.67g催化剂1钨酸钠,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4。在温度60~90℃、搅拌条件持续反应3小时,反应合成中间体环氧琥珀酸。在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入12.09g催化剂2次亚磷酸铵后,同时滴加105.68g丙烯酸和7.95g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及19g引发剂过硫酸铵,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应3小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例5:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入116g马来酸酐和61.36g氢氧化钠,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入5.0g催化剂1钼酸铵,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4。在温度60~90℃、搅拌条件持续反应3小时,反应合成中间体环氧琥珀酸。在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入12.9g催化剂2次亚磷酸钠后,同时滴加232.63g丙烯酸和23.0g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及12.9g引发剂过硫酸钾,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应3小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例6:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入38.67g马来酸酐和31.56g碱,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入1.67g催化剂1钒酸铵,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4在温度60~90℃、搅拌条件持续反应4小时,反应合成中间体环氧琥珀酸;在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入14.08g催化剂2次亚磷酸钾后,同时滴加129.27g丙烯酸和12.78g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及18.1g引发剂过硫酸铵,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应5小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例7:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入38.67g马来酸酐和20.45g碱,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入1.67g催化剂1钨酸钠,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4在温度60~90℃、搅拌条件持续反应5小时,反应合成中间体环氧琥珀酸;在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入13.03g催化剂2次亚磷酸钠后,同时滴加76.26g丙烯酸和9.42g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及15.93g引发剂过硫酸钠,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应6小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例8:环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物的制备
向装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶中加入48.0g马来酸酐和30.68g碱,用去离子水溶解,当温度升至60~90℃加入2.5g催化剂1钼酸铵,然后在搅拌条件下,向溶液中缓慢滴加30%的双氧水,滴加完成后反应液的pH为3~4在温度60~90℃、搅拌条件持续反应5小时,反应合成中间体环氧琥珀酸;在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入15.16g催化剂2次亚磷酸钾后,同时滴加111.23g丙烯酸和16.62g3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及15.16g引发剂过硫酸钾,反应温度为70~100℃,搅拌条件下持续反应6小时,得到产物通过核磁共振技术检测,确定产物为环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
实施例9:性能测试实验
将实施例中得到的产物进行阻垢性能和缓蚀性能测试,方法如下:
碳酸钙的静态阻垢性能测试参照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5673-93—《油田用防垢剂性能评定方法》中抑制碳酸钙垢的性能试验进行。
碳酸钙的静态阻垢试验性能的测试方法为:向250ml容量瓶加入100ml浓度为1322mg/L的Ca2+溶液,加入30ppm的阻垢剂,摇匀后再加入100ml浓度2140mg/L的HCO3-溶液,用蒸馏水稀释到刻度,充分混匀,在控温水浴中70±2℃恒温25h,实验结束后测定容量瓶中钙离子浓度,同时做空白实验。
缓蚀性能的测试参照《中华人民共和国国家标准GB/T18175-2000,水处理剂缓蚀性能的测试——旋转管片法》采用RCC-Ⅱ型旋转挂片腐蚀测试仪上进行缓蚀性能实验,温度50℃,转速75r/min,不预膜挂片,试验时间72小时;碳钢试片:20#碳钢,50mm×25mm×2mm。缓蚀试验用水为陕西咸阳甲醇厂现场水,具体水质指标如表1所示:
表1咸阳甲醇厂水质
Figure GDA0000367402200000081
环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物性能测试实验结果见表2:
表2环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物性能测试结果
序号 阻垢率(%) 缓蚀率(%)
实施例1 40.32 8.26%
实施例2 59.26 24.79%
实施例3 55.43 29.75%
实施例4 62.14 29.75%
实施例5 66.54 30.15%
实施例6 89.31 42.18%
实施例7 94.56 57.02%
实施例8 78.26 47.58%
从表2的实验结果可以看出,本发明制备的聚合物环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物,能有效地阻止CaCO3的沉积,并且具有一定的缓蚀性能。

Claims (5)

1.一种可生物降解的缓蚀阻垢剂环氧琥珀酸共聚物的制备方法,其特征在于:以马来酸酐和碱为原料,用去离子水溶解,在用量为反应物总重的0.5%~5%催化剂1作用下,所述的催化剂1为钨酸钠、钼酸铵或钒酸铵之一,反应温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中滴加30%的双氧水,至反应液pH为3~4,反应时间为1~10小时,反应合成中间体环氧琥珀酸;在温度为60~90℃,搅拌条件下,向溶液中加入催化剂2后,所述的催化剂2为次亚磷酸钾、钠或铵盐之一,同时滴加丙烯酸和3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的混合溶液以及引发剂,反应温度为70~100℃,搅拌,反应时间2~8小时,得到环氧琥珀酸/丙烯酸/3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐共聚物。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:马来酸酐和碱的摩尔比为1∶1~1∶2.5,其中所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:马来酸酐与丙烯酸的摩尔比为1∶1~1∶7,3—烯丙氧基—2—羟基—1—丙烷磺酸单钠盐的添加量为丙烯酸重量的5%~20%。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:聚合反应中,催化剂2添加量为反应物总重的1%~15%。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:聚合反应中,所述的引发剂为过硫酸钾、钠或铵盐之一,添加量为反应物总重的1%~15%。
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