CN102674567B - 一种环保型枝状聚醚阻垢分散剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)涉及一种无磷、非氮且可生物降解的环保型枝状聚醚阻垢分散剂及其制备方法,属于水处理剂制备与应用范畴,适用于循环冷却水系统,尤其适用于高钙冷却水水质。以聚醚羧酸反应单体与含乙烯基不饱和双键单体进行自由基共聚而得,其结构通式为:其中:A是含乙烯基不饱和双键单体共聚后的重复结构单元,聚合度x为1~5000,聚合度y为1~5000,重复单元m为1~100。该阻垢分散剂可生物降解,并具有优异的阻Ca3(PO4)2、CaCO3、CaSO4垢效果,同时有良好的分散性能,是一种环境友好的聚醚多功能水处理剂。
Description
技术领域
本发明涉及一种无磷、非氮可生物降解的环保型聚醚阻垢分散剂及其制备方法,属于阻垢分散剂制备与应用范畴,适用于工业冷却水循环系统,尤其适用于高钙冷却水水质。
背景技术
在工业冷却水循环系统中Ca2+、Mg2+、Ba2+和少量其它阳离子如Fe2+、 Fe3+、Cu2+、A13+、Zn2+等,也有SO4 2-、CO3 2-、OH-、HCO3 -、PO4 3-、SiO3 2-等成垢阴离子大大超过其饱和溶解度,易从水中沉淀析出形成水垢。阻垢剂是能够防止水垢和污垢产生或者抑制其沉积生长的化学药剂,目前国内外在有机聚合物类阻垢剂研究方面主要集中在有机多元磷酸类阻垢剂和聚羧酸类阻垢剂,Calgon公司在分子中引入醚键,开发了多氨基多醚亚甲基膦酸(PAPEMP),其亲水性优越,能够同时阻止碳酸钙垢、磷酸钙垢,也具有较高的钙容忍度,但其结构中富含P元素,长期使用会造成水体的富营养化。另外,HEDP、PBTC等因为相对分子质量较小(< 600),功能基团较少,对磷酸钙垢和氧化铁颗粒的抑制和分散作用差,在含有高钙和高铁的水质中易形成难溶于水的有机磷酸钙和有机磷酸铁,影响了它的应用。另一类研究较多的水处理剂为无磷羧酸类水处理剂,如聚丙烯酸(PAA)、聚环氧琥珀酸(PESA)等,虽然美国专利5062962和US5147555表明PESA对CaCO3和CaSO4有较好的阻垢效果,但对阻磷酸钙的效果和分散铁的能力较差。美国Betz公司在2003年推出新一代磺酸盐共聚物AA–APES (丙烯酸–烯丙氧基聚乙氧基硫酸盐共聚物),其阻Ca3(PO4)2 的效率明显提高,AA–APES对水硬度、悬浮物、温度有更高的承受力,是新一代阻Ca3(PO4)2垢的无磷水处理剂,但APES中仍然含有引起水源富营养化的氮元素且阻硫酸钙垢效果较差。中国发明专利
ZL200710019339.6则公开了一种无磷的烯丙氧基聚醚阻垢剂及其制备方法,但该阻垢剂制备过程中会产生大量难以处理的无机废盐,易造成二次污染而增加其工业化应用成本,因此开发低磷或无磷非氮的绿色多功能水处理剂日益成为国内外关注的焦点和热点,本发明采用环氧丙醇开环绿色反应工艺制得聚醚反应单体,进而制备了一种无磷非氮且可生物降解的环保型枝状聚醚阻垢分散剂。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)及其制备方法,该阻垢分散剂可生物降解,并具有优异的阻Ca3(PO4)2、CaCO3、CaSO4垢效果,同时有良好的分散性能,是一种环境友好的聚醚多功能水处理剂。
技术方案:本发明的阻垢分散剂(APELL)是以聚醚反应单体与含乙烯基不饱和双键单体进行自由基共聚而得,其结构通式为:
其中:A是含乙烯基不饱和双键单体共聚后的重复结构单元,聚合度x为1~5000, 聚合度y为1~5000,重复单元数m为1~100。
上述的一种环保型枝状聚醚阻垢分散剂的制备方法为:
在N2氛下,以烯丙基聚乙二醇单醚质量为基准,将将烯丙基聚乙二醇单醚和0.5~2倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的强碱加入反应釜中,在N2氛下,20~120℃碱化1~5h后,加入0.5~10倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的环氧丙醇, 50~150℃下反应1~10h,得聚醚反应单体。将温度调至50~95℃后,加入0.2~5倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的含乙烯基不饱和双键单体、0.1~5倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的水,混匀后滴加质量百分浓度为5%~60%的无机引发剂水溶液,无机引发剂的加入量为0.01~0.5倍烯丙基聚乙二醇单醚质量,0.5~6h滴完,滴完后继续在50~95℃下反应0.5~10h,冷至室温,制得5~80wt%环保型枝状聚醚阻垢分散剂。
上述的一种环保型枝状聚醚阻垢分散剂的制备方法中所述的含乙烯基不饱和双键单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、马来酸、衣康酸、富马酸、丙烯酸羟甲酯、甲基丙烯酸羟甲酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯、丙烯酸羟己酯、马来酸单甲酯、马来酸单乙酯、马来酸单异丙酯、马来酸异丁酯、马来酸单叔丁酯、马来单稀丙酯、富马酸单甲酯、富马酸单乙酯、富马酸单丙酯、富马酸二羟丙酯或富马酸单丁酯的一种或多种的组合。
上述的强碱为NaOH、KOH、CH3ONa、C2H5ONa的一种或者多种的组合。
上述的无机引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、偏重亚磺酸钠、偏重亚磺酸钾、过磺酸钠、过磺酸钾或过氧化氢中的一种或者多种的组合。
有益效果:本发明的环保型枝状聚醚阻垢分散剂具有以下优异性能:
(1)该环保型枝状聚醚阻垢分散剂不含磷、氮等富营养元素,具有良好的生物降解性能,是一种新型的环保型水处理剂。其制备工艺绿色环境友好,合成过程采用安全、价廉的水作为反应溶剂,采用“一锅煮”反应方式,无需分离,操作简单方便、生产成本较低。
(2)该环保型枝状聚醚阻垢分散剂结构中含有亲水性强的聚醚基团,以及含有较多能与钙离子螯合的羟基、羧酸根离子,对工业循环冷却水系统中磷酸钙、碳酸钙、硫酸钙垢有高效的抑制作用,是一种多功能水处理剂,尤其适合在高钙冷却水水质中应用,并且对氧化铁具有好的分散作用。
(3)该环保型枝状聚醚阻垢分散剂的配伍性好,可与有机磷酸盐、锌盐缓蚀剂等水处理剂复配使用,也可单独使用。
本发明的静态阻Ca3(PO4)2垢实验按中国石油化工总公司《冷却水分析和实验方法》实验402(GB 50050-95)进行;阻垢性能测试实验中的碳酸钙、硫酸钙阻垢率的计算按照《中华人民共和国石油天然气行业标准—SY/T5673-1993》进行;分散Fe(Ⅲ)沉积实验按陆建民在《工业水处理》1991年06期上的《冷却水处理剂分散铁沉积能力的评定》进行,表征分散Fe(Ⅲ)性能用含Fe(III)溶液的透光率表示,透光率越低表示分散Fe(Ⅲ)的性能越好。
具体实施方式
实例1:在N2保护的反应釜中加入120g烯丙基聚乙二醇单醚,加入10gNaOH于65℃下碱化3h后,加入60g环氧丙醇于80℃下反应6h;将温度调至75℃后,加入100g丙烯酸、100g水,混匀后滴加过硫酸钾(15g)(溶于100g水),3h滴加完毕后,升温至80℃继续反应5h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得的APELL在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达99.9%,对CaCO3阻垢率为92.1%,对CaSO4阻垢率为96.8%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为15.2%。
实例2:在N2保护的反应釜中加入100g烯丙基聚乙二醇单醚,加入20gKOH于55℃下碱化3h后,加入50g环氧丙醇于80℃下反应6h;将温度调至75℃后,加入100g马来酸酐、220g水,混匀后滴加过硫酸钾(10g)(溶于180g水),2h滴加完毕后,升温至90℃继续反应4h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为8mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达99.6%,对CaCO3阻垢率为90.5%,对CaSO4阻垢率为95.3%。,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为17.1%。
实例3:在N2保护的反应釜中加入180g烯丙基聚乙二醇单醚,加入25gCH3 CH2ONa于55℃下碱化3h后,加入180g环氧丙醇于80℃下反应8h;将温度调至75℃后,加入80g丙烯酸、80g马来酸酐、200g水,混匀后滴加过硫酸钾(5g)、过硫酸钠(10g)混合物(溶于240g水),3h滴加完毕后,升温至80℃继续反应6h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达97.4%,对CaCO3阻垢率为90.3%,对CaSO4阻垢率为95.8%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为15.6%。
实例4:在N2保护的反应釜中加入 200g烯丙基聚乙二醇单醚,加入35g NaOH于65℃下碱化2h后,加入100g 环氧丙醇于80℃下反应8h;将温度调至70℃后,加入100g富马酸、280g水,混匀后滴加过硫酸钾(10g)、过硫酸钠(10g)、偏重亚磺酸钠(10g)混合物(溶于200g水),4h滴加完毕后,升温至80℃继续反应8h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达96.8%,对CaCO3阻垢率为95.7%,对CaSO4阻垢率为98.2%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为16.1%。
实例5:在N2保护的反应釜中加入100g烯丙基聚乙二醇单醚,加入16gNaOH于90℃下碱化2h后,加入100g环氧丙醇于80℃下反应8h;将温度调至80℃后,加入100g丙烯酸羟甲酯、380g水,混匀后滴加过硫酸钾(10g)、过硫酸钠(10g)混合物(溶于260g水),1.5h滴加完毕后,升温至95℃继续反应6h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达99.6%,对CaCO3阻垢率为90.9%,对CaSO4阻垢率为98.7%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为16.3%。
实例6:在N2保护的反应釜中加入100g烯丙基聚乙二醇单醚,加入20gNaOH于70℃下碱化2h后,加入150g环氧丙醇于80℃下反应6h;将温度调至60℃后,加入100g丙烯酸羟甲酯、200g水,混匀后滴加过硫酸钾(5g)、过硫酸钠(10g)混合物(溶于150g水),3h滴加完毕后,升温至80℃继续反应6h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达98.3%,对CaCO3阻垢率为87.2%,对CaSO4阻垢率为95.5%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为14.8%。
实例7:在N2保护的反应釜中加入100g烯丙基聚乙二醇单醚,加入20gKOH于60℃下碱化2h后,加入150g环氧丙醇于80℃下反应6h;将温度调至60℃后,加入50g丙烯酸、80g衣康酸、40g甲基丙烯酸羟乙酯、300g水,混匀后滴加过硫酸钾(5g)、过硫酸钠(5g)混合物(溶于150g水),3h滴加完毕后,升温至80℃继续反应6h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达99.8%,对CaCO3阻垢率为91.6%,对CaSO4阻垢率为98.7%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为15.1%。
实例8:在N2保护的反应釜中加入300g烯丙基聚乙二醇单醚,加入50g KOH于80℃下碱化4h后,加入300g环氧丙醇于70℃下反应8h;将温度调至80℃后,加入50g甲基丙烯酸、30g马来酸酐、60g富马酸、350g水,混匀后滴加过硫酸钾(10g)、过硫酸钠(20g)混合物(溶于200g水),4h滴加完毕后,升温至80℃继续反应8h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达98.6%,对CaCO3阻垢率为90.7%,对CaSO4阻垢率为97.5%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为16.3%。
实例9:在N2保护的反应釜中加入200g烯丙基聚乙二醇单醚,加入30gCH3ONa于60℃下碱化3h后,加入200g环氧丙醇于60℃下反应8h;将温度调至80℃后,加入60g甲基丙烯酸、60g富马酸二羟丙酯、280g水,混匀后滴加过硫酸钾(10g)、过硫酸钠(10g)、过磺酸钾(5g)混合物(溶于200g水),4h滴加完毕后,升温至80℃继续反应8h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达97.6%,对CaCO3阻垢率为91.7%,对CaSO4阻垢率为94.5%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为18.1%。
实例10:在N2保护的反应釜中加入160g烯丙基聚乙二醇单醚,加入20g CH3ONa于70℃下碱化3h后,加入100g环氧丙醇于60℃下反应8h;将温度调至80℃后,加入50g甲基丙烯酸、30g富马酸二羟丙酯、30g富马酸单丁酯、280g水,混匀后滴加过硫酸钾(10g)、过硫酸钠(10g)、过磺酸钾(10g)混合物(溶于300g水),4h滴加完毕后,升温至80℃继续反应8h,降至室温后,制得环保型枝状聚醚阻垢分散剂(APELL)。
所得APELL阻垢剂在投加量为6mg/L时,对Ca3(PO4)2阻垢率可达99.2%,对CaCO3阻垢率为91.9%,对CaSO4阻垢率为96.5%,表征分散铁性能的含Fe(III)溶液的透光率为14.8%。
Claims (5)
2.一种如权利要求1所述的环保型枝状聚醚阻垢分散剂的制备方法,其特征在于该制备方法为:
在N2氛下,以烯丙基聚乙二醇单醚质量为基准,将烯丙基聚乙二醇单醚和0.5~2倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的强碱加入反应釜中,20~120℃碱化1~5h后,加入0.5~10倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的环氧丙醇,50~150℃下反应1~10h,得聚醚反应单体;将温度调至50~95℃后,加入0.2~5倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的含乙烯基不饱和双键单体、0.1~5倍烯丙基聚乙二醇单醚质量的水,混匀后滴加质量百分浓度为5%~60%的无机引发剂水溶液,无机引发剂的加入量为0.01~0.5倍烯丙基聚乙二醇单醚质量,0.5~6h滴完,滴完后继续在50~95℃下反应0.5~10h,冷至室温,制得5~80wt%环保型枝状聚醚阻垢分散剂。
3.根据权利要求2所述的一种环保型枝状聚醚阻垢分散剂的制备方法,其特征在于所述的含乙烯基不饱和双键单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸、马来酸、富马酸、丙烯酸羟甲酯、甲基丙烯酸羟甲酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟丙酯、丙烯酸羟丁酯、丙烯酸羟己酯、马来酸单甲酯、马来酸单乙酯、马来酸单异丙酯、马来酸异丁酯、马来酸单叔丁酯、马来单稀丙酯、富马酸单甲酯、富马酸单乙酯、富马酸单丙酯、富马酸二羟丙酯或富马酸单丁酯的一种或多种的组合。
4.根据权利要求2所述的环保型枝状聚醚阻垢分散剂的制备方法,其特征在于该所述的强碱为NaOH、KOH、CH3ONa、C2H5ONa的一种或者多种的组合。
5.根据权利要求2所述的环保型枝状聚醚阻垢分散剂的制备方法,其特征在于所述的无机引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、偏重亚磺酸钠、偏重亚磺酸钾、过磺酸钠、过磺酸钾或过氧化氢中的一种或者多种的组合。
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