CN102766232A - 环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法 - Google Patents

环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型阻垢剂环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法，其是由环氧琥珀酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸在合适的条件下聚合而成。本发明方法得到的ESA/AA/AMPS三元共聚物与聚环氧琥珀酸相比，大大改善了其综合阻垢性能，对碳酸钙的阻垢效果与聚环氧琥珀酸基本相当，而阻磷酸钙垢、硫酸钙垢和稳锌能力均明显优于聚环氧琥珀酸。本发明制得的环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物是一种综合阻垢性能优良、无磷的新型水处理药剂，适用于高碱、高硬、高浓缩倍率循环水系、其应用前景十分广阔。

Description

环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法
技术领域
本发明属于工业水处理技术领域，具体涉及一种新型阻垢剂环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法。
背景技术
阻垢剂的发展主要经历了从天然高分子阻垢剂到磷类阻垢剂(包括有机膦和无机磷)，再到现在的有机聚合物及环保型阻垢剂的历程。目前，对于阻垢剂的研究正在随着科学技术的快速发展而不断地深入，且合成技术趋于成熟；在阻垢剂的功能、特点日趋完善的同时，药剂种类也在不断增加；在工业水处理需求及环保要求的推动下，对阻垢剂的要求越来越高，今后阻垢剂的发展方向是合成高效的、多功能的、环保的、一剂多效的阻垢剂。随着环境法规和标准日益严格及公众环保观念的增强，根据可持续发展的战略，研发无磷高效、具有生物降解性的、环境友好型的阻垢剂成为水处理领域的研究重点。
近几年，为适应环保的要求，水处理化学品市场也掀起一场“绿色革命”。开发可生物降解的“环境友好”型水处理化学品已越来越引人们的重视，成为21世纪水处理领域的一个重要研究和发展方向。绿色化学就是采用化学技术和方法，从根本上减少或消灭对环境或人体健康有害的原料、产物、副产物等的产生和应用。所谓绿色水处理剂，主要是指此水处理剂的制造过程是清洁的，在使用的过程当中对环境和人体健康没有毒性，并且可以生物降解的、对环境无毒害作用的水处理剂。目前，国内外研究较多的是聚环氧琥珀酸(PESA)阻垢剂。
聚环氧琥珀酸(PESA)是近年来开发的另一种新型“绿色阻垢剂”，其合成符合了发展绿色化学的要求。聚环氧琥珀酸不含磷、氮营养物质，在使用过程中不会出现水体富营养化现象；聚环氧琥珀酸所具有的另一特性是具有可生物降解性，这些特点特别符合近年来人类对于环境保护的思想理念。
在阻垢性能方面，聚环氧琥珀酸对碳酸钙具有良好的阻垢性，但对磷酸钙阻垢率较不理想，且其稳锌能力也较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时对碳酸钙垢、磷酸钙垢和硫酸钙垢具有较好的阻垢效果，且稳锌能力较好的新型阻垢剂环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法。
本发明采取的技术方案：
一种环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法，其步骤如下：
（1）在装有滴液漏斗、冷凝管、温度计和搅拌器的四口烧瓶中，加入环氧琥珀酸，用去离子水进行溶解至质量浓度为20~40%；
（2）将反应体系温度加热至80～90℃，用两个滴液漏斗分别同时滴加丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸水溶液的混合液和质量浓度为10%的催化剂水溶液，所述混合液中丙烯酸质量浓度为20~30%，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸质量浓度为15~25%，在2~3h内同时滴完，所述环氧琥珀酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1：0.5~1.5：0.5~0.8，所述催化剂为过硫酸铵，投加量为单体总量的4%~10%；
（3） 原料均投加完毕后，控制反应体系的温度为90～100℃，再搅拌1~3h，得到的淡黄色粘稠液体为反应最终产物。
所述环氧琥珀酸的制备方法如下：
（1） 称取0.2~0.4mol的马来酸酐，放入配有冷凝管、温度计、搅拌器和滴液漏斗的四口瓶中，加入40~60mL的去离子水溶解马来酸酐；
（2） 当马来酸酐溶解完全后，在冷却及恒速搅拌的条件下，将10~30mL 质量浓度为50%氢氧化钠溶液通过滴液漏斗滴加到马来酸酐水溶液中，30～50min滴完；
（3）滴完氢氧化钠溶液后，将系统温度升至50～70℃，加入马来酸酐质量0.5%~1.6%的钨酸钠催化剂，20min内以恒定速度滴完30～40mL质量浓度为30%的双氧水溶液，同时用50%的氢氧化钠调节反应体系的pH值在12~14之间，待pH稳定后将反应体系温度升至50~70℃，在此温度下反应2~3h，提纯、烘干后得环氧琥珀酸。
本发明制备的环氧琥珀酸的红外光谱图如图1所示，其中波数为1164.06cm-1、1563.79 cm-1、3467.53 cm-1特征吸收峰分别为归属于C-O-C（闭环）、—COO-和—COOH官能团。由此可推出，所得产物为环氧琥珀酸ESA；本发明制备的环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（ESA/AA/AMPS）共聚物的红外光谱图如图2所示，环氧键的消失说明环氧键断裂，发生开环反应。3420.21cm-1、1568.54 cm-1、1406.70 cm-1分别对应NH、C=O键、C-N键这说明酰胺基存在，在1193.79cm-1处是磺酸基的吸收峰；1313.27 cm-1则对应羧酸官能团。由此可知，此合成产物为ESA/AA/AMPS三元共聚物。
本发明得到的ESA/AA/AMPS三元共聚物与聚环氧琥珀酸相比，大大改善了其综合阻垢性能，对碳酸钙的阻垢效果与聚环氧琥珀酸（PESA）基本相当，而阻磷酸钙垢、硫酸钙垢和稳锌能力均明显优于聚环氧琥珀酸。
本发明制得的环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物是一种综合阻垢性能优良、无磷的新型水处理药剂，适用于高碱、高硬、高浓缩倍率循环水系、其应用前景十分广阔。
附图说明
图1为环氧琥珀酸的红外光谱图；
图2为ESA/AA/AMPS共聚物的红外光谱图。
具体实施方式
实施例1：制备环氧琥珀酸
（1） 称取0.2mol的马来酸酐，放入配有冷凝管、温度计、搅拌器和滴液漏斗的四口瓶中，加入40mL的去离子水溶解马来酸酐；
（2） 当马来酸酐溶解完全后，在冷却及恒速搅拌的条件下，将10mL质量浓度为 50%氢氧化钠溶液通过滴液漏斗滴加到马来酸酐水溶液中，40min滴完；
（3）滴完氢氧化钠溶液后，将系统温度升至50～70℃，加入马来酸酐质量1.5%的钨酸钠催化剂，20min内以恒定速度滴完40mL质量浓度为30%的双氧水溶液，同时用50%的氢氧化钠调节反应体系的pH值在12~14之间，待pH稳定后将反应体系温度升至50~70℃，在此温度下反应2h，提纯、烘干后得环氧琥珀酸。
实施例2：环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备
（1）在装有滴液漏斗、冷凝管、温度计和搅拌器的四口烧瓶中，加入环氧琥珀酸，用去离子水进行溶解至质量浓度为20%；
（2）将反应体系温度加热至80～90℃，用两个滴液漏斗分别同时滴加丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸水溶液的混合液和质量浓度为10%的催化剂水溶液，所述混合液中丙烯酸质量浓度为20%，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸质量浓度为25%，在2h内同时滴完，所述环氧琥珀酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1：0.5：0.5，所述催化剂为过硫酸铵，投加量为单体总量的4%；
（3） 原料均投加完毕后，控制反应体系的温度为90～100℃，再搅拌1h，得到的淡黄色粘稠液体为反应最终产物。
实施例3：环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备
（1）在装有滴液漏斗、冷凝管、温度计和搅拌器的四口烧瓶中，加入环氧琥珀酸，用去离子水进行溶解至质量浓度为30%；
（2）将反应体系温度加热至80～90℃，用两个滴液漏斗分别同时滴加丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸水溶液的混合液和质量浓度为10%的催化剂水溶液，所述混合液中丙烯酸质量浓度为25%，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸质量浓度为15%，在2h内同时滴完，所述环氧琥珀酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1：1：0.6，所述催化剂为过硫酸铵，投加量为单体总量的7%；
（3） 原料均投加完毕后，控制反应体系的温度为90～100℃，再搅拌3h，得到的淡黄色粘稠液体为反应最终产物。
实施例4环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备
（1）在装有滴液漏斗、冷凝管、温度计和搅拌器的四口烧瓶中，加入环氧琥珀酸，用去离子水进行溶解至质量浓度为40%；
（2）将反应体系温度加热至80～90℃，用两个滴液漏斗分别同时滴加丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸水溶液的混合液和质量浓度为10%的催化剂水溶液，所述混合液中丙烯酸质量浓度为30%，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸质量浓度为16%，在3h内同时滴完，所述环氧琥珀酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1：1.5：0.8，所述催化剂为过硫酸铵，投加量为单体总量的10%；
（3） 原料均投加完毕后，控制反应体系的温度为90～100℃，再搅拌2h，得到的淡黄色粘稠液体为反应最终产物。
阻垢性能测试
1、碳酸钙阻垢试验：参考GB/T 16632-2008标准“水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法”。实验条件：Ca2+的质量浓度为300mg/L（以Ca2+计，以下表示方法相同），HCO3 -的质量浓度为915mg/ L，在80℃水浴中恒温10h，用EDTA络合滴定法测定Ca2+含量，同时做空白试验。聚环氧琥珀酸和实施例2-4制得的ESA/AA/AMPS阻碳酸钙垢性能见表1。
表1  ESA/AA/AMPS与PESA阻碳酸钙垢性能对比试验
Figure 756191DEST_PATH_IMAGE002
2、磷酸钙阻垢试验：参照《中国石油化工总公司的冷却水分析和实验方法 磷酸钙沉积法》。实验条件：Ca2+的质量浓度为100mg/L，PO4 3-的质量浓度为5mg/L，pH=9，在80℃水浴中恒温10h，同时做空白试验。聚环氧琥珀酸和实施例2-4制得的ESA/AA/AMPS阻磷酸钙垢性能见表2。
表2 阻磷酸钙垢试验结果
3、硫酸钙阻垢试验条件：Ca2+的质量浓度为2000mg/L， SO4 2-的质量浓度为4800 mg/L。80℃水浴中恒温10h，调pH为7.2，同时做空白试验。聚环氧琥珀酸和实施例2-4制得的ESA/AA/AMPS阻硫酸钙垢性能见表3。
表3  阻硫酸钙垢性能试验结果
Figure 826970DEST_PATH_IMAGE006
4、稳锌性能评定实验：参照中国石油化工总公司的冷却水分析和实验方法。实验条件为：Zn2+的质量浓度为5mg/L，HCO3 -的质量浓度均为75mg/L，Ca2+的质量浓度为150mg/L，在80℃水浴中恒温10h，同时做空白试验。聚环氧琥珀酸和实施例2-4制得的ESA/AA/AMPS稳锌性能见表4。
 
表4 稳锌试验结果
Figure 284497DEST_PATH_IMAGE008

Claims (2)

1.一种环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法，其特征在于其步骤如下：
（1）在装有滴液漏斗、冷凝管、温度计和搅拌器的四口烧瓶中，加入环氧琥珀酸，用去离子水进行溶解至质量浓度为20~40%；
（2）将反应体系温度加热至80～90℃，用两个滴液漏斗分别同时滴加丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸水溶液的混合液和质量浓度为10%的催化剂水溶液，所述混合液中丙烯酸质量浓度为20~30%，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸质量浓度为15~25%，在2~3h内同时滴完，所述环氧琥珀酸、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1：0.5~1.5：0.5~0.8，所述催化剂为过硫酸铵，投加量为单体总量的4%~10%；
（3） 原料均投加完毕后，控制反应体系的温度为90～100℃，再搅拌1~3h，得到的淡黄色粘稠液体为反应最终产物。
2.根据权利要求1所述的环氧琥珀酸/丙烯酸/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物的制备方法，其特征在于所述环氧琥珀酸的制备方法如下：
（1） 称取0.2~0.4mol的马来酸酐，放入配有冷凝管、温度计、搅拌器和滴液漏斗的四口瓶中，加入40~60mL的去离子水溶解马来酸酐；
（2） 当马来酸酐溶解完全后，在冷却及恒速搅拌的条件下，将10~30mL质量浓度为50%氢氧化钠溶液通过滴液漏斗滴加到马来酸酐水溶液中，30～50min滴完；
（3）滴完氢氧化钠溶液后，将系统温度升至50～70℃，加入马来酸酐质量0.5%~1.6%的钨酸钠催化剂，20min内以恒定速度滴完30～40mL质量浓度为30%的双氧水溶液，同时用50%的氢氧化钠调节反应体系的pH值在12~14之间，待pH稳定后将反应体系温度升至50~70℃，在此温度下反应2~3h，提纯、烘干后得环氧琥珀酸。
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