CN104250378A - 聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物及其合成方法,包括以下步骤:先以马来酸酐和尿素为原料进行缩聚反应,得到干燥的聚琥珀酰亚胺(PSI);然后将上述自制的聚琥珀酰亚胺缓缓加入二乙烯三胺和水的混合溶液中,进行接枝反应;反应结束,调节pH值至中性,并将反应液缓慢滴入一定体积的乙醇中,得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,洗涤沉淀2~3次,真空干燥24h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物(PASP/DETA)。本发明所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物绿色高效、可降解,降低了工业用水的二次污染和富营养化等问题,并且具有突出的阻碳酸钙垢、磷酸钙的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种水处理剂及其合成方法,尤其涉及一种聚天冬氨酸共聚物水处理剂及其合成方法。
背景技术
目前环境问题日益严重,水环境污染以及水资源紧缺已经严重影响了社会的发展与进步。近年来,随着工业化的步伐不断加快,工业用水量逐年增加,水资源短缺的问题日益突显,已成为影响人类生存发展的首要问题。国家提倡节能减排,大力发展循环经济,逐步构建节约型的产业结构和消费结构,形成绿色产业技术体系,“绿色化”无疑是21世纪水处理剂的发展趋势。
工业冷却水的有效循环使用不仅可以节约大量的水资源,从源头上有效降低或减少高浓度循环水排放对环境造成的严重污染,为工农业的可持续发展提供不可或缺的资源支持,而且可以有效防止设备产生结垢、腐蚀现象,确保系统安全、高效运行。
工业循环水处理主要由化学方法来完成,绿色水处理剂的研究已经经历了几十年的发展,由于成本高、性能单一、协同作用性能不理想等原因,严重影响了它的工业普及与应用。目前由于成本等原因,我国绝大多数的工业循环冷却水系统使用的水处理剂还是磷系配方的水处理剂。这类水处理剂在使用过程中取得了良好的水处理效果,但由于其成分中含有磷元素,排放时易造成水体的二次污染、富营养化等一系列环境问题,已经引起了相关部门的高度重视,再加上水质硬度的不断增大等一系列问题,磷系配方水处理剂势必被新一代低磷或无磷配方的环境友好型水处理剂所取代。
环境友好的绿色水处理剂分天然高分子水处理剂和合成高分子水处理剂两大类,在合成高分子水处理剂中,由于聚天冬氨酸(PASP)具有独特的肽键结构,是目前国际公认的无毒、可生物降解、对环境无害的绿色水处理剂,但其阻磷酸钙的性能不够突出,使其应用受到了很大限制,因此采取接枝共聚方法来改性PASP以提高其阻垢性能已成为近年来国内外学者研究的热点,许多含有功能基团的PASP接枝共聚物被合成出来,并取得了一些研究成果。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种新型工业循环水处理剂——聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物(PASP/DETA)及其合成方法,以解决聚天冬氨酸(PASP)阻磷酸钙的性能不够突出的问题。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,包括以下步骤:
a.聚琥珀酰亚胺的制备:
先以马来酸酐和尿素为原料在油浴中加热:其中马来酸酐与尿素的质量比为9-10.5:3.5-5,往四口烧瓶中加入马来酸酐和蒸馏水,蒸馏水的质量是马来酸酐的质量的(8-10)/9.8倍,油浴升温至55-65℃,使马来酸酐完全溶解,再将温度升至75-85℃,加入尿素,尿素完全溶解后,温度从75-85℃逐步升至160~200℃,加入1:1硫磷混酸,使该体系在160~200℃下进行缩聚反应,反应时间为2~3h,反应完成后冷却至室温,加蒸馏水洗涤2~3次,真空抽滤并烘干得到橘红色的聚琥珀酰亚胺;
b.聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的制备:
取二乙烯三胺和混合,其中二乙烯三胺和水的质量比为0.2-1:8-12,保持20-28℃,磁力搅拌,将a步骤自制的聚琥珀酰亚胺缓缓加入混合液中,二乙烯三胺与聚琥珀酰亚胺的质量比为1.0-1.2:0.9-1.1,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液,盐酸调节pH值至中性,将此盐溶液缓慢滴入乙醇中,乙醇的体积为盐酸体积的5-10倍,磁力搅拌,得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,洗涤沉淀2~3次,真空干燥20-28h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,所述步骤a中,四口烧瓶的四个口一个用来插温度计,一个与搅拌装置相连,一个接冷凝管,一个用来进料。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,所述步骤a中,马来酸酐和尿素的质量比为:9.8:4.2。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,所述步骤a中,油浴升温至60℃,使马来酸酐完全溶解,再将温度升至80℃,加入尿素,尿素完全溶解后,步骤b中,二乙烯三胺和水的质量比为0.5:10,二乙烯三胺与聚琥 珀酰亚胺的最佳质量比为1.1:1.0,得到红棕色粘稠状沉淀物,真空干燥24h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,洗涤沉淀2~3次是用丙酮洗涤。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,所述的真空干燥是将产品放入45℃的恒温干燥箱中真空干燥。
采用上述方法合成的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,其特征在于:结构式为
式中:该物质分子量为5000-6000,m与n的和介于44和52之间。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,当聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物用量≥15mg/L(ρ(Ca2+)=250mg/L(以CaCO3计),ρ(PO4 3-)=10mg/L)时,对磷酸钙的阻垢率为100%;当聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物用量≥6mg/L(ρ(Ca2+)=ρ(HCO3 -)=250mg/L(均以CaCO3计))时,对碳酸钙的阻垢率为100%。
上述聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物在pH小于9,温度低于80℃时,对CaCO3和Ca3(PO4)2阻垢率都为100%。采用上述技术方案,本发明合成了一种具有阻垢性能的绿色高效的新型工业循环水处理剂——聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,从源头上有效减少工业用水的消耗,降低工业用水的二次污染和富营养化等问题,并且具有突出的阻磷酸钙的性能,符合我国工业循环水资源的可持续利用以及节能减排政策,具有很好的学术价值与工业应用前景。
附图说明
图1是不同PASP/DETA浓度对Ca3(PO4)2的阻垢率。
图2是不同温度下PASP/DETA对Ca3(PO4)2的阻垢率。
图3是不同pH下PASP/DETA对Ca3(PO4)2的阻垢率。
图4是不同PASP/DETA浓度对CaCO3阻垢率。
图5是不同温度下PASP/DET对CaCO3阻垢率。
图6是不同pH下PASP/DETA对CaCO3阻垢率。
具体实施方式
实施例1:用电子天平称取9.0g马来酸酐,加入到装有8ml蒸馏水的四口烧瓶中,升温至55℃,马来酸酐完全溶解,将温度设为75℃,温控显示为75℃时,加入3.5g尿素,待尿素完全溶解,将温度逐步升至160℃,然后加入1:1硫磷混酸(1:1硫磷混酸是指:将150mL浓H2SO4(98%)缓慢加入700mL水中,冷却后,再加入150mL磷酸,混匀),让该体系在160℃温度下发生缩聚反应,反应2h后,关闭仪器,使该体系冷却至室温,然后用蒸馏水洗涤2~3次,洗去硫磷混酸及其他一些副产物,并进行真空抽滤,之后将所得产品放入45℃的真空干燥箱中烘干备用。用电子天平称取0.2g二乙烯三胺,然后向圆底烧瓶中加8ml蒸馏水,保持20℃,磁力搅拌。向混合液中加入0.18g聚琥珀酰亚胺,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液。盐酸调节pH至中性,将此盐溶液用分液漏斗缓慢滴入5倍于盐溶液体积的无水乙醇中,磁力搅拌得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,用丙酮洗涤沉淀2~3次,真空干燥20h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
实施例2:用电子天平称取9.4g马来酸酐,加入到装有9ml蒸馏水的四口烧瓶中,升温至60℃,马来酸酐完全溶解,将温度设为80℃,温控显示为80℃时,加入4.1g尿素,待尿素完全溶解,将温度逐步升至170℃,然后加入1:1硫磷混酸(1:1硫磷混酸是指:将150mL浓H2SO4(98%)缓慢加入700mL水中,冷却后,再加入150mL磷酸,混匀),让该体系在170℃温度下发生缩聚反应,反应2.5h后,关闭仪器,使该体系冷却至室温,然后用蒸馏水洗涤2~3次,洗去硫磷混酸及其他一些副产物,并进行真空抽滤,之后将所得产品放入45℃的真空干燥箱中烘干备用。用电子天平称取0.4g二乙烯三胺,然后向圆底烧瓶中加9ml蒸馏水,保持23℃,磁力搅拌。向混合液中加入0.36g聚琥珀酰亚胺,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液。盐酸调节pH至中性,将此盐溶液用分液漏斗缓慢滴入6倍于盐溶液体积的无水乙醇中,磁力搅拌得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,用丙酮洗涤沉淀2~3次,真空干燥23h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
实施例3:用电子天平称取9.8g马来酸酐,加入到装有10ml蒸馏水的四口烧瓶中,升温至65℃,马来酸酐完全溶解,将温度设为85℃,温控显示为85℃时,加入4.2g尿素,待尿素完全溶解,将温度逐步升至180℃,然后加入1:1 硫磷混酸(1:1硫磷混酸是指:将150mL浓H2SO4(98%)缓慢加入700mL水中,冷却后,再加入150mL磷酸,混匀),让该体系在180℃温度下发生缩聚反应,反应3h后,关闭仪器,使该体系冷却至室温,然后用蒸馏水洗涤2~3次,洗去硫磷混酸及其他一些副产物,并进行真空抽滤,之后将所得产品放入45℃的真空干燥箱中烘干备用。用电子天平称取0.8g二乙烯三胺,然后向圆底烧瓶中加10ml蒸馏水,保持25℃,磁力搅拌。向混合液中加入0.8g聚琥珀酰亚胺,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液。盐酸调节pH至中性,将此盐溶液用分液漏斗缓慢滴入7倍于盐溶液体积的无水乙醇中,磁力搅拌得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,用丙酮洗涤沉淀2~3次,真空干燥25h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
实施例4:用电子天平称取10.2g马来酸酐,加入到装有10ml蒸馏水的四口烧瓶中,升温至60℃,马来酸酐完全溶解,将温度设为80℃,温控显示为80℃时,加入4.6g尿素,待尿素完全溶解,将温度逐步升至190℃,然后加入1:1硫磷混酸(1:1硫磷混酸是指:将150mL浓H2SO4(98%)缓慢加入700mL水中,冷却后,再加入150mL磷酸,混匀),让该体系在190℃温度下发生缩聚反应,反应2.5h后,关闭仪器,使该体系冷却至室温,然后用蒸馏水洗涤2~3次,洗去硫磷混酸及其他一些副产物,并进行真空抽滤,之后将所得产品放入45℃的真空干燥箱中烘干备用。用电子天平称取0.5g二乙烯三胺,然后向圆底烧瓶中加10ml蒸馏水,保持28℃,磁力搅拌。向混合液中加入0.55g聚琥珀酰亚胺,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液。盐酸调节pH至中性,将此盐溶液用分液漏斗缓慢滴入8倍于盐溶液体积的无水乙醇中,磁力搅拌得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,用丙酮洗涤沉淀2~3次,真空干燥27h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
实施例5:用电子天平称取10.5g马来酸酐,加入到装有10ml蒸馏水的四口烧瓶中,升温至60℃,马来酸酐完全溶解,将温度设为80℃,温控显示为80℃时,加入5.0g尿素,待尿素完全溶解,将温度逐步升至200℃,然后加入1:1硫磷混酸(1:1硫磷混酸是指:将150mL浓H2SO4(98%)缓慢加入700mL水中,冷却后,再加入150mL磷酸,混匀),让该体系在200℃温度下发生缩聚反应,反应3h后,关闭仪器,使该体系冷却至室温,然后用蒸馏水洗涤2~3次,洗去 硫磷混酸及其他一些副产物,并进行真空抽滤,之后将所得产品放入45℃的真空干燥箱中烘干备用。用电子天平称取1.0g二乙烯三胺,然后向圆底烧瓶中加12ml蒸馏水,保持28℃,磁力搅拌。向混合液中加入0.92g聚琥珀酰亚胺,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液。盐酸调节pH至中性,将此盐溶液用分液漏斗缓慢滴入10倍于盐溶液体积的无水乙醇中,磁力搅拌得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,用丙酮洗涤沉淀2~3次,真空干燥28h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
实施例1制出的聚合物的性能实验例1:当溶液pH为9,体系温度为80℃时,采用静态阻垢法测定不同PASP/DETA浓度对Ca3(PO4)2阻垢率如附图1所示,当PASP/DETA的浓度为10mg/L~16mg/L时对Ca3(PO4)2阻垢率呈上升趋势,15mg/L和16mg/L时达到100%。
实施例1制出的聚合物的性能实验例2:当溶液pH为9,PASP/DETA浓度为15mg/L时,采用静态阻垢法测定不同温度下PASP/DETA的阻Ca3(PO4)2效率如附图2所示,在80℃以下温度对PASP/DETA的阻垢效果基本没有影响,都能达到100%,80℃到90℃时明显下降。
实施例1制出的聚合物的性能实验例3:当体系温度为80℃,PASP/DETA浓度为15mg/L时,采用静态阻垢法测定不同pH下PASP/DETA浓度对Ca3(PO4)2阻垢率如附图3所示,在pH=1~9的溶液环境里对PASP/DETA的阻垢效果基本没有影响都能达到100%,当溶液pH大于9时,PASP/DETA的阻垢效果明显下降。
实施例1制出的聚合物的性能实验例4:当溶液pH为8,体系温度为80℃时,采用静态阻垢法测定不同PASP/DETA浓度对CaCO3的阻垢率如附图4所示,当PASP/DETA的浓度为1mg/L~6mg/L时对CaCO3阻垢率呈上升趋势,6mg/L 和7mg/L时达到100%。
实施例1制出的聚合物的性能实验例5:当溶液pH为8,PASP/DETA浓度为6mg/L时,采用静态阻垢法测定不同温度下PASP/DET对CaCO3的阻垢率如附图5所示,在80℃以下温度对PASP/DETA的阻垢效果基本没有影响,都能达到100%,90℃时有所下降。
实施例1制出的聚合物的性能实验例6:当体系温度为80℃,PASP/DETA浓度为6mg/L时,采用静态阻垢法测定不同pH下PASP/DETA对CaCO3的阻垢率如附图6所示,在pH=1~8的溶液环境里对PASP/DETA的阻垢效果基本没有影响都能达到100%,当溶液pH大于8时,PASP/DETA的阻垢效果明显下降。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计构思的前提下,本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进,均应落入本发明的保护范围,本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。
Claims (10)
1.一种聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:包括以下步骤:
a.聚琥珀酰亚胺的制备:
先以马来酸酐和尿素为原料在油浴中加热:其中马来酸酐与尿素的质量比为9-10.5:3.5-5,往四口烧瓶中加入马来酸酐和蒸馏水,蒸馏水的质量是马来酸酐的质量的(8-10)/9.8倍,油浴升温至55-65℃,使马来酸酐完全溶解,再将温度升至75-85℃,加入尿素,尿素完全溶解后,温度从75-85℃逐步升至160~200℃,加入1:1硫磷混酸,使该体系在160~200℃下进行缩聚反应,反应时间为2~3h,反应完成后冷却至室温,加蒸馏水洗涤2~3次,真空抽滤并烘干得到橘红色的聚琥珀酰亚胺;
b.聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的制备:
取二乙烯三胺和水混合,其中二乙烯三胺和水的质量比为0.2-1:8-12,保持20-28℃,磁力搅拌,将a步骤自制的聚琥珀酰亚胺缓缓加入混合液中,二乙烯三胺与聚琥珀酰亚胺的质量比为1.0-1.2:0.9-1.1,直到反应完全变成红棕色澄清透明的溶液,盐酸调节pH值至中性,将此盐溶液缓慢滴入乙醇中,乙醇的体积为盐酸体积的5-10倍,磁力搅拌,得到红棕色粘稠状沉淀物,静置,倾去上清液,洗涤沉淀2~3次,真空干燥20-28h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
2.根据权利要求1所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:所述步骤a中,四口烧瓶的四个口一个用来插温度计,一个与搅拌装置相连,一个接冷凝管,一个用来进料。
3.根据权利要求1所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:所述步骤a中,马来酸酐和尿素的质量比为:9.8:4.2。
4.根据权利要求1所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:所述步骤a中,油浴升温至60℃,使马来酸酐完全溶解,再将温度升至80℃,加入尿素,尿素完全溶解后,步骤b中,二乙烯三胺和水的质量比为0.5:10,二乙烯三胺与聚琥珀酰亚胺的最佳质量比为1.1:1.0,得到红棕色粘稠状沉淀物,真空干燥24h,即得到聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物。
5.根据权利要求1所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:所述乙醇为无水乙醇。
6.根据权利要求1所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:所述的洗涤沉淀2~3次是用丙酮洗涤。
7.根据权利要求1所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物的合成方法,其特征在于:所述的真空干燥是将产品放入45℃的恒温干燥箱中真空干燥。
8.一种由权利要求1至7中任一项所述方法合成的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,其特征在于:结构式如下
式中:该物质分子量为5000-6000,m与n的和介于44和52之间。
9.根据权利要法求8所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,其特征在于:当聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物用量≥15mg/L(ρ(Ca2+)=250mg/L(以CaCO3计),ρ(PO4 3-)=10mg/L)时,对磷酸钙的阻垢率为100%;当聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物用量≥6mg/L(ρ(Ca2+)=ρ(HCO3 -)=250mg/L(均以CaCO3计))时,对碳酸钙的阻垢率为100%。
10.根据权利要法求8所述的聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物,其特征在于:聚天冬氨酸/二乙烯三胺接枝共聚物在pH小于9,温度低于80℃时,对CaCO3和Ca3(PO4)2的阻垢率都为100%。
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