CN110028417B - 一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水处理技术领域，具体为一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备和应用，本发明以松香树脂酸、3‑二甲氨基丙胺和溴甲烷为原料，合成了一种生物基季铵盐缓蚀剂，本发明根据表面活性剂分子在固液界面形成吸附膜的基本原理，设计合成的生物基季铵盐分子具有较大的疏水基体积，可以在金属表面形成致密的疏水微区，起到更好的缓蚀作用；在本发明的实验条件下，在浓度为20mg/L时，生物基季铵盐缓蚀剂的缓蚀率可以达到92.5%，远优于传统的季铵盐表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，此外，由于该季铵盐缓蚀剂是以天然产物为原料制备而成，因此也具有更好的可降解性和生物相容性，不会对水体造成污染。

Description

一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备和应用
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体为一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备和应用。
背景技术
在工业生产中普遍采用循环冷却水系统，以达到高效用水和节水的目标。循环冷却水系统的管道及器壁大多为钢材，在微生物、氧气及二氧化碳的作用下易于生锈或与介质中的酸发生反应，产生腐蚀，进而导致结垢等一系列问题。这会影响到系统的顺利运行，造成生产停滞，设备损坏，某些情况下还可能造成严重的事故。向系统中加入缓蚀剂可以有效减缓金属的腐蚀，已成为控制金属腐蚀的重要方法，广泛应用于循环冷却水系统中。
常见的缓蚀剂可以分成无机缓蚀剂和有机缓蚀剂两大类。缓蚀剂的种类不同，其缓蚀机理也不同。有的缓蚀剂可以与金属表面反应，使金属表面产生钝化，起到缓蚀的作用。有的缓蚀剂可以吸附到金属表面，形成一层吸附膜，来抑制金属表面的腐蚀。随着人们对环境问题的日益关注，对缓蚀剂也提出了越来越高的要求。好的缓蚀剂需要具有优良的缓蚀效率，同时其使用过程不会对水体造成二次污染。因此，开发毒性小、缓蚀效率高、生物相容性好的新一代缓蚀剂，是人们追求的目标。季铵盐类表面活性剂广泛用于人们的日常生活，可作为柔软剂、抗静电剂使用，具有毒性小，应用广泛的优点，是一类值得关注的缓蚀剂。
季铵盐类表面活性剂的缓蚀作用是通过在带负电的金属表面形成一层吸附膜来实现。吸附膜越致密，则缓蚀效果越好。然而，传统季铵盐表面活性剂的疏水链由烷烃链构成。由于离子头基之间的排斥作用，形成的吸附膜较为疏松，通常需要较高的浓度才能形成较为致密的吸附膜，起到良好的缓蚀效果。若能开发含有较大疏水基团的季铵盐表面活性剂作为缓蚀剂，则有望在较低浓度下在金属表面形成致密的吸附膜，提高缓蚀效率，降低使用成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备和应用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂，其分子结构如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
优选的，其制备的反应通式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
优选的，将一定量的生物基碳钢缓蚀剂加入以碳钢为主要构成的循环冷却水系统中，生物基碳钢缓蚀剂在碳钢表面形成致密的吸附层，起到缓蚀效果。
一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将松香树脂酸投入烧瓶中，先加入N,N-二甲基甲酰胺，然后在40-60℃下逐滴滴加氯化亚砜，滴加过程中产生的酸性气体用碱液吸收，滴加结束后，在65-95℃下继续反应20-40min，将过量的氯化亚砜蒸除，得到松香树脂酸酰氯；
步骤二：将松香树脂酸酰氯溶于二氯甲烷中，控制松香树脂酸酰氯溶液温度为0℃，先加入过量三乙胺，然后加入3-二甲氨基丙胺，滴加结束后继续反应2-4h，得到酰胺产物；
步骤三：将酰胺产物转入烧杯中，先用弱碱性水洗涤3次，然后用二氯甲烷萃取2次，将萃取液用无水硫酸钠干燥，采用减压蒸馏的方法去除二氯甲烷和三乙胺，得到中间体1；
步骤四：将中间体1、溴甲烷和无水乙醇加入搅拌釜中，在70-90℃下搅拌24-36h，冷却，用旋转蒸发仪将乙醇蒸除，剩余物用乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂重结晶3次，经真空干燥后得到最终产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1．本发明根据表面活性剂分子在固液界面形成吸附膜的基本原理，设计合成的生物基季铵盐分子具有较大的疏水基体积，可以在金属表面形成致密的疏水微区，起到更好的缓蚀作用；
2．在本发明的实验条件下，在浓度为20mg/L时，生物基季铵盐缓蚀剂的缓蚀率可以达到92.5%，远优于传统的季铵盐表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，此外，由于该季铵盐缓蚀剂是以天然产物为原料制备而成，因此也具有更好的可降解性和生物相容性，不会对水体造成污染。
附图说明
图1为实施例2中生物基碳钢缓蚀剂在DMSO中测得的氢核磁共振谱图；
图2为实施例2中生物基碳钢缓蚀剂和十六烷基三甲基溴化铵的缓蚀率随浓度的变化。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂，其分子结构如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其制备的反应通式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
实施例1
一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将30 g松香树脂酸投入三口烧瓶中，先加入4滴N,N-二甲基甲酰胺，然后在45℃下逐滴滴加20.1 g氯化亚砜，滴加过程中产生的酸性气体用碱液吸收，滴加结束后，在70 ℃下继续反应20min，将过量的氯化亚砜蒸除，得到松香树脂酸酰氯；
步骤二：将松香树脂酸酰氯溶于二氯甲烷中，控制松香树脂酸酰氯溶液温度为0℃，先加入过量三乙胺，然后加入16.4 g的3-二甲氨基丙胺，滴加结束后继续反应2h，得到酰胺产物；
步骤三：将酰胺产物转入1000 mL烧杯中，先用弱碱性水洗涤3次，然后用二氯甲烷萃取2次，将萃取液用无水硫酸钠干燥，采用减压蒸馏的方法去除二氯甲烷和三乙胺，得到中间体1，为黏稠状透明液体；
步骤四：将20 g中间体1、溴甲烷和50 mL无水乙醇加入搅拌釜中，在70℃下搅拌24h，冷却，用旋转蒸发仪将乙醇蒸除，剩余物用乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂重结晶3次，经真空干燥后得到为白色固体状的最终产品。
实施例2
一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将30 g松香树脂酸投入三口烧瓶中，先加入4滴N,N-二甲基甲酰胺，然后在50℃下逐滴滴加20.1 g氯化亚砜，滴加过程中产生的酸性气体用碱液吸收，滴加结束后，在80 ℃下继续反应30 min，将过量的氯化亚砜蒸除，得到松香树脂酸酰氯；
步骤二：将松香树脂酸酰氯溶于二氯甲烷中，控制松香树脂酸酰氯溶液温度为0℃，先加入过量三乙胺，然后加入16.4 g的3-二甲氨基丙胺，滴加结束后继续反应3h，得到酰胺产物；
步骤三：将酰胺产物转入1000 mL烧杯中，先用弱碱性水洗涤3次，然后用二氯甲烷萃取2次，将萃取液用无水硫酸钠干燥，采用减压蒸馏的方法去除二氯甲烷和三乙胺，得到中间体1，为黏稠状透明液体；
步骤四：将20 g中间体1、溴甲烷和50 mL无水乙醇加入搅拌釜中，在80℃下搅拌30h，冷却，用旋转蒸发仪将乙醇蒸除，剩余物用乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂重结晶3次，经真空干燥后得到为白色固体状的最终产品。
实施例3
一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将30 g松香树脂酸投入三口烧瓶中，先加入4滴N,N-二甲基甲酰胺，然后在55℃下逐滴滴加20.1 g氯化亚砜，滴加过程中产生的酸性气体用碱液吸收，滴加结束后，在90 ℃下继续反应40 min，将过量的氯化亚砜蒸除，得到松香树脂酸酰氯；
步骤二：将松香树脂酸酰氯溶于二氯甲烷中，控制松香树脂酸酰氯溶液温度为0℃，先加入过量三乙胺，然后加入16.4 g的3-二甲氨基丙胺，滴加结束后继续反应4h，得到酰胺产物；
步骤三：将酰胺产物转入1000 mL烧杯中，先用弱碱性水洗涤3次，然后用二氯甲烷萃取2次，将萃取液用无水硫酸钠干燥，采用减压蒸馏的方法去除二氯甲烷和三乙胺，得到中间体1，为黏稠状透明液体；
步骤四：将20 g中间体1、溴甲烷和50 mL无水乙醇加入搅拌釜中，在90℃下搅拌36h，冷却，用旋转蒸发仪将乙醇蒸除，剩余物用乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂重结晶3次，经真空干燥后得到为白色固体状的最终产品。
上述三组实施例均可得到纯度在97%以上的生物基碳钢缓蚀剂，其中实施例2的中间体1和生物基碳钢缓蚀剂的产率均为最高，其中间体1的产率为为85.2%，生物基碳钢缓蚀剂的产率为42.6%。图1为实施例2在DMSO中测得的氢核磁共振谱图。
缓蚀性能测定
实验材料为Q235碳钢，规格为长30mm，宽20mm，厚3mm。实验方法为失重法。
实验前，碳钢先经过水洗打磨，使其表面呈光亮状态，干燥后称重为w1。
实验时，先配制1mol/L的盐酸溶液，再向内加入一定浓度的实施例2的生物基碳钢缓蚀剂，然后将处理后的碳钢放入，在40℃下恒温静置36h。将碳钢取出，干燥后称重为w2。并在同样条件下，采用商品化季铵盐表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵做平行对照实验，作为对比。
实验数据处理：缓蚀率按照η= w2/w1 来计算，图2为实验结果。
分析结果可知，在浓度为20mg/L时，生物基碳钢缓蚀剂的缓蚀率可以达到92.5%，而十六烷基三甲基溴化铵在相同浓度下的缓蚀率仅为76.3%。可见生物基碳钢缓蚀剂具有更好的缓蚀效果，即将一定量的生物基碳钢缓蚀剂加入以碳钢为主要构成的循环冷却水系统中，生物基碳钢缓蚀剂可以在碳钢表面形成更致密的吸附层，起到缓蚀效果；同时生物基碳钢缓蚀剂以天然产物为原料制备而成，其相比十六烷基三甲基溴化铵，具有更好的可降解性和生物相容性，不会对水体造成污染。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂，其特征在于：其分子结构如下：
Figure FDA0003511969010000011
2.权利要求1所述的一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备方法，其特征在于：其制备的反应通式如下：
Figure FDA0003511969010000012
3.如权利要求2所述的一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将松香树脂酸投入烧瓶中，先加入N,N-二甲基甲酰胺，然后在40-60℃下逐滴滴加氯化亚砜，滴加过程中产生的酸性气体用碱液吸收，滴加结束后，在65-95℃下继续反应20-40min，将过量的氯化亚砜蒸除，得到松香树脂酸酰氯；
步骤二：将松香树脂酸酰氯溶于二氯甲烷中，控制松香树脂酸酰氯溶液温度为0℃，先加入过量三乙胺，然后加入3-二甲氨基丙胺，滴加结束后继续反应2-4h，得到酰胺产物；
步骤三：将酰胺产物转入烧杯中，先用弱碱性水洗涤3次，然后用二氯甲烷萃取2次，将萃取液用无水硫酸钠干燥，采用减压蒸馏的方法去除二氯甲烷和三乙胺，得到中间体1；
步骤四：将中间体1、溴甲烷和无水乙醇加入搅拌釜中，在70-90℃下搅拌24-36h，冷却，用旋转蒸发仪将乙醇蒸除，剩余物用乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂重结晶3次，经真空干燥后得到最终产品；
其中，所述中间体1的结构式为：
Figure FDA0003511969010000021
4.权利要求1所述的一种水处理用生物基碳钢缓蚀剂的应用，其特征在于：将一定量的生物基碳钢缓蚀剂加入以碳钢为主要构成的循环冷却水系统中，生物基碳钢缓蚀剂在碳钢表面形成致密的吸附层，起到缓蚀效果。
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