CN113651436A - 一种无磷非氮型阻垢分散剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无磷非氮型阻垢分散剂及其制备方法和应用，所述聚合物由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2，本发明以羧甲基纤维素钠和衣康酸为单体，通过硫酸铵作为引发剂，异丙醇作为链转移剂，聚合而成，得到的聚合物具有良好的阻垢性能和分散氧化铁的性能。

Description

一种无磷非氮型阻垢分散剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种无磷非氮型阻垢分散剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着国内外对含磷、氮废水排放的限制和可持续发展战略要求，开发环境友好的阻垢剂和水处理工艺已成为国内外研究重点。目前，国内外对环境友好型水处理药剂研究主要是聚天冬氨酸（PASP）和聚环氧琥珀酸（PESA）。PASP无磷、无毒、可生物降解，且具有螯合功能和阻垢作用，但PASP分子中含有氮元素，长期使用亦容易造成水体富营养化，破坏水体环境。PESA具有无磷非氮和可生物降解的特点，还兼具阻垢缓蚀双重功能，是一种极具发展前途的环境友好型阻垢剂。但由于PESA分子结构中主要为羧基官能团，其在阻磷酸钙及分散氧化铁方面几乎没有效果，其应用受到了很大限制，并且在应用于高硬度和高碱度水时，用量较大。基于上述缺陷，亟需寻找新的水处理药剂。
羧甲基纤维素钠(简称CMC-Na)是当今世界上使用范围最广、用量最大的纤维素种类。是葡萄糖聚合度为100~2000的纤维素衍生物，相对分子质量242.16。白色纤维状或颗粒状粉末。在食品工业中用作增稠剂，医药工业中用作药物载体，日用化学工业中用作黏结剂、抗再沉凝剂。印染工业中用作上浆剂和印花糊料的保护胶体等。在石油化工中可作为采油压裂液成分。
目前有报道以甲壳素和羧甲基纤维素钠为功能表面材料,聚丙烯腈为基膜支撑层,用环氧氯丙烷和丙三醇三缩水甘油醚为交联剂,制备了甲甲壳素/羧甲基纤维素钠-环氧氯丙烷交联共混复合纳滤膜,并研究了该钠滤膜对纺织印染废水中水进行深度处理实验，结果表明，溶解态总磷、苯胺及CODCr的去除率分别可达79.59%、29.24%和88.06%。纳滤膜出水CODCr含量≤15 mg·L-1,根据地面水环境质量标准GB 3838-88,已达到一级排放标准。但是目前尚没有关于将羧甲基纤维素钠与衣康酸共聚用于阻垢水处理剂的研究和报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种无磷非氮型阻垢分散剂并同时提供其制备方法以及阻垢应用。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
技术主题一
本发明提供了一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:1.5-1:2.5。
作为本发明的一些优选实施方案，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
技术主题二
本发明提供了一种技术主题一中所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将羧甲基纤维素钠加入到蒸馏水中搅拌溶解，通入氮气，加热至75~90℃；
(2)先加入异丙醇，然后加入过硫酸铵，搅拌一段时间，滴加衣康酸，滴加时间为0.5~1.5h，滴加完毕恒温聚合一段时间后，降至室温，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
作为本发明的一些优选实施方案，所述步骤(2)中过硫酸铵的加入量为原料总质量的4%~8%。
作为本发明的一些优选实施方案，所述步骤(2)中异丙醇的加入量为原料总质量的8%~12%。
作为本发明的一些优选实施方案，所述步骤(2)中的聚合时间为3~5h。
作为本发明的一些优选实施方案，所述步骤(2)中所述步骤(2)中滴加时间为1h，聚合时间为4h。
作为本发明的一些优选实施方案，所述步骤(1)中加热温度为85℃。
技术主题三
本发明还提供了技术主题一中所述的聚合物作为水处理剂在工业循环冷却水中的应用。
作为本发明的一些优选实施方案，所述的水处理剂为阻垢剂或分散剂。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1.本发明所提供的羧甲基纤维素钠和衣康酸聚合物具有良好的阻垢性能和分散氧化铁的性能。
2.本发明所提供的羧甲基纤维素钠和衣康酸聚合物无磷非氮，长期使用不会对水体环境造成污染。
3.本发明所提供的羧甲基纤维素钠和衣康酸聚合物成本低廉，可以极大程度的降低工业成本，降低了工业循环用水的处理成本。
4.本发明所提供的制备方法，条件温和，聚合反应转化率高，利于工业大规模生产。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
实施例1
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量5%的过硫酸铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
实施例2
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:1.5。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量8%的过硫酸铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应5h，降至室温后，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
实施例3
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量12%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的过硫酸铵，搅拌10min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在75℃下继续保温反应3h，降至室温后，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
实施例4
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2.5。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量12%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量8%的过硫酸铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
实施例5
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量12%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量15%的过硫酸铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在90℃下继续保温反应5h，降至室温后，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
对比例1
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量5%的硝酸铈铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例2
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:1。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量5%的硝酸铈铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应2h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例3
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至65℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量15%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的硝酸铈铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在65℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例4
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为2:1。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量5%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量2%的过硫酸铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例5
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:5。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量7%的过硫酸铵，搅拌15min，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1h，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例6
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其通过如下方法制备：
称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的过硫酸铵，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例7
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其通过如下方法制备：
按量称衣康酸加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量15%的过硫酸铵，在85℃下继续保温反应4h，降至室温后，得到无色透明液体。
对比例8
一种混合剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸按照质量比为1:2混合而成。
对比例9
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量5%的过硫酸铵，搅拌一段时间，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为0.5h，在85℃下继续保温反应6h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
对比例10
一种无磷非氮型阻垢分散剂，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
其通过如下方法制备：
按量称取羧甲基纤维素钠加入到烧瓶中，加入去离子水至常温搅拌溶解。通入氮气，水浴加热至85℃，加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量10%的异丙醇，然后再加入相当于羧甲基纤维素钠和衣康酸总质量5%的过硫酸铵，搅拌一段时间，向反应体系中滴加衣康酸，滴加时间为1.5h，在85℃下继续保温反应2h，降至室温后，得到棕黄色透明液体。
试验例
对于实施例和对比例得到的聚合物，分别进行阻垢性能和分散性能评定。
(1) 对碳酸钙阻垢性能的测定
实验采用配制水，使用非蒸发浓缩测定阻CaCO3性能，Ca2+及HCO3 -浓度分别为600mg/L和1200mg/L（以CaCO3计），500ml水样中加入一定量的水处理药剂，将其放入80℃恒温水浴锅中，恒温静置10h。然后冷却至室温，取上层清夜，用EDTA法测定其中的Ca2+浓度，同时做空白试验。阻垢率的计算见公式（1）。
Figure 650566DEST_PATH_IMAGE001
式中：C0为不加阻垢分散剂时加热实验后溶液中的Ca2+含量，mg/L；
C1为加阻垢分散剂时加热实验后溶液中的Ca2+含量，mg/L；
C2为不加阻垢分散剂和不加热时实验用水的Ca2+含量，mg/L。
(2)对磷酸钙阻垢性能的测定
实验采用配制水，使用非蒸发浓缩测定阻Ca3(PO4)2性能，Ca2+浓度为250mg/L（以CaCO3计），PO4 3-浓度为150mg/L，500ml水样中加入一定量的水处理药剂，溶液pH值为9(用四硼酸钠调节)，将其放入80℃恒温水浴锅中，恒温静置10h。然后冷却至室温，取上层清夜，用可见分光光度计测定其中的PO4 3-含量，同时做空白实验。阻垢率的计算见公式（2）。
Figure 977773DEST_PATH_IMAGE002
式中：C0为不加阻垢分散剂时加热实验后溶液中的PO4 3-含量，mg/L；
C1为加阻垢分散剂时加热实验后溶液中的PO4 3-含量，mg/L；
C2为不加阻垢分散剂和不加热时实验用水的PO4 3-含量，mg/L。
(3)分散Fe2O3性能的测定
以分析纯无水氯化钙和硫酸亚铁铵为试剂，配制成以下实验水样，Ca2+浓度为150mg/L(以CaCO3 计)，Fe2+浓度为 l0mg/L，500ml水样中加入一定量的水处理药剂，溶液pH值为9(用四硼酸钠调节)，经强烈搅拌15min后，于50℃的恒温水浴中放置5h，冷却至室温后取上层溶液，用可见分光光度计在450nm下测定其透光率T，透光率越小分散效果越好（以蒸馏水作参比，其透光率为100%）。
测定结果见表1。
表1
Figure 169720DEST_PATH_IMAGE003
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种无磷非氮型阻垢分散剂，其特征在于，其由羧甲基纤维素钠和衣康酸进行共聚所得，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:1.5-1:2.5。
2.根据权利要求1所述的一种无磷非氮型阻垢分散剂，其特征在于，所述羧甲基纤维素钠和衣康酸的质量比为1:2。
3.一种如权利要求1所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)将羧甲基纤维素钠加入到蒸馏水中搅拌溶解，通入氮气，加热至75℃-90℃；
(2)先加入异丙醇，然后加入过硫酸铵，搅拌一段时间，滴加衣康酸，滴加时间为0.5-1.5h，滴加完毕恒温聚合一段时间后，降至室温，得到棕黄色透明液体，即为聚合物（CMC/IA）水溶液。
4.根据权利要求3所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中过硫酸铵的加入量为原料总质量的5%~15%。
5.根据权利要求3所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中异丙醇的加入量为原料总质量的5%~12%。
6.根据权利要求3所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的聚合时间为3~5h。
7.根据权利要求3所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中滴加时间为1h，聚合时间为4h。
8.根据权利要求3所述的无磷非氮型阻垢分散剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中加热温度为85℃。
9.一种如权利要求1所述的无磷非氮型阻垢分散剂作为水处理剂在工业循环冷却水中的应用。
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