AA－SAS共聚物的合成及其阻垢性能
摘要：以水为溶剂、过硫酸盐为引发剂，以丙烯酸(AA)和烯丙基磺酸钠(SAS)为单体，合成了丙烯酸一烯丙基磺酸钠(AA-SAS)共聚物阻垢剂。探讨了单体配比、引发剂用量、反应体系温度和分子量调节剂对聚合物阻垢性能的 影响 。结果表明，共聚物对磷酸钙阻垢作用具有阈值效应，当用量大于12mg/L时，阻垢率约为99%。
关键词：冷却水处理 阻垢剂 丙烯酸 烯两基磺酸钠 共聚物
Synthesis and Scale Inhibiting Performance of CopolymerAA-SAS
Abstract：A copolymer Inhibitor of acrylic acid-sodium allylsulfonate(AA-SAS)was synthesized with water as the solvent，persulfate as the Initiator and acrylic acid(AA)and sodium allylsulfonate (SAS)as themonomers.the effects of proportioning of monomers，quantny of Initiator.temperature of reaction system andconditioning agent ogmolecular wEight on the anti-scaling performance of the copolymer were evaluated. The resuits show that the said copolymer has a threshold effect on inhibiting the scaling of Ca3(PO4)2 and its scale inhibition efficiency is about 97% when the dosage of it is higher than 12 mg/L.
Key Words：cooling water treatment;scaling inhibitor;acrylic acid;sodium allylsulfonate;copolymer
碱性冷却水处理技术的 发展 ，要求聚合物不但能阻碳酸钙垢，而且能抑制磷酸钙和锌盐，稳定氧化铁等。含磷酸基聚合物是一类综合性能良好的阻垢剂[1-3]。常用作磺酸基的单体是 AMPS(2-丙烯酸胺基-2-甲基丙碳酸)，但其制备工艺复杂，价格比较昂贵，是烯丙基磺酸钠(SAS)单体的2倍多。本论文以烯丙基磺酸钠(SAS)与丙烯酸(AA)共聚，讨论二元共聚物的合成条件，初步 研究 了AA-SAS的阻垢效果。
1.AA-SAS二元共聚物的合成
在装有冷凝器、温度计、滴液漏斗的三口烧瓶中，加入180 g丙烯酸、72 g烯丙基磺酸钠、定量去离子水以及适量分子量调节剂。将 13 g过硫酸盐配制成一定浓度的溶液加入到滴液漏斗中。搅拌，升温，通入氮气。在温度85℃时滴加引发剂，并控制温度在 90±0.5℃。反应式为：
反应5.0h后，得到无色或淡黄色粘稠液体。将产物倾倒至乙醇中沉析，过滤，洗涤，滤出物在60℃温度中真空干燥。
2 阻垢性能的测定
配制一定pH值和固含量的模拟硬水，加入阻垢剂，在 80℃下保温 10 h。然后冷却，过滤，测定滤液中相应组分的含量， 计算 阻垢率。
磷酸钙阻垢率的测定采用分光光度法。磷酸钙阻垢实验水质条件为：ρ(Ca2+)=150mg/L，ρ(PO43-)=5 mg/L，pH=9.0。碳酸钙阻垢率的测定采用EDTA络合滴定法。碳酸钙的阻垢实验水质条件为：ρ(Ca2+)=200 mg/L，ρ(HCO3-)=305mg/L，pH=9.0。
3 结果与讨论
3.1 单体配比对阻垢性能的影响
在引发剂用量占单体总质量为 6%时，于 90℃反应5h，各不同单体配比的聚合物对磷酸钙的阻垢率如表1。
| n（AA）：n（SAA） | AA-SAS在不同投量（mg·L-1）下的阻磷酸钙垢率/% | |||||
| 8 | 12 | 16 | 20 | 24 | 30 | |
| 1：1 | 6.8 | 10.2 | 15.3 | 20.3 | 23.7 | 98.0 |
| 2：1 | 9.2 | 30.8 | 37.4 | 92.0 | 95.3 | 98.0 |
| 3：1 | 21.5 | 32.5 | 81.4 | 91.3 | 98.0 | 98.6 |
| 3.5：1 | 21.0 | 31.4 | 90.7 | 93.0 | 98.0 | 98.4 |
| 4：1 | 14.8 | 32.8 | 89.0 | 94.6 | 98.5 | 98.6 |
| 5：1 | 10.1 | 29.4 | 40.2 | 88.7 | 96.0 | 98.5 |
由表1知，单体配比n(AA)：n(SAS)=3：l-4：1时，对磷酸钙的阻垢效果好，单体配比太大或太小，当聚合物用量较小时，阻垢率均有下降的趋势。AA-SAS对磷酸钙的阻垢，具有明显的阈值效应。投加量小于 16 mg/L时 AA-SAS对磷酸钙的阻垢率很低，当投加量达到阈值效应浓度时，AA-SAS的阻垢率快速上升。在高剂量下，各配比的AA-SAS对磷酸钙的阻垢率趋向相近。
3.2 引发剂用量对阻垢性能的影响
单体配比 n(AA：n(SAS)=3.5：1，改变引发剂用量(以占单体总质量的百分数计)，当共聚物用量为 20 mg/L时，AA-SAS对磷酸钙和碳酸钙的阻垢效果如表2。
| 垢物类型 | 不同比例引发剂用量（%）下AA-SAS阻垢率/% | |||||
| 2 | 3 | 6 | 8 | 10 | 15 | |
| 磷酸钙垢 | 81.5 | 87.8 | 93.0 | 94.7 | 89.0 | 82.6 |
| 碳酸钙垢 | 51.0 | 74.3 | 85.0 | 83.8 | 70.4 | 61.0 |
从表2知，引发剂用量占单体总质量分数为6%-8%时，聚合物对磷酸钙和碳酸钙的阻垢效果很好。引发剂用量太少聚合不完全，用量太多，聚合速度快，聚合物的分子量太低，也不利于阻垢。
3.3 反应温度对阻垢性能的 影响
在单体配比3.5：1，引发剂用量6%的条件下，改变反应体系温度，当投加量为20 mg/L时，聚合物 A A-SAS垢物的阻垢效果见表 3。
| 垢物类型 | 不同反应温度（℃）下AA-SAS阻垢率/% | |||
| 70 | 80 | 85 | 90 | |
| 磷酸钙垢 | 76.8 | 84.5 | 87.3 | 98.3 |
| 碳酸钙垢 | 62.5 | 71.6 | 74.4 | 85.0 |
随着温度的增加，AA-SAS的阻垢率也增大。但是反应温度太高，在引发剂分解速率加快的同时，生成的聚合物的分解速度也会增加。所以，反应温度范围在85-90℃为宜。
3.4 分子量调节剂对阻垢性能的影响
在反应体系中加入适量的分子量调节剂，AA-SAS对磷酸钙垢的阻垢效果随投加量的变化如图1。从图1知，随着投加量的增加，AA-SAS对磷酸钙的阻垢率增大。由于调节剂加人，降低了聚合物的分子量，在低剂量时，得到了AA-SAS的阻垢率高于没有加入调节剂的共聚物，同时降低了AA-SAS的阈值效应浓度。无分子量调节剂时聚合物的阈值效应质量浓度为16 mg/L，此时对磷酸钙的阻垢率约为81.4%，而有分子量调节剂时聚合物的阈值效应质量浓度为 12 mg/L，此时的阻垢率约为97.6%，表明适当降低分子量可以提高聚合物的阻垢性能。
4 小结
以水为溶剂，过硫酸盐为引发剂合成了AA-SAS共聚物。合成AA-SAS较合适的工艺条件是：n(AA)：n(SAS)=3：1-4：1，引发剂用量占单体总质量分数为6%-8%，反应温度90℃，反应时间 5 h，适量分子量调节剂。AA-SAS对磷酸钙的阻垢率具有阈值效应，剂量大于 12 mg/L时，对水系统的磷酸钙垢有很好的抑制作用。
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