新型水处理剂聚天冬氨酸的研究

Abstract: T he syn thesis, therm a l stab ility and sca le inh ib it ion behavio r of po lya sp a rt ic acid, a new typ e w a ter t rea tm en t agen t, a re d iscu ssed in th is p ap er. Severa l conclu sion s have been d raw n: T he p rocess of syn thesizing po lya sp a rt ic acid from L 2a sp a rt ic is sim p le. T he raw m a teria l, syn thet ic p rocess and the app lica t ion of po lya sp a rt ic acid a ll cou ld do no ha rm to environm en t and body. T he po lya sp a rt ic acid can be app lied w idely in h igh tem p era tu re w a ter system due to it s excellen t therm a l stab ility. T he idea l inh ib it ion behavio r fo r ca lcium ca rbona te can be ach ieved w ith po lya sp a rt ic acid even a t it s low do sages. T he inh ib i2 t ion ra te is up to 88% a t the do sages of 0. 2 m g L and 100% a t 2. 0m g L. T he decrea sing tendency of inh i2 b it ion ra te w ith increa sing Ca2+ concen t ra t ion cou ld be slow ed by increa sing po lya sp a rt ic acid concen t ra2 t ion, and po lya sp a rt ic acid is p erfect to be app lied in h igh Ca2+ concen t ra t ion w a ter sy stem.
D SC: 试样量为 10. 0m g, 升温速率为20°C m in。 T GA : 试 样 量 为 16. 93m g, 升 温 速 率 为 20°C m in。 1. 3 静态阻垢实验
用去离子水配制含有一定浓度的
C
a2+
、H
CO
3
和聚天冬氨酸阻垢剂的溶液。在 80°C 恒温水浴中放
置 16h。 取出冷却至室温后, 取一定量的上层清液,
第 26 卷
8. 5, 在 80°C 水浴中恒温 16h 的条件下, 使用相对分 子质量为 4 000 的聚天冬氨酸 (下同) , 其药剂浓度 对阻垢率的影响见图 2。
阻垢率。但是阻垢剂浓度从 2 m g L 增加到4 m g L , 阻垢率略有下降。从图 4 中可看出, 增加药剂浓度使 阻垢率随着 Ca2+ 浓度增加而下降的趋势变缓。这说 明聚天冬氨酸是可应用于作高钙离子浓度水系统的 阻垢剂。
新型水处理剂聚天冬氨酸的研究
霍宇凝3 , 刘 珊, 陆 柱 (华东理工大学资源与环境工程学院, 上海 200237)
摘要: 对新型水处理剂聚天冬氨酸的合成、热稳定性及阻垢性能进行了研究。研究结果表明: 聚
天冬氨酸的合成工艺简单, 热稳定性好, 阻垢性能优异、投加量少, 是一种可应用于高温、高钙离子
2 结果讨论
2. 1 热性能分析 2. 1. 1 差热分析 聚天冬氨酸的 D SC 谱图见Leabharlann Baidu 1, 特征温度及对应的热焓如表 2 所示。 从表 2 中可以看出, 聚天冬氨酸的玻璃化转变 温度和分解温度都较高。说明其可耐高温, 热稳定性 好, 是一种可应用于高温水系统的水处理剂。
热失重分析: 根据聚天冬氨酸的 T G 谱图得到 的热失重变化见表 3。
T em p eratu re °C
C h a rac te r is t ic
M ass m g R atio (% )
102. 3 102. 3～ 250 250～ 381. 7 381. 7～ 435. 8
D ecreasing slow ly D ecreasing faster D ecreasing qu ick ly
第3期
霍宇凝等: 新型水处理剂聚天冬氨酸的研究
299
Shap e W h ite pow der
表 1 L 2天冬氨酸的质量参数 Table 1 Q ua lity p a ram eter of L 2a sp a rtic acid
Sp ecific ro ta tion [ a ]D20 24. 8～ 25. 8
失重, 即大部分试样发生降解挥发的温度范围在
410°C 左右, 这进一步说明其热稳定性能优异。
2. 2 阻垢性能分析
2. 2. 1 药 剂 浓 度 对 阻 垢 性 能 的 影 响 在 Ca2+ 、
H
CO
3
浓度均为 300m g L (以 CaCO 3 计) , pH 值为
300
华 东 理 工 大 学 学 报
收稿日期: 1999207205 作者简介: 霍宇凝 (1972～ ) , 女, 山西人, 博士研究生, 从事水处理药
剂研究。
究者针对现有阻垢剂的这一缺憾, 另辟思路研究开 发出了新型阻垢剂—— 聚天冬氨酸 (Po lya sp a rtic acid, 简称 PA SP )。
制备聚天冬氨酸的原料天冬氡酸可从自然界提 取, 因此制造过程是清洁、绿色的[3]。 作为新型阻垢 剂, 对环境没有毒性, 可完全生物降解成对环境无害 的终产物。而且对碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙、硫酸钡等 阻垢性能优异。另外, 聚天冬氨酸也可作为缓蚀剂用 于解决油田中 CO 2 的腐蚀问题, 并在海水淡化、制 备纯水等方面亦具有良好的应用前景。 国外已对聚 天冬氨酸的合成、结构、性能等方面作了一定的研究 工作。但是, 国内还未见有关聚天冬氨酸的研究报
华 东 理 工 大 学 学 报
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Jou rnal of East Ch ina U n iversity of Science and T echno logy
文章编号: 100623080 (2000) 0320298203
V o l. 26 N o. 3 2000206
Key words: po lya sp a rt ic acid; therm a l stab ility; sca le inh ib it ion behavio r; w a ter t rea tm en t agen t
随着各国工业生产迅速发展, 工业用水日益增 多, 特别是用于水冷系统, 其用水量约占工业用水总 量的 80% 以上, 同时不同国家和地区的环保法规日 趋严格, 这就促使水处理技术得以迅速发展[1, 2]。 目 前, 国内外广泛研究的重点之一是共聚物阻垢剂, 包 括二元、三元、多元共聚物, 阻垢剂类型主要为丙烯 酸型、马来酸 (酐) 型等。虽然这类共聚物阻垢剂的阻 垢性能较好, 而且有的阻垢剂是无毒的, 但是却不可 生物降解为对环境无害的终产物。近几年, 国外的研
1. 05 -
6. 19 -
411. 8 435. 8～ 670
D ecreasing slow ly
10. 46 11. 56
61. 82 68. 30
图 1 聚天冬氨酸的 D SC 谱图 F ig. 1 D SC of po lya sp a rtic acid
从表 3 中可以看出, 聚天冬氨酸开始呈现迅速
图 2 药剂浓度对阻垢率的影响 F ig. 2 Sca le inh ib ition vs. C s
从图 2 中可看出在药剂浓度 (C s, 以固含量计, 下同) 仅为 0. 2m g L 时, 阻垢率就达到 88% , 随着 药 剂 浓 度 的 增 加, 阻 垢 率 不 断 上 升, 阻 垢 率 达 到 100% 的药剂浓度仅为 2. 0m g L。 这充分说明聚天 冬氨酸是一种阻垢性能优异、投加量少的新型阻垢 剂。 2. 2. 2 Ca2+ 浓度对阻垢性能的影响 在 pH 值为 8. 5～ 9. 2, 80°C 水浴中恒温 16h, 不同的 Ca2+ 浓度 ( 以 CaCO 3 计) 的条件下, 改变阻垢剂的浓度, 阻垢 率的变化见图 3、图 4。
Con ten t (% ) L igh t tran sm ittance (% )
> 99. 0
> 98. 0
Ch lo ride (% ) < 0. 020
O ther am ino acid N o t detected
pH 2. 5～ 3. 5
道。本文叙述了对聚天冬氨酸合成、性能等方面的部 分研究结果。
1 实验部分
1. 1 聚天冬氨酸的合成 1. 1. 1 原料 主要原料 L 2天冬氨酸的质量参数见 表 1。 1. 1. 2 合成实验步骤 采用无催化剂的 L 2天冬氨 酸缩聚反应方法。实验步骤如下: 反应容器置于油浴 中, 同时进行搅拌。 在一定温度下反应若干小时, 即
可得到聚琥珀酰亚胺。用碱溶液溶解, 所得到的红棕 色 澄清液体即为聚天冬氨酸的钠盐溶液。pH 为 9. 7。 1. 2 热性能测定 分别采用差量扫描量热仪 (D SC ) 和热失重分析 仪 (T GA ) 测定特征温度和热失重性能。
浓度水系统的水处理剂。
关键词: 聚天冬氨酸; 热性能; 阻垢性能; 水处理剂
中图分类号: X 384
文献标识码: A
Research On Polya spartic Ac id——A New Type W a ter Trea tm en t Agen t
H UO Y u 2n ing 3 , L IU S han, L U Z hu ( I nsitu te of R esou rce and E nv ironm en t E CU S T , S hang ha i 200237, C h ina)
表 2 聚天冬氨酸的特征温度 Table 2 Cha racteristic tem p era tu re of po lya sp a rtic acid
Characteristic En thalp y tem p eratu re °C (J ·g- 1)
R eason
174. 9 216. 7
图 4 Ca2+ 浓度对阻垢性能的影响 F ig. 4 Sca lc inh ib ition vs. CCa
3 结 论
(1) 用 L 2天冬氨酸制备新型阻垢剂聚天冬氨 酸的合成反应属于缩聚反应, 原料易得, 合成工艺简 单。作为一种环境友好型的绿色化学品, 聚天冬氨酸 从原料、制备过程到实际应用均对环境和人体无害。
用 ED TA 络和滴定法测定 Ca2+ 浓度, 由下式计算阻
垢率:
阻垢率=
V V
12-
V 0 ×100%
V0
式中: V 2 ——未加药剂水样 (总钙) 消耗 ED TA 的毫
升 数; V 1 —— 加 药 剂 水 样 消 耗 ED TA 的 毫 升 数;
V 0 ——未加药剂水样 (空白) 消耗 ED TA 的毫升数。
11. 5 80. 0
V itrification tran sfo rm ation Beg inn ingh of crystallization
266. 8
21. 5
Beg inn ing of vo latilization and decom po sition
表 3 聚天冬氨酸的热失重性能 Table 3 T herm a l w eigh tlessness of po lya sp aetic acid