聚天冬氨酸阻垢劑的制備及性能評價

楊紅麗，姬彩云

(延安職業技術學院，陜西延安 716000)

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聚天冬氨酸阻垢劑的制備及性能評價

楊紅麗，姬彩云

(延安職業技術學院，陜西延安 716000)

摘要：聚天冬氨酸具有較好的阻垢效果。采用熱引發聚合，以馬來酸酐、氯化銨為原料，制備了綠色阻垢劑聚天冬氨酸，通過正交實驗確定了最佳合成條件，并對其進行了性能評價。最佳合成條件為：馬來酸酐和氯化銨的摩爾比為1 ∶1.2，反應溫度為140℃，反應時間為5h。

關鍵詞：聚天冬氨酸，熱引發聚合，正交實驗，阻垢率

聚天冬氨酸在化工生產過程中起著非常重要的作用[1]，它可以通過絡合增溶、晶格畸變、凝聚與分散、再生自解脫膜假說、雙電層作用等機理起到很好的阻垢效果，而且具有無毒、可完全生物降解等特點，引起廣大研究者的青睞[2-8]。聚天冬氨酸的合成方法主要有兩種[1]，目前主要以馬來酸酐及其衍生物和氨、碳酸銨為原料[2，6-8]。本文以馬來酸酐和氯化銨為原料，通過熱引發聚合，生成聚琥珀酰亞銨，再水解得到聚天冬氨酸，并對其阻垢性能進行了評價。

1實驗部分

1.1　試劑與儀器

1.1.1試劑

馬來酸酐、氯化銨、鉻黑T、EDTA、氯化鈣、碳酸氫鈉、鹽酸、乙醇，均為分析純試劑。

1.1.2儀器

酸式滴定管，50mL，一支；錐形瓶，250mL，若干；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司；數字控制恒溫水浴箱，北京市長風儀器儀表公司；稱量瓶，若干。

1.2　聚天冬氨酸阻垢劑的制備

將馬來酸酐與氯化銨按一定比例混合均勻，在設定溫度下恒溫，反應完成后加入一定量的氫氧化鈉溶液，在設定溫度下水解一定時間，所得紅棕色透明液體即為聚天冬氨酸的鈉鹽溶液。用鹽酸調節pH值至中性，再用乙醇沉析，即得聚天冬氨酸固體。

1.3　阻垢性能測定[9]

實驗采用靜態離子含量變化法測定其阻垢率，碳酸鈣靜態阻垢試驗條件為：ρ(HCO3-)=366mg/L(均以CaCO3計)，ρ(Ca2+)=240mg/L，70℃恒溫10h。以百分率表示的水處理劑的阻垢性能計算：

式中：x1—加入水處理劑的試液試驗后的鈣離子濃度，mg/mL；x—為加入水處理劑的空白試液試驗后的鈣離子濃度，mg/mL；x0—試驗前配好的試液中鈣離子的濃度，mg/mL。

同等條件下，阻垢率越高，該阻垢劑的阻碳酸鈣垢的效果越好。

2結果與討論

2.1　合成條件的確定

為了制得價格低、阻垢效果好的阻垢劑，以原料摩爾比、反應溫度、反應時間為因素設計了3因素3水平的正交實驗表L9(33)，各因素的安排及其相應水平見表1，實驗方案及結果見表2。

表1　正交實驗的因子水平表

表2　正交實驗方案及結果

由表2結果可知該阻垢劑的最佳合成條件是A1B1C3，即馬來酸酐和氯化銨的摩爾比為1 ∶1.2，反應溫度為140℃，反應時間為5h。

由極差可知，馬來酸酐和氯化銨的摩爾比對阻垢效果影響最大。

按正交實驗設計的最佳反應條件制備阻垢劑，在相同條件下其阻垢率為90.69%，大于正交實驗方案中的結果，確認該實驗條件是最佳合成條件。

2.2　阻垢性能評價

在正交實驗的基礎上，對該阻垢劑進行了性能評價，討論了馬來酸酐和氯化銨的摩爾比及投加量對阻垢效果的影響。

2.2.1馬來酸酐和氯化銨的摩爾比對阻垢效果的影響

由正交實驗結果可知馬來酸酐和氯化銨的摩爾比對阻垢效果影響最大，本文通過單因素實驗研究了馬來酸酐和氯化銨的摩爾比對阻垢效果的影響，結果如圖1所示。

圖1　馬來酸酐和氯化銨的摩爾比對阻垢效果的影響

由圖1可知，阻垢率隨著馬來酸酐和氯化銨的摩爾比的變化而改變，聚天冬氨酸結構中的羧酸基不但可以利用雙電層作用抑制垢的生成，而且對鈣鎂離子有較強的螯合能力，可以有效阻止鈣垢的生成，當氯化銨比例增大時，羧酸基含量減少，阻垢能力下降。

2.2.2投加量對阻垢效果的影響

阻垢劑投加量對阻垢效果也有影響，在規定的實驗條件下考察投加量對阻垢效果的影響，實驗結果如圖2所示。

圖2　投加量對阻垢效果的影響

由圖2可以看出，阻垢率隨著阻垢劑用量增加而增大，當用量為10mg/L時，阻垢效果最好，繼續增加用量，阻垢率增長趨勢緩慢。聚天冬氨酸是高分子阻垢劑，可以吸附在垢晶表面，利用凝聚和分散作用阻止了垢晶間的聚并，從而達到阻垢目的。當投加量很小時，增大用量可以大幅提高阻垢效果；當投加量繼續增大，達到飽和時阻垢效果增幅減小；若繼續增大投加量，很可能導致聚天冬氨酸吸附于垢晶表面，使其效果降低。

3結論

(1)用馬來酸酐、氯化銨為原料，采用兩步法合成的聚合物對碳酸鈣垢具有優良的阻垢效果。

(2)通過正交實驗，確定的最佳合成條件為：馬來酸酐和氯化銨的摩爾比為1 ∶1.2，反應溫度為140℃，反應時間為5h。

(3)阻垢性能試驗結果表明，產品的投加量和原料(馬來酸酐和氯化銨)的摩爾比對阻垢效果都有很大影響。

參考文獻

[1] 冷一欣，韶暉，歐陽平凱，等.綠色化學品聚天冬氨酸的合成與應用進展[J].江蘇工業學院學報，2004，16(3)：46-49.

[2] 王永麗，黃少斌，等.聚天冬氨酸的阻垢機理[J].廣東化工，2006，33(8)：17-19.

[3] 強文學，張麗華，郭燕鴻，等.聚天冬氨酸合成及性能研究[J].化工中間體，2012，7：53-56.

[4] 王永麗，黃少斌，胡和平.聚天冬氨酸合成及其阻垢性能[J].工業用水與廢水，2004，35(10)：74-76.

[5] 霍宇凝，劉珊，陸柱，等.新型聚合物阻垢劑聚天冬氨酸的合成與性能[J].精細化工，2000，17(10)：581-582.

[6] 段驍宸，付文耀，李媛，等.綠色阻垢劑的合成及性能評價[J].廣州化工，2014，42(19)：56-57，60.

[7] 何瀅霞，楊建軍，吳慶云，等.綠色阻垢劑聚天冬氨酸的合成及性能研究[J].山東化工，2014，43(11)：21-23.

[8] 黃福友，張浩，李關訪，等.油田用綠色阻垢劑聚天冬氨酸的合成及性能評價[J].化學工程與裝備，2013(12)：1-3.

[9] SY/T 5673-93 油田用防垢劑性能評價標準[S].

Preparation and Performance Evaluation of Poly-aspartic Acid Scale Inhibitor

YANG Hong-li，JI Cai-yun

(Yan’an Vocational & Technical College，Yan’an 716000，Shaanxi，China)

Abstract：Poly-aspartic acid has good scale inhibition effect.Using maleic anhydride and ammonium chloride，poly-aspartic acid was prepared by hot-polymerization.And the optimum reaction conditions were obtained by orthogonal experiment as follows：molar ratio of maleic anhydride/ammonium chloride was 1 ∶1.2，reaction teamprature was 140℃，and reaction time was 5h.

Key words：poly-aspartic acid，hot-polymerization，orthogonal experiment，scale inhibition rate

中圖分類號：TQ 31，TE 99

通訊作者：楊紅麗，講師，碩士，從事化學處理劑的教學和科研；E-mail：yanghongli77@126.com；Tel：13892178354