聚天冬氨酸的合成及工藝條件優(yōu)化

劉政艷

（南京中電環(huán)保固廢資源有限公司，南京 210029）

聚天冬氨酸是一種性能優(yōu)異、可生物降解的綠色化學(xué)品，不僅具有良好的鈣離子交換能力和生物降解性，還可以破壞鈣鹽結(jié)晶結(jié)垢，其可以用于工業(yè)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)穩(wěn)定劑[1-2]。本文以碳酸銨和馬來酸酐為原料采用間接聚合的方法合成聚天冬氨酸，以PASP對碳酸鈣的阻垢率為產(chǎn)物標(biāo)的考察，篩選合成工藝條件，再根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)進(jìn)行正交試驗(yàn)，以確定PASP的最優(yōu)合成工藝條件[3]。

1 聚天冬氨酸的合成

1.1 反應(yīng)機(jī)理

以碳酸銨和馬來酸酐為原料，采用間接聚合的方法，合成的聚天冬氨酸平均分子量在3000～6000，滿足作為循環(huán)冷卻水阻垢劑使用的要求[4]。

圖1 馬來酸酐和碳酸銨反應(yīng)方程式

1.2 合成步驟

產(chǎn)品合成主要包括以下兩個(gè)步驟。

1.2.1 合成聚琥珀酰亞胺

按一定摩爾配比，稱取馬來酸酐和碳酸銨放入燒杯中，加入10 mL去離子水，用玻璃棒攪拌全部溶解后在烘箱中加熱，烘箱溫度達(dá)到90℃后，燒杯中液體呈透明黏稠狀，繼續(xù)將烘箱溫度升至155℃時(shí)，透明黏稠狀液體顏色開始逐漸加深，烘箱繼續(xù)升溫至一定溫度，恒溫反應(yīng)一定時(shí)間，可以得到棕黃色泡沫狀固體。

1.2.2 合成聚天冬氨酸

稱取4 g步驟1.2.1中反應(yīng)得到的棕黃色泡沫狀固體置于燒杯中，在50℃水浴鍋中水解約1 h，用2 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為9.5左右，得到深紅棕色液體。該液體用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH值為6，放入80℃烘箱中，蒸發(fā)液體體積至約30 mL后，倒入200 mL無水乙醇中，有紅棕色沉淀析出。該沉淀物在80℃烘箱中干燥備用。

2 工藝條件優(yōu)化

2.1 單因素試驗(yàn)

聚天冬氨酸的產(chǎn)品性能受合成過程中很多條件的影響，本文將水解溫度、原料摩爾質(zhì)量配比、聚合反應(yīng)溫度和聚合反應(yīng)時(shí)間作為研究對象[5-6]。

2.1.1 摩爾配比

采用碳酸銨和馬來酸酐分別為1.0:1.3、1.0:1.2、1.0:1.1、1.0:1.0的四個(gè)摩爾質(zhì)量比，180℃下聚合反應(yīng)1.5 h，然后水解1.0 h。分析產(chǎn)物阻垢性能，確定反應(yīng)物摩爾量最優(yōu)配比。

對應(yīng)四個(gè)摩爾比的阻垢率分別為75.86%、90.50%、85.86%、72.70%。由此可知，摩爾比為1.0:1.0、1.0:1.1、1.0:1.2的原料在180℃下聚合1.5 h后，阻垢率隨著配比的增高而增加，摩爾比為1.0:1.3時(shí)阻垢率下降明顯，說明產(chǎn)物的阻垢性能存在閾值效應(yīng)。確定最佳的原料摩爾質(zhì)量配比為1.0:1.2。

2.1.2 聚合溫度

選取180℃、170℃、160℃、150℃四個(gè)反應(yīng)溫度，反應(yīng)物摩爾配比1.0:1.2，聚合時(shí)間1.5 h，然后水解1.0 h，分析產(chǎn)品對碳酸鈣阻垢性能指標(biāo)，確定最優(yōu)的聚合反應(yīng)溫度。

對應(yīng)四個(gè)反應(yīng)溫度產(chǎn)品阻垢率分別為88.49%、80.87%、69.07%、41.77%。由此可知，在馬來酸酐和碳酸銨摩爾質(zhì)量配比、聚合反應(yīng)時(shí)間和水解溫度不變時(shí)，隨著聚合反應(yīng)溫度的降低，產(chǎn)品阻垢效果也明顯降低，因此確定最佳的聚合溫度是180℃。

2.1.3 聚合時(shí)間

選取聚合反應(yīng)時(shí)間分別為1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，反應(yīng)物摩爾配比1.0:1.2，聚合時(shí)間1.5 h，然后水解1.0 h，分析產(chǎn)品對碳酸鈣阻垢性能指標(biāo)，確定最優(yōu)的聚合反應(yīng)時(shí)間。

對應(yīng)四個(gè)反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)品阻垢率分別為70.87%、85.56%、83.60%、83.87%。由此可知，當(dāng)原料摩爾質(zhì)量配比和聚合反應(yīng)溫度不變，改變聚合反應(yīng)時(shí)間，合成產(chǎn)品對碳酸鈣的阻垢率改變并不明顯，因此選取對碳酸鈣的阻垢率相對較高的1.5 h為最優(yōu)聚合反應(yīng)時(shí)間。

2.2 正交試驗(yàn)

依據(jù)2.1試驗(yàn)結(jié)果，以產(chǎn)品對碳酸鈣的阻垢率為考察標(biāo)的，選擇反應(yīng)物摩爾質(zhì)量配比、聚合反應(yīng)溫度、聚合反應(yīng)時(shí)間，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)表，優(yōu)化產(chǎn)品合成工藝。

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)2.1試驗(yàn)所得的結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，驗(yàn)證2.1試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化產(chǎn)品合成工藝條件。產(chǎn)品收率和對碳酸鈣的阻垢率試驗(yàn)方案及結(jié)果如表1、表2所示。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，確定最合成條件。以產(chǎn)品合成對碳酸鈣的阻垢性能為標(biāo)的，對PASP的合成條件進(jìn)行分析，碳酸鈣阻垢率的直觀分析和方差分析結(jié)果分別如表3、表4所示。

從表4可以看出，給定顯著水平α=5%，查F分布分位數(shù)表得F0.95（4，1）=7.71；給定顯著水平α=10%時(shí)，查表得F0.90（4，1）=4.54，而計(jì)算出的方差比Fi值均小于F值，所以本試驗(yàn)中各因素對PASP阻垢率均無顯著性影響。由表3中極差的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，各因素對PASP阻垢率的影響程度順序是：摩爾質(zhì)量配比＞聚合反應(yīng)時(shí)間＞聚合反應(yīng)溫度＞水解溫度，因此得出PASP阻碳酸鈣垢性能較好的聚合反應(yīng)條件最佳組合為A2B3C1D2，即原料摩爾質(zhì)量配比1:1.2，聚合反應(yīng)溫度180℃，聚合反應(yīng)時(shí)間1.5 h，水解溫度60℃，PASP的阻垢率為91.06%。

表3 阻垢率直觀分析

表4 阻垢率方差分析

2.2.3 最優(yōu)合成工藝條件的確定

從考察PASP產(chǎn)品阻碳酸鈣垢率的正交試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)條件對阻垢率的影響程度相對顯著，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，確定產(chǎn)品最優(yōu)反應(yīng)工藝為馬來酸酐和碳酸銨摩爾質(zhì)量配比為1.0:1.2，加入10 mL去離子水溶解，放入烘箱升溫至180℃，恒溫1.5 h后在60℃水浴鍋中水解1 h。以PASP對碳酸鈣的阻垢性能為主要考察目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)行的3組重復(fù)試驗(yàn)阻垢率分別為89.47%、90.23%、91.49%。由此可見，該工藝合成聚天冬氨酸的阻垢率在90%左右，符合聚天冬氨酸對循環(huán)冷卻水阻垢性能的要求，符合經(jīng)濟(jì)性需要。

3 結(jié)論

單因素試驗(yàn)中，反應(yīng)物摩爾質(zhì)量配比1.0:1.2，產(chǎn)品阻垢率最佳；阻碳酸鈣垢率隨著聚合反應(yīng)溫度的降低而明顯降低，因此最佳聚合反應(yīng)溫度選180℃；阻碳酸鈣垢率隨著聚合反應(yīng)時(shí)間的改變無明顯變化，因此選阻垢率較高的1.5 h為最優(yōu)聚合反應(yīng)時(shí)間。

正交試驗(yàn)中，各因素對PASP阻碳酸鈣垢率影響均不具有顯著性，影響順序是：摩爾質(zhì)量配比＞聚合反應(yīng)時(shí)間＞聚合反應(yīng)溫度。據(jù)此，最優(yōu)反應(yīng)條件可選：馬來酸酐和碳酸銨摩爾質(zhì)量配比為1.0:1.2，聚合反應(yīng)溫度為180℃，聚合反應(yīng)時(shí)間為1.5 h。該條件下合成的PASP阻碳酸鈣垢率在90%左右，符合PASP對循環(huán)冷卻水中水垢阻垢性能的要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。