AA－SAS共聚物的合成及其阻垢性能
摘要：以水為溶劑、過硫酸鹽為引發劑，以丙烯酸(AA)和烯丙基磺酸鈉(SAS)為單體，合成了丙烯酸一烯丙基磺酸鈉(AA-SAS)共聚物阻垢劑。探討了單體配比、引發劑用量、反應體系溫度和分子量調節劑對聚合物阻垢性能的 影響 。結果表明，共聚物對磷酸鈣阻垢作用具有閾值效應，當用量大于12mg/L時，阻垢率約為99%。
關鍵詞：冷卻水處理 阻垢劑 丙烯酸 烯兩基磺酸鈉 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
堿性冷卻水處理技術的 發展 ，要求聚合物不但能阻碳酸鈣垢，而且能抑制磷酸鈣和鋅鹽，穩定氧化鐵等。含磷酸基聚合物是一類綜合性能良好的阻垢劑[1-3]。常用作磺酸基的單體是 AMPS(2-丙烯酸胺基-2-甲基丙碳酸)，但其制備工藝復雜，價格比較昂貴，是烯丙基磺酸鈉(SAS)單體的2倍多。本論文以烯丙基磺酸鈉(SAS)與丙烯酸(AA)共聚，討論二元共聚物的合成條件，初步 研究 了AA-SAS的阻垢效果。
1.AA-SAS二元共聚物的合成
在裝有冷凝器、溫度計、滴液漏斗的三口燒瓶中，加入180 g丙烯酸、72 g烯丙基磺酸鈉、定量去離子水以及適量分子量調節劑。將 13 g過硫酸鹽配制成一定濃度的溶液加入到滴液漏斗中。攪拌，升溫，通入氮氣。在溫度85℃時滴加引發劑，并控制溫度在 90±0.5℃。反應式為：
反應5.0h后，得到無色或淡黃色粘稠液體。將產物傾倒至乙醇中沉析，過濾，洗滌，濾出物在60℃溫度中真空干燥。
2 阻垢性能的測定
配制一定pH值和固含量的模擬硬水，加入阻垢劑，在 80℃下保溫 10 h。然后冷卻，過濾，測定濾液中相應組分的含量， 計算 阻垢率。
磷酸鈣阻垢率的測定采用分光光度法。磷酸鈣阻垢實驗水質條件為：ρ(Ca2+)=150mg/L，ρ(PO43-)=5 mg/L，pH=9.0。碳酸鈣阻垢率的測定采用EDTA絡合滴定法。碳酸鈣的阻垢實驗水質條件為：ρ(Ca2+)=200 mg/L，ρ(HCO3-)=305mg/L，pH=9.0。
3 結果與討論
3.1 單體配比對阻垢性能的影響
在引發劑用量占單體總質量為 6%時，于 90℃反應5h，各不同單體配比的聚合物對磷酸鈣的阻垢率如表1。
| n（AA）：n（SAA） | AA-SAS在不同投量（mg·L-1）下的阻磷酸鈣垢率/% | |||||
| 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，單體配比n(AA)：n(SAS)=3：l-4：1時，對磷酸鈣的阻垢效果好，單體配比太大或太小，當聚合物用量較小時，阻垢率均有下降的趨勢。AA-SAS對磷酸鈣的阻垢，具有明顯的閾值效應。投加量小于 16 mg/L時 AA-SAS對磷酸鈣的阻垢率很低，當投加量達到閾值效應濃度時，AA-SAS的阻垢率快速上升。在高劑量下，各配比的AA-SAS對磷酸鈣的阻垢率趨向相近。
3.2 引發劑用量對阻垢性能的影響
單體配比 n(AA：n(SAS)=3.5：1，改變引發劑用量(以占單體總質量的百分數計)，當共聚物用量為 20 mg/L時，AA-SAS對磷酸鈣和碳酸鈣的阻垢效果如表2。
| 垢物類型 | 不同比例引發劑用量（%）下AA-SAS阻垢率/% | |||||
| 2 | 3 | 6 | 8 | 10 | 15 | |
| 磷酸鈣垢 | 81.5 | 87.8 | 93.0 | 94.7 | 89.0 | 82.6 |
| 碳酸鈣垢 | 51.0 | 74.3 | 85.0 | 83.8 | 70.4 | 61.0 |
從表2知，引發劑用量占單體總質量分數為6%-8%時，聚合物對磷酸鈣和碳酸鈣的阻垢效果很好。引發劑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 反應溫度對阻垢性能的 影響
在單體配比3.5：1，引發劑用量6%的條件下，改變反應體系溫度，當投加量為20 mg/L時，聚合物 A A-SAS垢物的阻垢效果見表 3。
| 垢物類型 | 不同反應溫度（℃）下AA-SAS阻垢率/% | |||
| 70 | 80 | 85 | 90 | |
| 磷酸鈣垢 | 76.8 | 84.5 | 87.3 | 98.3 |
| 碳酸鈣垢 | 62.5 | 71.6 | 74.4 | 85.0 |
隨著溫度的增加，AA-SAS的阻垢率也增大。但是反應溫度太高，在引發劑分解速率加快的同時，生成的聚合物的分解速度也會增加。所以，反應溫度范圍在85-90℃為宜。
3.4 分子量調節劑對阻垢性能的影響
在反應體系中加入適量的分子量調節劑，AA-SAS對磷酸鈣垢的阻垢效果隨投加量的變化如圖1。從圖1知，隨著投加量的增加，AA-SAS對磷酸鈣的阻垢率增大。由于調節劑加人，降低了聚合物的分子量，在低劑量時，得到了AA-SAS的阻垢率高于沒有加入調節劑的共聚物，同時降低了AA-SAS的閾值效應濃度。無分子量調節劑時聚合物的閾值效應質量濃度為16 mg/L，此時對磷酸鈣的阻垢率約為81.4%，而有分子量調節劑時聚合物的閾值效應質量濃度為 12 mg/L，此時的阻垢率約為97.6%，表明適當降低分子量可以提高聚合物的阻垢性能。
4 小結
以水為溶劑，過硫酸鹽為引發劑合成了AA-SAS共聚物。合成AA-SAS較合適的工藝條件是：n(AA)：n(SAS)=3：1-4：1，引發劑用量占單體總質量分數為6%-8%，反應溫度90℃，反應時間 5 h，適量分子量調節劑。AA-SAS對磷酸鈣的阻垢率具有閾值效應，劑量大于 12 mg/L時，對水系統的磷酸鈣垢有很好的抑制作用。
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