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羧基或磷酸功能化的PAMAM高效阻垢劑的制備及性能

羧基或磷酸功能化的PAMAM高效阻垢劑的制備及性能 |  2022-09-16 |

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水資源的嚴重短缺和經(jīng)濟的快速發(fā)展促進了地下水在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、海水淡化裝置、熱水管道、熱交換器、油氣生產(chǎn)設(shè)備等領(lǐng)域的有效利用。然而，工業(yè)循環(huán)水或地下水中含有大量的堿土金屬陽離子和陰離子，它們會形成不溶的無機鹽。工業(yè)用水中的無機鹽和微生物會產(chǎn)生嚴重的結(jié)垢問題。為了解決該問題，在循環(huán)冷卻水體系中添加化學除垢劑是實際應用中最有效、最經(jīng)濟的方法。廣泛使用的化學阻垢劑主要包括：含磷阻垢劑、天然聚合物阻垢劑、聚合物阻垢劑、環(huán)境友好阻垢劑等。

由于阻垢的效果好、操作方便，磷酸鹽及其衍生物是廣泛使用的阻垢劑，但磷化物會造成嚴重的環(huán)境污染。有機磷化合物在水環(huán)境中非常不穩(wěn)定，它們會水解，或與水反應而轉(zhuǎn)變成無效的正磷酸鹽。含磷阻垢劑，如2-磷酸丁烷-1,2,4-三羧酸（PBTCA），雖然具有優(yōu)異的阻垢性，但比較于傳統(tǒng)阻垢劑，嚴重的環(huán)境污染使其應用受到嚴格限制。因此，開發(fā)低磷高效的綠色阻垢劑已成為開發(fā)水處理材料的一個重要研究方向。

作為新型綠色阻垢劑，人們廣泛研究了天然高分子阻垢劑，例如殼聚糖、改性殼聚糖、沒食子酸、纖維素等。由于不穩(wěn)定和相對較低的阻垢效果，這些阻垢劑在工業(yè)上應用的報道較少。含有多功能基的合成聚合物，如含有羧基、羥基、胺基、硫酸、磺酸等的聚合物具有絡(luò)合作用強、分散性良好，因此是另一類阻垢劑。例如，IA/AMPS共聚物，當用量是14mg/L、18mg/L時，對CaCO3、CaSO4的抑垢效率為81.2%、80.6%。但這些線形結(jié)構(gòu)聚合物阻垢劑有明顯的閥值效應。在低濃度或高礦化工業(yè)水環(huán)境下阻垢效果不佳。這促進了綠色高效阻垢劑的開發(fā)，如聚環(huán)氧琥珀酸（PESA）、聚天冬氨酸（PASP）及其衍生物。在大多數(shù)情況下，特別是在pH 9以上和較高礦化情況下，線形PESA和PASP的阻垢效率不高。不同于線形聚合物阻垢劑，超支化或樹枝狀聚合物粘度低、溶解性好、末端功能基密度高，作為阻垢劑具有優(yōu)勢。PAMAM含有豐富的帶有未共享電子對的N原子，易于吸附在CaCO3晶體表面。PAMAM的三維結(jié)構(gòu)可顯著干擾CaCO3的晶體形成和生長。聚合物阻垢劑的有效性取決于其分子量和鏈長度。一般來說，具有約10-15 個重復單元或分子量低于5000Da. 的聚合物作為阻垢劑是比較合適的。

廣東石油科技大學的Ying Yang等人采用2-磷酸-1,2,4-丁烷三羧酸（PBTCA）、琥珀酸酐（SA）功能化PAMAM，并將其用作阻垢劑。作者制備了PBTCA改性的PAMAM（PAMAM-1）、SA改性的第一代和第二代PAMAM（CAMAM-1和CAMAM-2）。作者用靜態(tài)阻垢法測定了線形低分子量聚丙烯酸（LPAA）、PBTCA、PAMAM-1、CAMAM-1、CAMAM-2等對CaCO3、CaSO4的抑垢效率。結(jié)果顯示，與PBTCA和PAMAM-1比較，羧端基PAMAM具有優(yōu)良的阻垢效果。與LPAA和PBTCA比較，樹枝狀結(jié)構(gòu)可有效提高阻垢劑的阻垢效率。此外，提高羧端基PAMAM的代數(shù)，阻垢性能加強。濃度為10mg/L的CAMAM-2，對CaCO3、CaSO4的阻垢效率為~96.3%、95.2%。當Ca2+濃度為4000mg/L，CAMAM-2的阻垢效率大于85%，pH為 5-9時，阻垢效率可達90%以上。FTIR、XRD、SEM-EDX測試結(jié)果證實，CaCO3從穩(wěn)定的方解石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)的文石和六方石，針狀結(jié)構(gòu)被破壞成為小晶體。CAMAM-2在晶體生長過程中只占據(jù)結(jié)晶位點，并使鈣垢的晶格發(fā)生畸變，而不能吸附在已形成的晶體表面。該文為磷酸或羧端基PAMAM在阻垢方面的應用提供了有力的數(shù)據(jù)支持。