改性木素的阻垢性能研究 - 文章

改性木素的阻垢性能研究

作者：贵州工业大学谢燕陈文瑾曾祥钦

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摘要：采用自由基反应，对木素进行枝改性，合成羧酸型木素(LA)阻垢剂。利用静态阻垢法测定和比较LA与一些常用阻垢剂的阻垢率。结果表明，LA阻垢性能良好，当LA用量为10mg/L，阻垢率达85.2%。根据三因子二次回归正交设计实验，定量研究了阻垢率与溶液中阻垢剂LA用量、Ca2+含量和pH值之间的关系，得到的回归方程能较好拟合实验测定结果，可用于合成产物LA阻垢性能和确定其适用条件的研究。
关键词：磺化木素；接枝改性；阻垢

前言

在工业冷却水系统中，添加阻垢剂是控制成垢的重要手段之一。目前，我国水处理剂市场以无机和合成有机阻垢剂为主，天然原料的阻垢剂由于其组成不稳定，性能波动大等缺点而应用较少。但随着人们保护环境和合理利用资源意识的不断提高，改性天然原料阻垢剂由于其来源丰富、无毒、价廉等优点，其研究和应用正逐步引起人们的重视。木素是一种来源丰富、价格低廉而无毒性的可再生资源，而工业木素主要来源于制浆造纸工业的废水。因此，对工业木素进行改性，合成的阻垢剂既有利于解决造纸废水污染环境的问题，又可提高资源利用率。

本文采用自由基聚合反应，对工业磺化木素进行接枝羧基的改性，得产物羧酸型磺化木素LA。改性目的在于提高木素大分子中螯和能力较强的羧基官能团的含量，以增强改性木素对碳酸钙垢的阻垢作用。利用静态阻垢法测定了LA的阻垢性能，实验结果表明，LA阻垢性能良好；通过三因子二次回归正交法设计实验，得出回归方程能较好拟合实验结果，得出在不同硬度、pH值的水体中的LA最佳适用条件。

1 羧酸型磺化木素的制备

1.1 原料

磺化木素：黑龙江开山屯造纸厂生产。

丙烯酸等试剂均为分析纯试剂。

1.2 合成

在装有搅拌器、滴液漏斗的三口烧瓶中，加入一定剂量的水、磺化木素，搅拌溶解后，调节溶液pH值为2.5～3.5，加入定量FeSO4溶液，然后同时滴加丙烯酸和过氧化物引发剂，按自由基反应进行合成实验。溶液滴加完毕，于一定温度下恒温1小时后得改性产物—羧酸型磺化木素(LA)，产物为深棕色溶液。

1.3 红外谱图测定

原料磺化木素和合成样品LA，经丙酮、无水乙醇提纯后，于真空下干燥，然后分别与少量KBr混合并研磨，用750型FT-IR傅立叶变换红外光谱仪进行红外分析。红外光谱见图1。

由图中可看出，LA的红外谱图中出现了羧基的特征峰：吸收波数为3438.50cm^-1、1637.29cm^-1、1130.10cm^-1的峰，所对应的官能团分别为-OH、-COOM、-COC-，尤其是在指纹区中1637.29cm-1和1130.10cm-1峰的出现，它们分别是酯的C=0和C-0的伸缩振动吸收峰，而这两峰在原料磺化木素的谱图中未出现。由红外光谱分析可知，原料磺化木素的确接上了羧基，达到了改性的目的。

2 阻垢率的测定

2.1 静态阻垢法测定阻垢率

将定量阻垢剂加到含一定Ca2+浓度和HCO3-浓度的配制水中，在指定pH值下，于80℃恒温8小时，取出冷却后，摇匀、过滤。取一定量滤液，用EDTA配位滴定法测定溶液中Ca2+浓度。阻垢剂的阻垢率y(%)由下式计算：

阻垢率y=(V1-V0)/(V2-V0)×100%

式中V0、V1、V2分别为未加阻垢剂，加阻垢剂和常温配制水总钙测定时所耗用的EDTA毫升数。

2.2 模型溶液的阻垢试验

为了考查合成产物LA的阻垢性能和确定其适用条件，本文采用三因子二次回归正交设计安排试验，研究阻垢率y(%)与阻垢剂LA用量x1，溶液中Ca2+浓度x2和溶液pH值x3三个因子之间的关系。阻垢率测定方法采用静态法。各因子编码见表1，试验安排和结果见表2。

表1 因子编码表

表2 三因子二次回归正交设计表及试验结果

试验结果经方差分析(表3)和数据处理后得回归方程

y/%=76.97+8.75x1-9.39x2-16.56x3-1.54x1x2+2.96x1x3-7.44x2x3+1.15x1²+1.56x2²+0.95x3²

试验结果的F检验为

F=[(Q1+Q2+…+Q9)/9]/(S剩/5)=8.79

8.79＞F0.10(9，5)=3.32

这说明在试验范围内，试验数据可信，得到的回归方程能较好拟合试验结果。

表3 方差分析

2.3 阻垢率与LA用量关系

在pH值为8.0，Ca2+浓度为250mg/L的配制水中，测定LA在不同用量下的阻垢率，测试结果y测定见表4。实验测定结果表明阻垢率随LA加入量的增加而上升。当LA用量为10mg/L时，阻垢率已达85.2%，而再增加LA浓度，阻垢率增加较缓慢。

说明，LA作为阻垢剂使用，最佳浓度在10mg/L左右；而由回归方程计算出的阻垢率数值y计算，其变化规律同实验测定结果，说明模型试验的设计是合理的，能较好拟合实验测试结果。

表4 LA用量与阻垢率关系

(LA用量为20mg/L时，已超出模型试验的浓度范围)

2.4 溶液pH值对阻垢率的影响

在Ca2+浓度为250mg/L，阻垢剂LA用量为10mg/L的实验条件下，LA的阻垢性能随溶液pH值变化的情况如图2。曲线1和2分别为实验测定和回归方程计算结果。由图2可知，在正交试验范围内，方程能较好拟合实验结果；溶液pH值对碳酸钙垢的生成有很大影响。随着溶液pH值的升高，阻垢率下降，尤其是当pH＞8.0后，阻垢率下降较明显。这是因为随着溶液pH值的增加，溶液中CO32-浓度增大，使得CaCO3生成速度提高，阻垢率明显下降。

2.5 Ca2+浓度对阻垢率的影响

在pH值为80，LA用量为10mg/L的实验条件下，测定不同Ca2+浓度下的配制水中LA的阻垢率，测试结果(图3)表明，随着溶液中Ca2+浓度的增加，阻垢率逐渐下降，说明阻垢剂LA不适用于高硬度水中，而在中、低硬度水中阻垢效果较好。回归方程的计算结果同样说明这一结论。

图2 pH值对阻垢率的影响图3 硬度对阻垢率的影响

3 几种阻垢剂的阻垢效果比较

在pH值为8.0，Ca2+浓度均为250mg/L，阻垢剂用量均为10mg/L的配制水中测定羧酸型磺化木素LA、未接枝原料磺化木素和腐殖酸钠、六偏磷酸钠等目前常用阻垢剂的阻垢效果，结果见表5。

表5 几种阻垢剂的阻垢效果比较

实验结果表明，磺化木素经接枝羧基改性后，其阻垢效果大为增强；而与目前生产中常用的阻垢剂比较，LA的阻垢性能是较好的。

4 结论

1)本素经自由基反应改性所合成的羧酸型木素LA阻垢剂，含有螯和能力较强的羧基宫能团，使其对碳酸钙垢具有良好阻垢效果，而其原料来源丰富、价格低廉，是一种具有良好应用前景的阻垢剂。

2)在正交试验范围内，模型试验结果能较好拟合阻垢率测定的实验结果，说明回归方程反映的阻垢率与溶液中LA浓度、Ca2+浓度及pH值三因子间的关系，可用于对合成产物LA的阻垢性能和确定其适用条件的研究。

参考文献：
［1］楼宏铭等.木素系水处理剂的研究进展［J］.工业水处理.1999，19(3)：1-3.
［2］茆诗松等.回归分析及其试验设计［M］.上海；华东师范大学出版社，1981.
［3］陈文瑾等.静态阻垢法在阻垢剂研究中的改进［J］.贵州工业大学学报.1999，28(3)：43-46.

Research on scale inhibition of modified lignin

XIE Yan,CHEN Wen-jin,ZENG Xiang-qin

(Department of Chemical Engineering,GUT,Guiyang 550003,China)

Abstract：Lignin was modified through the free radical reaction to synthesize a kind of scale inhibitor the carboxylic lignin(LA).The antiscale rates of LA and some common scale inhibitors were determined through the static scale inhibition method.The results show that AL is a kind of good scale inhibitor.The antiscale rate may be raised to 85.2% when the adding amount of LA is 10mg/L.Therough the test of three-factor quadratic regression orthogonality,we study uqantitatively the relationship between the antiscale rate and the adding amount of LA,the calcium content of the solution and the PH value.We come to the regression equation,which fairly fits the result of the experiment and can be used as the study of the antiscale property and the usable condition of LA.

Key words:lignosulfonate;graft modification;antiscale(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/24/2005)


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