PESA的合成

环境污染与防治网络版第6期2006年6月1反渗透阻垢剂聚环氧琥珀酸的阻垢性能研究*田妍１孙咏红周晓慧（大连交通大学环境科学与工程学院，辽宁大连116028）摘要介绍了绿色环保型反渗透阻垢剂聚环氧琥珀酸的合成、提纯方法。用动态及静态阻垢方法对阻垢剂进行阻垢性能评价。实验表明，与国外的同类产品PTP-0100、HypersperseMDC220相比，聚环氧琥珀酸的阻垢效果要高于HypersperseMDC220，低于PTP-0100，但比PTP-0100更环保，阈值更宽。关键词反渗透聚环氧琥珀酸阻垢ThescaleinhibitionofreverseosmosisscaleinhibitorpolyepoxysuccinicacidTianYan,SunYonghong,ZhouXiaohui.(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,DalianJiaotongUniversity,LiaoningDalian116028)Abstract:Thesynthesisandpurificationofagreenenvironmentalreverseosmosisscaleinhibitor-polyepoxysuccinicacidwereintroduced.UsingDynamicandstaticexperimentevaluatedthescaleinhibitioncapabilityofdifferentinhibitors.TheexperimentindicatedthatthescaleinhibitioncapabilityofpolyepoxysuccinicacidissupertoHypersperseMDC220，inferiortoPTP-0100.ButitismoreenvironmentalandwiderdoserangethanPTP-0100.Keywords:ReverseosmosisPolyepoxysuccinicacidScaleinhibition反渗透技术在我国迅速发展，目前已广泛应用于医药生产、电子工业高纯水、饮料用水、化工生产等工业领域。在反渗透系统的运行当中，由于化学污染、胶体污染和微生物污染反渗透膜表面极易结垢，这会直接影响到反渗透装置的正常运行，严重时更会使反渗透膜报废。解决反渗透结垢问题目前国内外广泛采用进水投加阻垢剂的方法，因此反渗透阻垢剂的开发一直都是人们竞相研究的热点[1,2]。国外对反渗透技术的研究较早，在反渗透系统的维护技术方面也比较成熟，已经相继研究开发了一系列新型反渗透阻垢剂，譬如美国KingLee公司、Argo公司等的系列产品，占据了大部分的市场份额。我国在这方面的研究一直很薄弱，国内使用的占90%以上的高效反渗透阻垢剂都依赖从国外进口。PESA是一种无磷、无氮并具有良好生物降解性的绿色阻垢剂，其阻垢活性较高，具有很强的抗碱性，在高钙、高硬度水中，其阻垢性能明显优于有机磷类阻垢剂[3]。国外对PESA的开发始于20世纪90年代初期，我国于90年代后期也开始了对PESA的合成、阻垢及缓蚀性能的研究，本实验通过动态及静态阻垢性实验，比较了PESA及其同类产品PTP-0100、HypersperseMDC220在不同剂量下的阻垢效果，以考察PESA的阻垢性能。1实验1.1PESA的合成在装有恒速搅拌器、冷凝管、温度计、滴液漏斗的四口瓶中，加入29.4g马来酸酐及10mL去离子水，搅拌，使其呈半溶解状态，在水浴中加热到一定温度。在搅拌状态下，第一作者：田妍,女，1981年生，在读硕士，研究方向为绿色反渗透阻垢剂。*辽宁省教育厅高等学校科学研究项目（2004D075）。环境污染与防治网络版第6期2006年6月2缓慢滴加一定量50%氢氧化钠溶液，同时调节水浴温度保持在一定值，使马来酸酐水解生成马来酸盐。升温水浴，加入1.0g钨酸钠，随即缓慢滴加一定量的30%双氧水，恒温一段时间，使马来酸盐环氧化反应，生成环氧琥珀酸。加入一定量的氢氧化钠固体颗粒，升温到一定温度，恒温数小时，得到淡黄色、粘稠的聚环氧琥珀酸溶液。1.2PESA的提纯将PESA溶液与pH=2.5的酸化甲醇按1︰1（体积比）混合，中速搅拌，可得白色粘稠固液混合物，将此混合物抽滤，得白色固体，于干燥器中干燥，备用。1.3动态阻垢实验1.3.1实验装置本实验采用双膜法一级一段式工艺流程，实验装置如图1所示。通过使反渗透浓水回流的方法提高水回收率，且由于采用单根组件，管路简单易于维护，可提高脱盐率。以自来水作为原水，使原水通过进水泵打入两个并联的超滤组件，超滤出水进入产水箱，再通过高压泵进入反渗透。超滤膜是由中科院大连化物所生产的BW型中空纤维膜，反渗透膜是国家海洋局杭州水处理技术中心生产的HRC-220型中空纤维膜。图1超滤-反渗透设备工艺流程图1.3.2实验方法本实验采用三种阻垢剂，分别为美国KingLee公司生产的PTP-0100、Argo公司生产的HypersperseMDC220及实验室自制的PESA。将PTP-0100和MDC220稀释8倍作为标准液使用。由于采用一级一段式工艺，回收率很低，所以使浓水全部回流，产水全部排出，以提高进水中成垢物质的浓度，提高回收率。在此条件下，使操作压力为0.85MPa，控制环境污染与防治网络版第6期2006年6月3反渗透的回收率在20%，运行相同的时间（30min），考察不同阻垢剂在不同用量下的朗格利尔指数LSI值。当LSI≥0时，说明膜有结垢倾向，当LSI0时，膜没有结垢倾向，这表明阻垢剂达到了预期的阻垢效果。1.4静态阻垢实验模拟反渗透浓水水质及运行环境，配制实验水样。使水样中Ca2+为500mg/L，HCO3-为3150mg/L，将溶液定容至500mL，控制pH=7.6，在25℃水浴中恒温24h后，用滤纸过滤，以EDTA法测定溶液中Ca2+含量。阻垢率η的计算公式为：η(%)=%1000102XXXX式中：0X为空白水样恒温24h后，所含Ca2+离子的浓度，mg/L；1X为水样恒温加热前，溶液中所含Ca2+离子的浓度，mg/L;2X为加入阻垢剂的水样恒温24h后，所含Ca2+离子的浓度，mg/L。2实验结果与讨论2.1动态阻垢实验结果与讨论PESA的阻垢实验数据如表1所示。由表1可以看出PESA的阻垢性能随着加药量增加而增强。当加药量达到4、5mg/L时，LSI0，说明在此运行条件下，PESA的投加量要达到4mg/L才能达到良好的阻垢效果。表1不同加药量的PESA的阻垢性加药量/（mg·L-1）进水Ca2+/（mg·L-1）浓水Ca2+/（mg·L-1）温度/℃总溶解性固体TDS/（mg·L-1）浓水pH碱度/（mg·L-1）LSI127.276.028.015878.12150.150.23228.478.028.514708.11156.410.25327.296.027.515658.05190.820.35422.860.024.016327.95118.87-0.22520.873.626.015037.86152.65-0.08PTP-0100的阻垢实验数据如表2所示。由表2可以看出，加药量为1、2mg/L时，PTP-0100就可控制结垢。但是加药量增加，反而使LSI值增大，可见PTP-0100有一定阈值，且阈值范围很窄，超过此阈值范围加药量增加反而降低阻垢效果。表2不同加药量的PTP-0100的阻垢性加药量/（mg·L-1）进水Ca2+/（mg·L-1）浓水Ca2+/（mg·L-1）温度/℃总溶解性固体TDS/（mg·L-1）浓水pH碱度/（mg·L-1）LSI127.072.829.015107.87152.31-0.02227.273.229.014977.88148.58-0.01326.467.629.514397.98140.140.04427.293.628.015848.16179.550.43527.2104.029.015568.15189.940.52环境污染与防治网络版第6期2006年6月4HypersperseMDC220的阻垢实验数据如表3所示。在1~4mg/L的加药量范围内MDC220的LSI值都在0以上，5mg/L时LSI值0，说明在此运行条件下MDC220的加药量要达到5mg/L才能产生阻垢效果。表3不同加药量的HypersperseMDC220的阻垢性加药量/（mg·L-1）进水Ca2+/（mg·L-1）浓水Ca2+/（mg·L-1）温度/℃总溶解性固体TDS/（mg·L-1）浓水pH碱度/（mg·L-1）LSI119.872.328.015078.11139.220.16221.674.028.014908.08143.890.16319.268.427.015378.06136.390.06420.068.029.016537.97137.640.01519.264.829.015607.92135.57-0.072.2静态阻垢实验结果与讨论考察了PESA、PTP-0100及HypersperseMDC220在相同条件下，加药量为2、5、10、15、20mg/L时的阻垢率，实验结果如图2所示。0204060801000510152025加药量/(ppm·L-1)阻垢率/%PESAPTP-0100MDC220图2不同阻垢剂在不同加药量下的阻垢效果如图所示，PESA的阻垢率随加药量的增加而增加，当加药量为10mg/L时，PESA的阻垢率达到了60%，加药量大于15mg/L时，阻垢率达到了80%以上；PTP-0100的阻垢率一直在60%以上，但随着加药量增加，阻垢率只有小幅增加；MDC220在2mg/L时的阻垢率很低，5mg/L时阻垢率突然增加到60%以上，随后随着加药量增加，阻垢率只有小幅增加。3结论动态阻垢实验中，PESA的阻垢性能随加药量增加而增强，在4、5mg/L时有很好的阻垢效果；PTP-0100在1、2mg/L具有很好的阻垢效果，加药量大于3mg/L时的阻垢效果不理想；MDC220在5mg/L时才有很好的阻垢效果。可见低剂量时PTP-0100的阻垢效环境污染与防治网络版第6期2006年6月5果比PESA及MDC220好，高剂量时PESA的阻垢效果好于MDC220及PTP-0100，且PTP-0100的阈值范围窄，超过阈值会大大降低阻垢效果。静态阻垢实验中，加药量在5mg/L以下时，PTP-0100的阻垢效果最好；5~10mg/L时MDC220的阻垢效果最好，PTP-0100次之；15mg/L以上时PESA的阻垢效果最好，MDC220次之。可见低剂量时PTP-0100的阻垢效果最好，高剂量时PESA的阻垢效果最好，这与动态阻垢实验是相吻合的。综上所述，PESA的阻垢效果略优于MDC220，低于PTP-0100。如进一步改善PESA的提纯工艺，增加产物中PESA的含量，那么PESA的阻垢效果将进一步提高，有望同于或超过PTP-0100。而且PTP-0100及MDC220是小分子含磷阻垢剂，降解后必将产生磷污染水体，不利于环保；而PESA无磷、无氮，易生物降解已被国家经贸委2001年第5号公告列入《当前国家鼓励发展的节水设备（产品）目录》第一批[4]。从环保和应用的角度看，PESA具有更好的市场前景和价值。参考文献1杨昆，王宇彤.反渗透系统的结垢污染与清洗维护.膜科学与技术，2001，21（4）：61~642周柏青，徐厚道，李芹,等.反渗透系统专用阻垢剂的评价方法.华北电力技术，2005（4）：43~453严瑞瑄.水处理剂应用手册.北京：化学工业出版社，2000.2554秦会敏，郦和生.绿色水处理剂聚环氧琥珀酸的研究进展.石化技术，2003，10（4）：52～55责任编辑：陈泽军（收到修改稿日期：2006-03-26）©版权所有《环境污染与防治》杂志社