一种高效环保型阻垢缓蚀剂的制备及性能研究

1一种高效环保型阻垢缓蚀剂的制备及性能研究摘要：以无水马来酸酐和β-巯基丙酸为主要原料、铬酸钾为催化剂合成出S-羧乙基硫代琥珀酸(CETSA)，并对其阻垢缓蚀效果进行了研究。结果表明：S-羧乙基硫代琥珀酸具有良好的水溶性和生物降解性，在宽pH范围内具有较好的缓蚀阻垢性能，尤其将其与葡萄糖酸钠、丙烯酸羟丙酯（HPA）及Zn盐等物质复配后（无磷1#），其缓蚀率得到大幅度提高。它在45℃和投加浓度为20ppm条件下，其缓蚀率可达93.2%、阻垢率达98.5%，且无磷环保，具有更高的性价比。关键词：无磷环保型；缓蚀阻垢剂；S-羧乙基硫代琥珀酸；合成中图文分类号：TQ085文献标识码:APreparationandStudyofaNewkindofPhosphorus-freeCorrosionandScaleInhibitorZengDe-fang,XiaoJian-guo(SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology;HubeiKeyLabofMineralResourceProcessingandEnvironment;Wuhan,Hubei430070,P.R.China)Abstract：ExperimentalprocessofpreparingS-carboxymethylthiosuccinateacid（CETSA）isdescribed,inwhichanhydrousmaleicanhydrideandβ-mercaptopropionicacidareusedasthemainrawmaterialandcatalystsuchaspotassiumchromatewasused.Itsscaleandcorrosioninhibitionperformancehasbeenstudiedcompoundwithotherwatertreatment.ResultshowsthatCETSAhasagoodwater-soluble、bio-degradability,andhasagoodscaleandcorrosioninhibitionabilitywithinawiderangeofpHvalues.Whencompoundwithsodiumgluconate,hydroxypropylacrylate(HPA)andZnsalt,theperformancehasobviouslyenhanced.Undertheconditionof45℃，dosageof20mg·L-1,thecorrosioninhibitionratecanreachupto93.2%,anditsscaleinhibitionratecanreachupto98.5%.Inaddition,theformulaisPhosphorus—Free，soithasamuchmorehigherratioofqualitytovalue.Keywords：phosphorus-freeandenvironmentallyfriendlytype;CorrosionandScaleInhibitor;carboxymethylthiosuccinateacid;synthesis2随着能源电力和钢铁工业工业的迅猛发展，循环冷却水的用量也来越大，为了防止循环冷却水所引起的管道腐蚀和结垢等不良现象，通常需向循环冷却水中加入一定量的阻垢缓蚀剂，以防止管道腐蚀和结构，但传统的阻垢缓蚀剂中因含有磷酸盐类等物质，排入环境会引起水体富营养化，严重污染水环境。因此如何研制出一种新型无磷阻垢缓蚀剂已成为当今环保和水处理剂领域亟待解决的重大课题[1-2]。为此，本文采用新的合成方法制备出环保型无磷阻垢缓蚀剂—S-羧乙基硫代琥珀酸，然后再将其与其他无磷阻垢剂和缓蚀剂复配，得到性能更加优异的新型无磷阻垢缓蚀剂，展现出良好的应用前景[3]。1.实验部分1.1主要实验药品与仪器马来酸酐、β-巯基丙酸、甲苯、冰醋酸、铬酸钾、葡萄糖酸钠、苯甲酸钠、水解聚马来酸酐（HPMA）、ZnSO4·7H2O、CaCl2、MgSO4·7H2O、NaHCO3、NaOH、钙羧酸指示剂、乌洛托品、盐酸等分析纯化学试剂（湖北大学化工厂生产）；202-2型电热恒温干燥箱（金坛市白塔金昌实验仪器厂生产）；pHS-3C型酸度计（上海天呈科技有限公司生产）；HH-SAHH-SA型超级恒温油浴锅（金坛市梅香仪器制造厂生产）、RCC-I型旋转挂片腐蚀仪（江都市建华仪器仪表厂生产）。1.2S-羧乙基硫代琥珀酸的合成在一个装有温度计、搅拌器的三口烧瓶中加入一定量的马来酸酐（Ⅱ）、蒸馏水，在恒温油浴锅中和常压搅拌下加热该体系至75℃左右，使马来酸酐完全溶解；然后将少量β-巯基丙酸（Ⅰ）溶于甲苯中并将该甲苯溶液加入到此三口烧瓶中，用冰醋酸调节该体系pH至5，然后加少量铬酸钾作催化剂，在搅拌条件下将该系统温度升高至140℃，在140℃恒温条件下搅拌反应2h，然后趁热过滤、滤液冷却重结晶、再过滤干燥后，便得到白色粉末，即为本产品：S-羧乙基硫代琥珀酸，简称CETSA。合成示意图如下：1.3新型高效无磷阻垢缓蚀剂的复配鉴于目前无磷阻垢缓蚀剂的阻垢性能尚可、而主要存在缓蚀性能先天不足的特点[4]，本实验将上述制得的S-羧乙基硫代琥珀酸（CETSA）与葡萄糖酸钠、苯甲酸钠、水解聚马来酸酐（HPMA）、硫酸锌等无磷缓蚀剂进行复配和不同浓度的筛选[8-10]，从中找出缓蚀性能更加优异的无磷阻垢缓蚀剂的最佳配方。1.4产品的性能测试1.4.1CETSA阻垢性能的测定用静态阻垢实验测定其阻垢率，具体过程如下：在烧杯中各加入[Ca2+]=0.5g·L-1（以CaCO3计），[Mg2+]=0.168g·L-1（以MgCO3计），加入药剂，再加[HCO3-]=0.2g·L-1（以CaCO3计），加NaCl调节[Cl-]=0.5g·L-1，搅匀，将烧杯置于80℃恒温水浴锅中，经过10h后将烧杯从水浴锅中取出，冷却至室温，测定剩余水中Ca2+浓度及Cl-浓度。阻垢率(X)和浓缩倍率（β）3按下式计算[5]，100BCBAX公式(1)式中：A—加阻垢剂试验后Ca2+质量浓度,mg·L-1；B—不加阻垢剂试验后Ca2+质量浓度，mg·L-1；C—试验前加入Ca2+质量浓度，mg·L-1.公式（2）式中：[Cl-]1—浓缩后Cl-的浓度，mg·L-1；[Cl-]0—浓缩前Cl-的浓度，mg·L-1；1.4.2CETSA缓蚀性能测定用旋转挂片腐蚀实验测定其缓蚀效果，具体过程如下：在烧杯中各加入[Ca2+]=0.5g·L-1（以CaCO3计），[Mg2+]=0.168g·L-1（以MgCO3计），加入药剂，再加[HCO3-]=0.2g·L-1（以CaCO3计），加NaCl调节[Cl-]=0.5g·L-1，搅匀，将烧杯置于旋转挂片腐蚀仪的恒温水浴中，将温度设定在45℃，放入挂片，经过一段时间t后将挂片取出，清洗、烘干、称重。其中年腐蚀率X1的计算公式如下[5]：公式（3）式中m—试片质量损失，gm0—试片酸洗空白试验的质量损失平均值，gs—试片表面积，cm2ρ—试片密度，g·cm-3t—试验时间，h缓蚀率X2的计算公式如下[5]：公式（4）式中X0—空白试验试片的腐蚀速率，mm·a-1X1—试片的腐蚀速率,mm·a-12.结果与讨论2.1pH值对S-羧乙基硫代琥珀酸阻垢效果的影响pH值对S-羧乙基硫代琥珀酸阻垢效果的影响见图1所示（其中CETSA浓度为10ppm）。4图1.pH值对S-羧乙基硫代琥珀酸阻垢效果的影响Fig.1InfluenceofpHvalueonCETSA’sscaleinhibitioneffect从图1可以看出当pH值为4—9之间时，CETSA的阻垢率均大于90%，当pH为7—9时，阻垢率更是高达100%，说明CETSA在pH值为4—9时它有较好好的阻垢效果。2.2pH值对S-羧乙基硫代琥珀酸缓蚀效果的影响pH值对S-羧乙基硫代琥珀酸缓蚀效果的影响见图2所示（其中CETSA浓度为50ppm）。图2.pH值对S-羧乙基硫代琥珀酸缓蚀效果的影响Fig.2InfluenceofpHvalueonCETSA’scorrosioninhibitioneffect从图2可以看出，S-羧乙基硫代琥珀酸对pH值在4～9之间的水质有一定的缓蚀效果，当水质的pH值=8时，S-羧乙基硫代琥珀酸的缓蚀效果最佳，年腐蚀率仅为0.075mm·a-1，但该缓蚀率仍明显低于传统磷系阻垢缓蚀剂的缓蚀率，还有待进一步提高。2.3S-羧乙基硫代琥珀酸的投加量对其缓蚀效果的影响S-羧乙基硫代琥珀酸的投加量对其缓蚀效果的影响见图3所示。5图3.S-羧乙基硫代琥珀酸的投加量对其缓蚀效果的影响Fig3InfluenceofCETSA’sdosageoncorrosioninhibitioneffect从图3可以看出，随着S-羧乙基硫代琥珀酸投加浓度的增大，其缓蚀效果也随之增强，当CETSA浓度大于20ppm时，其缓蚀率增加不明显，最高在55%左右，这明显不及传统的磷系阻垢缓蚀剂的缓蚀率[5-6]。因此，若单独用CETSA作阻垢缓蚀剂的话，其缓蚀性能远远达不到传统磷系阻垢缓蚀剂的技术要求，必须将CETSA与其他无磷缓蚀剂进行科学复配方可达到或超过传统磷系阻垢缓蚀剂的缓蚀性能。2.4S-羧乙基硫代琥珀酸复合阻垢缓蚀剂的最佳配方和投加量的确定为了提高S-羧乙基硫代琥珀酸的缓蚀性能，将S-羧乙基硫代琥珀酸与葡萄糖酸钠、苯甲酸钠、丙烯酸羟丙酯（HPA）、硫酸锌等无磷缓蚀剂进行复配和筛选[8-10]，将筛选参试的4个复合型无磷阻垢缓蚀剂配方（见表1所示）应用于旋转挂片腐蚀的同比实验，其测定结果见图4所示，从中找出缓蚀性能更加优异的复合型无磷阻垢缓蚀剂的最佳配方和最佳投加量。表1.拟筛选试验的复合型无磷阻垢缓蚀剂配方Table1formulasofthePhosphorus-freeCorrosionandScaleInhibitor产品编号CETSA葡萄糖酸钠苯甲酸钠HPA硫酸锌H2O无磷1#2010525535无磷2#20101020535无磷3#20101025——35无磷4#2051025535注：表中数据均为质量百分含量。6图4.复合型无磷阻垢缓蚀剂投加浓度与缓蚀率的关系Fig4Relatonbetweenthedosageofphosphorus-freeporrosionandscaleinhibitorandcorrosioninhibitionrate从表1、图3和图4可以看出，复配后的S-羧乙基硫代琥珀酸的缓蚀效果有明显增强，缓蚀率可达93.2%，高出S-羧乙基硫代琥珀酸未复配前的三十多个百分点，其中无磷1#、无磷2#缓蚀效果明显好于无磷3#、无磷，故将无磷1#定为该复合型无磷阻垢缓蚀剂的最佳配方。同时，缓蚀率随阻垢缓蚀剂投加浓度的增大而显著提高，但当浓度大于20ppm后，其缓蚀率增加的不明显。因此，将20ppm定为该复合型无磷阻垢缓蚀剂的最佳投加浓度而确定下来。2.5无磷1#与传统磷系阻垢缓蚀剂缓蚀效果的比较将上述无磷1#与传统磷系阻垢缓蚀剂PBTCA、PAPE和ATMPS等进行缓蚀效果的比较，结果如图5所示。图5.无磷1#与传统磷系阻垢缓蚀剂的缓蚀效果比较Fig5Comparisonofcorrosioninhibitioneffectbetweenphosphorus-freeporrosionandscaleinhibitor1#andconventionalporrosionandscaleInhibitors投加浓度/ppm缓蚀率/%7从图5可以看出,在投加浓度相同的情况下，无磷1#的缓蚀率较传统磷系阻垢缓蚀剂PBTCA、PAPE和ATMPS等都要高，说明复配后的S-羧乙基硫代琥珀酸复合阻垢缓蚀剂(无磷1#)具有优良的缓蚀性