0引言冷却水在循环使用过程中会出现结垢、腐蚀和微生物滋生等危害，而目前的水处理剂性能单一，不能完全满足对水处理的要求.研制性能优良的低磷、无磷环保型水处理剂已成为研究开发的热点［1］.本文以水为溶剂，过硫酸铵为引发剂，丙烯酸（AA）、2丙烯酰胺基2甲基丙磺酸（AMPS）和次磷酸钠为原料，合成了一种含膦基、羧基和磺酸基的多功能水处理剂共聚物.该聚合物具有较高的钙容忍度，特别适用于高钙、高硬、高pH的苛刻型水质的处理；含磷量低，符合可持续发展和绿色环保的要求.1实验部分1.1仪器与试剂丙烯酸（AA）、2丙烯酰胺基2甲基丙磺酸（AMPS）,次磷酸钠，过硫酸氨，碳酸钙，磷酸钙.以上均为市售分析纯试剂.傅立叶变换红外光谱仪（FTIR，EQUINOX55型，德国Bruker公司）1.2共聚物合成在三口瓶中加入丙烯酸（AA）、2丙烯酰胺基2甲基丙磺酸（AMPS）和次磷酸钠，加热至所需温度，在搅拌下，开始滴加引发剂，控制滴加时间，滴加完毕后，继续保温反应一定时间，冷却至室温出料，得到无色透明粘状液体.转化率的测定采用碘量法，固含量的测定采用称重法；产品经提纯后进行红外测试.1.3阻垢性能测试通过静态阻垢测试法［2］来评价共聚物对碳酸钙、磷酸钙垢的阻垢性能.配制一定浓度磷酸钙、碳酸钙的水溶液，然后放入80±1℃的水浴锅中，恒温10 h后取出，冷却至室温，过滤，滤液用EDTA滴定.阻垢率计算式如下：γ=V1-V2V0-V2
式中：γ为阻碳酸钙垢率；阻磷酸钙垢率；V0为实验前一定体积溶液所消耗的ETDA体积（mL），即空白实验；V1为加阻垢剂加热10 h后一定滤液消耗的EDTA体积（mL）；V2为不加阻垢剂加热10 h后一定滤液消耗的EDTA体积（mL）.1.4缓蚀性能测定采用旋转挂片实验法进行缓蚀性能测定［2］.2结果与讨论2.1最佳合成条件的选择由于该共聚物结构和组成的复杂性和多样性，因此以主要阻垢性能如阻CaCO3、Ca3（PO4）2垢为考核指标来探索其最佳合成条件.根据化工部标准规定的性能评定实验条件［2］，Ca2+质量浓度为250 mg/L、HCO-3质量浓度为250 mg/L（均以CaCO3计），PO3-4质量浓度为5 mg/L，加入一定浓度（8 mg/L，有效浓度）的共聚物，不调pH值.改变单体配比、引发剂用量、反应温度、反应时间，以阻垢率为评价标准，得到最佳合成条件为AA∶AMPS=3∶1，（NH4）2S2O8∶NaH2PO2∶（AA+AMPS）=2.5∶15∶100（质量比），反应温度100℃，反应时间4 h.此条件下，阻垢率分别达到91.9%和87.0%.此时共聚物转化率95.8%，固含量30.2%.合成的产品经提纯［4］后，测得其IR谱图如图1所示.图1产品的红外光谱图
Fig.1FTIR Spectra of the product可以清晰的看到该聚合物具有如下特征：波数为1 174 cm-1时，可观察到PO基伸缩振动，波数为1 041 cm-1时，可观察到P—OH中P—O基的伸缩振动，波数为1 450 cm-1时，可观察到P—CH2中C—H基伸缩振动，波数为1 720 cm-1时，可观察到CC共轭的—CO基伸缩振动，波数为1 550 cm-1时，可观察到N—H弯曲振动，波数为1 402 cm-1时，可观察到C—N伸缩振动，波数为626 cm-1时，可观察到S—O基伸缩振动，波数为1 222 cm-1时，可观察到SO基伸缩振动.这些特征吸收峰表明：AA、AMPS在过硫酸铵的存在下，与次磷酸钠反应合成了一种含有膦基、羧基、酰胺基及磺酸基的共调聚物.共调聚物中羧酸官能团是阻碳酸钙垢、硫酸钙垢的主要官能团；羟基、酰胺基、磺酸基等对磷酸钙垢有良好的抑制能力，能有效的分散金属氧化物、稳定金属离子和有机膦；无机单体次磷酸钠（在聚合反应中也起引发剂作用）的引入，使得羧基与磷酸基结合在一个分子上，因而具有较好的阻垢性能和一定的缓蚀性能.2.2阻垢剂用量对阻垢性能的影响第1期郑净植，等：多功能水处理剂的合成及性能研究
武汉工程大学学报第30卷
Ca2+浓度为250 mg/L、HCO-3浓度为250 mg/L（均以CaCO3计），PO3-4质量浓度为5 mg/L，改变共聚物用量，得到共聚物用量对阻垢性能的影响如图2所示.由图2可以看出，阻垢率先随着共聚物用量的增大而增大，当共聚物用量在水中的质量浓度达到16 mg/L，阻碳酸钙垢率、阻磷酸钙垢率近乎稳定，分别达到92.4%和 73.8%.2.3钙硬度对阻垢性能的影响由图3可以看出，阻碳酸钙垢率、阻磷酸钙垢率都随水样中Ca2+含量的增加而呈下降趋势，但是即使在Ca2+浓度为350 mg/L时，其耐硬水的能力依然很强，阻碳酸钙垢率达到79.3%，阻磷酸钙垢率达到47.6%.可见，此共聚物完全可以用作高浓缩倍数的循环冷却水系统的阻垢剂.图2产品用量对阻垢效果的影响
Fig.2The effects of the amounts of water treatment reagent on the scale inhibition capacity图3水样中钙硬度对阻垢效果的影响
Fig.3The effects of calcium hardness in water on the scale inhibition capacity2.4水样pH值对阻垢性能的影响pH值对阻垢效果的影响如图4所示，由图4可以看出，共聚物阻碳酸钙垢率随着水样pH值的增加而下降，而水样pH值对共聚物阻磷酸钙垢能力影响则不是很大.
图4水样pH对阻垢效果的影响
Fig.4The effects of pH in water on the scale inhibition capacity

3结语a. AA∶AMPS=3∶1，（NH4）2S2O8∶NaH2PO2∶（AA+AMPS）=2.5∶15∶100（质量比），反应温度100℃，反应时间4 h，此条件下合成的物质对阻碳酸钙垢、磷酸钙垢综合效果最佳.b.当阻垢剂用量达到16 mg/L（有效浓度）时，阻碳酸钙、磷酸钙垢率达到92.4%和 73.8%.c.水样的pH值对于阻碳酸钙垢率的影响较大，而对阻磷酸钙垢率影响则不是很明显.d.产品阻垢效果虽然随着水样钙离子硬度的增加而有所下降，但是当Ca2+浓度为 350 mg/L时，阻碳酸钙垢率和阻磷酸钙垢率仍分别达到79.3%和47.6%.