PESA的合成

环境污染与防治网络版第6期2006年6月 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、Hypersperse MDC220相比,聚环氧琥珀酸的阻垢效果要高于Hypersperse MDC220,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 The scale inhibition of reverse osmosis scale inhibitor polyepoxysuccinic acid Tian Yan , Sun Yonghong , Zhou Xiaohui. (College of Environmental Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Liaoning Dalian 116028) Abstract:The synthesis and purification of a green environmental reverse osmosis scale inhibitor-polyepoxysuccinic acid were introduced. Using Dynamic and static experiment evaluated the scale inhibition capability of different inhibitors. The experiment indicated that the scale inhibition capability of polyepoxysuccinic acid is super to Hypersperse MDC220,inferior to PTP-0100. But it is more environmental and wider dose range than PTP-0100. Keywords: Reverse osmosis Polyepoxysuccinic acid Scale inhibition 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King Lee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、Hypersperse MDC220在不同剂量下的阻垢效果,以考察PESA的阻垢性能。 1 实验 1.1 PESA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29.4 g马来酸酐及10 mL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)。 1 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1.0 g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。 1.2 PESA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Hypersperse MDC220及实验室自制的PESA。将PTP-0100和MDC220稀释8倍作为液使用。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0.85 MPa,控制 反渗透的回收率在20%,运行相同的时间(30 min ),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LSI<0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Ca 2+为500 mg/L ,HCO 3- 为3150 mg/L ,将溶液定容至500 mL ,控制pH=7.6,在25℃水浴中恒温24 h 后,用滤纸过滤,以EDTA 法测定溶液中Ca 2+含量。阻垢率η的计算公式为: η(%)= %1000 10 2?--X X X X 式中:0X 为空白水样恒温24 h 后,所含Ca 2+离子的浓度,mg/L ;1X 为水样恒温加热前,溶液中所含Ca 2+离子的浓度,mg/L; 2X 为加入阻垢剂的水样恒温24 h 后,所含Ca 2+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、5 mg/L 时,LSI<0,说明在此运行条件下,PESA 的投加量要达到4 mg/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Ca 2+ /(mg ·L -1) 浓水Ca 2+ /(mg ·L -1) 温度 /℃ 总溶解性 固体TDS /(mg ·L -1) 浓水 pH 碱度 /(mg ·L -1) LSI 1 27.2 76.0 28.0 1587 8.12 150.15 0.23 2 28.4 78.0 28.5 1470 8.11 156.41 0.25 3 27.2 96.0 27.5 1565 8.05 190.82 0.35 4 22.8 60.0 24.0 1632 7.95 118.87 -0.22 5 20.8 73.6 26.0 1503 7.86 152.65 -0.08 PTP-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、2 mg/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Ca 2+/ (mg ·L -1) 浓水Ca 2+/(mg ·L -1) 温度 /℃ 总溶解性 固体TDS /(mg ·L -1) 浓水 pH 碱度 /(mg ·L -1) LSI 1 27.0 72.8 29.0 1510 7.87 152.31 -0.02 2 27.2 73.2 29.0 1497 7.88 148.58 -0.01 3 26.4 67.6 29.5 1439 7.98 140.14 0.04 4 27.2 93.6 28.0 1584 8.16 179.55 0.43 5 27.2 104.0 29.0 1556 8.15 189.94 0.52 Hypersperse MDC220的阻垢实验数据如表3所示。在1~4 mg/L的加药量范围内MDC220的LSI值都在0以上,5 mg/L时LSI值<0,说明在此运行条件下MDC220的加药量要达到5 mg/L才能产生阻垢效果。 表3 不同加药量的Hypersperse MDC220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) LSI 1 19.8 72.3 28.0 1507 8.11 139.2 2 0.16 2 21.6 74.0 28.0 1490 8.08 143.89 0.16 3 19.2 68. 4 27.0 1537 8.06 136.39 0.06 4 20.0 68.0 29.0 1653 7.97 137.64 0.01 5 19.2 64.8 29.0 1560 7.92 135.57 -0.07 2.2 静态阻垢实验结果与讨论 考察了PESA、PTP-0100及Hypersperse MDC220在相同条件下,加药量为2、5、10、15、20 mg/L时的阻垢率,实验结果如图2所示。 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10 mg/L时,PESA的阻垢率达到了60%,加药量大于15 mg/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2 mg/L时的阻垢率很低,5 mg/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、5 mg/L时有很好的阻垢效果;PTP-0100在1、2 mg/L具有很好的阻垢效果,加药量大于3 mg/L时的阻垢效果不理想;MDC220在5 mg/L时才有很好的阻垢效果。可见低剂量时PTP-0100的阻垢效 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5 mg/L以下时,PTP-0100的阻垢效果最好;5~10 mg/L 时MDC220的阻垢效果最好,PTP-0100次之;15 mg/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):61~64 2 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):43~45 3 严瑞瑄.水处理剂应用手册.北京:化学工业出版社,2000.255 4 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