水解蛋白阻磷酸钙垢阻垢性能研究

水解蛋白阻磷酸钙垢阻垢性能研究

近年来，通过对聚合物结构与污垢机的深入研究，提出了聚合物结构与污垢机的关系极其密切。共聚物中的羧基是阻碳酸钙、硫酸钙垢的主要官能团,而羟基、酰胺基等对阻磷酸钙垢有益,特别是磺酸基对磷酸钙垢有良好的抑制能力,能有效地分散金属氧化物、稳定锌和有机磷酸等。水解聚马来酸酐(HPMA)作为一种低相对分子质量聚电解质,由于具有比较高的化学稳定性和热稳定性,且在较高温度下仍能保持良好的阻垢效果,近年来在工业水处理研究中倍受关注。此类阻垢剂中的羧基官能团对Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+等离子具有较强的螯合能力,与聚丙烯酸(PAA)相比,不仅具有较好的分散、凝聚作用,还能更好地在无机垢结晶过程中干扰晶格的正常排列而起到阻垢作用。因此,研究水解聚马来酸酐阻磷酸钙垢性能和机理在节能减排方面具有重大的意义。1废水中的聚吡咯酸盐远离磷酸钙的性能实验1.1分光光度计多孔恒温水浴锅(H.H.S上海医疗器械五厂),UV-9200分光光度计。水解聚马来酸酐(工业品),磷酸二氢钾(AR),钼酸铵(AR),抗坏血酸(AR),氯仿(AR),酒石酸锑钾(AR)四硼酸钠(AR)。1.2磷酸钙-po343-溶液的配制实验过程采用静态阻垢法。配制一定体积含Ca2+、Mg2+的水样,其总硬度(以CaCO3计)为200.25mg/L,碱度为184.27mg/L(以CaCO3计),pH等于7.48,加入含一定物质的量的PO3−443-溶液。在一定温度和pH条件下,浓缩一定时间后转移到容量瓶中,恒温10h,使磷酸钙沉淀完全。然后,采用磷钼蓝分光光度法测定溶液中剩余PO3−443-的吸光度,根据磷酸盐标准曲线通过吸光度可得到溶液中的剩余离子的浓度,得到用作比较的空白试验值。在同样组成的溶液中,加入一定量的阻垢剂,测定其剩余PO3−443-浓度,所得数值与空白值相比即为阻垢率。水中剩余PO3−443-浓度越大,则阻垢效果越好。2结果与讨论2.1着线性关系的设计通过图1可以看出标准磷酸盐的净吸光度和浓度存在着线性关系(Y=0.0125X-0.001,R2=0.9978)。因此,只要测出溶液中磷酸根离子的吸光度就可以得到对应磷酸根离子的浓度。2.2浓缩时间对阻垢率的影响水浴锅温度控制在80℃,pH=9,阻垢剂HPMA和PAA质量浓度均控制在10mg/L,改变水样浓缩时间,得到HPMA和PAA阻磷酸钙垢的阻垢率与浓缩时间变化的关系曲线,见图2。从图2中得知:相同条件下,浓缩时间越短其阻垢率越低,在浓缩10h之后,HPMA和PAA阻磷酸钙垢的阻垢率增大的趋势不是很明显。同时也可以看出,HPMA的阻垢效果要比PAA好。此实验条件下,不加阻垢剂时,当钙离子浓度为3.8mmol/L时,就有结垢现象。2.3hpma和paa阻垢率的关系当水浴锅温度控制在80℃,浓缩时间控制在8h,阻垢剂HPMA和PAA质量浓度均控制在10mg/L时,调节pH,得到HPMA和PAA阻磷酸钙垢的阻垢率与pH关系曲线,见图3。从图3可以知道PAA在pH=5左右具有较好的阻垢效果;而HPMA则可以控制pH为9,即在碱性较强的条件下具有更好的阻垢效果。这样,在处理碱度较高的水样时,可以选择阻垢效果较好的HPMA。此实验条件下,不加阻垢剂时,当钙离子浓度为4.62mmol/L时,就有结垢现象。2.4hpma质量浓度和温度对阻垢率的影响当浓缩时间控制在8h,水浴锅温度和水样中Ca2+质量浓度不同时,改变阻垢剂HPMA的质量浓度,得到HPMA阻磷酸钙垢的阻垢率与HPMA质量浓度变化关系曲线,见图4。从图4中看出,随着HPMA质量浓度升高,它们的阻垢率也随之上升,但阻垢率并不是无限制地升高,当HPMA质量浓度提高到一定程度,阻垢率就基本不再发生变化了。在HPMA质量浓度为10mg/L时,阻垢率最大。温度对阻垢剂的阻垢性能也有一定的影响,温度(t)升高时阻垢率减小,在t=90℃时尤其明显较小,符合了一般温度越高时阻垢率越小的规律。而水样中Ca2+离子质量浓度ρ(Ca2+)对阻垢率也有影响,ρ(Ca2+)=300.0mg/L时比200.0mg/L和250.0mg/L时的阻垢率要小一些,而ρ(Ca2+)=250.0mg/L和200.0mg/L的阻垢率差不多。3半经验pm3—HPMA及PAA的阻垢机理研究由Hyperchem6.0程序包获得各种聚羧酸分子的初始构型,接着在不施加任何对称性限制的条件下,在RHF(RestrictedHartree-Fock)水平上,采用半经验(semi-empirical)PM3-SCF-MO(SelfConsistentField-MolecularOrbitals)方法对分子进行构型预优化(包括键长、键角以及二面角等)。然后在Gaussian98程序包中运用半经验PM3方法对预优化后的分子进行几何构型全优化、频率计算及轨道计算,从而得出表征聚合物分子特性的量子化学参数——键长、键角、二面角、功能基团中心原子间距、电荷分布、前线轨道能量(EHOMO、ELUMO)、能隙△E、偶极矩、前线轨道组成及相应的各原子轨道电子布居等。收敛精度取程序内定值,所得结构均为势能面上的极小点(无虚频),全部计算均在PentiumⅣ计算机上完成。3.1氧原子的作用机理聚羧酸类阻垢剂起主要作用的是分子中的羧基。在总体呈电中性的PAA和HPMA分子中,氧原子所带的负电荷较多,聚合物PM3优化构型中所有氧原子的Mulliken电荷集聚数见表1。故分子中羧基的氧原子易与晶体生长面上的Ca2+离子对之间形成Coulomb相互作用,作用强度与几何匹配程度密切相关。如果阻垢剂分子中羧基氧原子对的空间距离同方解石晶体特定生长面上的钙离子对间距很接近,则阻垢剂分子将会在Coulomb作用下吸附于垢晶面上,占据活性生长点,诱导晶体发生晶格畸变,从而显现出阻止垢晶体生长的能力。3.2在分子中的柔性从PAA和HPMA分子中可能起阻垢作用的氧原子对的空间距离(见表2)和聚合物分子本身具有一定的柔性可以看出:分子中的多个羧基氧原子都极易成为阻垢剂与晶面作用的吸附位,从而能有效地阻止这些晶面的继续生长,或使晶格发生扭曲畸变而生成松软的垢,易于被水流冲走,达到阻垢效果。从原子对匹配效果来看,聚马来酸酐比聚丙烯酸的阻垢性能要好,这与文献报道的结果是完全一致的。4不同温度对水解反应的阻垢率的影响(1)在同样的实验用水、相同的浓缩恒温温度和恒温时间等条件下,水解聚马来酸酐和聚丙烯酸随着阻垢剂质量浓度的增加,阻磷酸钙垢的阻垢率随之升高,但是并不是无限升高,在10mg/L时阻垢率为最大;温度越低,水解聚马来酸酐的阻垢率越大;在相同条件下,水样中待测离子浓度低时,水解聚马来酸酐的阻垢