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新型亚甲基膦酸阻垢剂的合成与性能研究

作　者: 李彬
导　师: 冯素敏
学　校: 河北科技大学
专　业: 环境工程
关键词: 阻垢剂 N-(6-氨基己基)-1，6-己二胺五亚甲基膦酸 合成与表征 阻垢性能 缓蚀性能
分类号: TQ085.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着我国城市化进程的不断加快和人们生活水平的日益提高,城市工业生产和居民生活的用水量正在急剧增加,加之严重的水体污染,使原本已经紧张的水资源供需矛盾更加突出和尖锐。加强工业循环冷却水的设施建设与运行管理,提高工业用水的循环利用率已迫在眉睫。由于水在循环冷却过程中的不断蒸发,使一些难溶盐浓缩析出而产生结垢,从而造成换热设备换热效率降低、管道堵塞及垢下腐蚀,影响了系统的正常运行。因此,通过投加化学阻垢药剂来有效抑制设备结垢是近年来国内外广泛采用的方法之一。磷系阻垢剂——有机膦酸类具有pH适用范围宽、化学稳定性和热稳定性好、不易水解,同时有明显的“协同效应”和“溶限效应”等特点,在国内外工业循环冷却水处理中得到广泛应用。但磷系阻垢剂存在含磷量较高,易引起水体的富营养化等问题,因此开发低磷或无磷的新型高效环境友好型绿色阻垢剂是目前国内外研究的热点课题。本文以N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺与亚磷酸、甲醛为原料,遵循Mannich原理一步合成目标产物N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺五亚甲基膦酸阻垢剂。运用单因素分析法和正交试验法对目标产物的合成工艺进行了优化,采用无水乙醇重结晶的方法对目标产物进行提纯后,利用元素分析、红外光谱分析和核磁共振谱分析等方法对目标产物进行结构表征。同时,采用静态阻垢实验法,以常用的有机膦阻垢剂1-羟基次乙基-1,1-二膦酸(HEDP)、氨基三亚甲基膦酸( ATMP )、乙二胺四亚甲基膦酸(EDTMP)、二乙烯三胺五亚甲基膦酸(DTPMP)作为对比药剂,在相同水质和不同药剂投加浓度条件下,分别对其单体和复配物进行了碳酸钙、硫酸钙的阻垢性能试验研究,并辅助扫描电镜法对其阻垢机理进行了初步探讨。同时,采用旋转挂片腐蚀试验法,以常用有机膦酸阻垢剂ATMP与EDTMP作对比药剂,考察了其单体对碳钢的缓蚀性能。结果表明:1)通过单因素筛选和正交试验,确定了目标产物N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺五亚甲基膦酸的最优合成工艺条件为:(N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺、亚磷酸和甲醛溶液的摩尔比为1:5.0:5.5,滴加时间为1.5h,反应温度为115℃,反应时间为2.0 h。通过氢氧化钠反滴定法测定了目标产物的活性物含量,其活性物含量为48.65%。2) N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺五亚甲基膦酸对碳酸钙和硫酸钙均具有优良的阻垢效果,并且明显优于其它同类有机膦阻垢剂。其单体阻垢率分别为86.53%和98.51%,复配物阻垢率分别为89.43%和99.73%。3)与常用有机膦酸阻垢剂ATMP和DTPMP相比,从分子式来看,目标产物N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺五亚甲基膦酸中的磷含量(含磷质量百分数)较低,仅为22.63%。可见,在相同试验水样和药剂投加浓度条件时,投加目标产物的水样中磷含量最低,利于环保,同时,阻垢试验结果表明目标产物的阻垢率明显高于其他产品。因此,N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺五亚甲基膦酸是一种低磷、高效的环保型有机膦酸阻垢剂。4)缓蚀性能试验结果表明:当N-(6-氨基己基)-1,6-己二胺五亚甲基膦酸单体投加浓度为20 mg/L时,腐蚀速率为0.0714 mm/a,缓蚀率为80%;当浓度为30 mg/L时,腐蚀速率为0.0542 mm/a,缓蚀率为84.8%,均能达到国家相关规范中所规定的碳钢腐蚀速率≤0.075 mm/a的要求。当投加浓度超过30 mg/L时,其缓蚀率增长不明显。同时,在相同的试验水样和药剂投加浓度条件下,以ATMP和EDTMP作对比药剂,目标产物的缓蚀性能优于ATMP和EDTMP,当药剂浓度均为40mg/L,目标产物的缓蚀率在86.9%,而ATMP和EDTMP的缓蚀率分别是50.3%和65.8%。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章 绪论  12-21
  1.1 课题研究的背景及意义  12
  1.2 阻垢剂的国内外研究现状  12-15
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 阻垢剂的分类  15-19
    1.3.1 聚合物类阻垢剂  16-17
    1.3.2 有机膦系阻垢剂  17-19
  1.4 阻垢剂的发展趋势  19-20
  1.5 本课题研究的主要内容  20-21
第2章 目标产物的合成与表征  21-35
  2.1 实验试剂与仪器  21-22
    2.1.1 实验试剂  21
    2.1.2 实验仪器  21-22
  2.2 合成路线  22
  2.3 目标产物的合成  22-23
    2.3.1 目标产物的合成原理  22-23
    2.3.2 目标产物的合成步骤  23
  2.4 结果与讨论  23-28
    2.4.1 单因素筛选试验  23-26
    2.4.2 正交试验  26-28
  2.5 目标产物活性物含量的测定  28-30
    2.5.1 测定原理  28
    2.5.2 试剂的配制  28-29
    2.5.3 测定步骤  29
    2.5.4 分析结果的表达  29-30
  2.6 目标产物的结构表征  30-33
    2.6.1 元素分析  30
    2.6.2 红外光谱图分析  30-31
    2.6.3 核磁共振谱图分析  31-33
  2.7 本章小结  33-35
第3章 阻垢性能研究  35-48
  3.1 实验试剂与仪器  35-36
    3.1.1 实验试剂  35
    3.1.2 实验仪器  35-36
  3.2 实验方法  36-37
    3.2.1 静态阻垢实验原理  36
    3.2.2 静态阻垢实验仪器  36
    3.2.3 静态阻垢实验步骤  36-37
    3.2.4 分析结果的表达  37
  3.3 碳酸钙的阻垢性能静态评价  37-38
  3.4 硫酸钙的阻垢性能静态评价  38
  3.5 结果与讨论  38-41
    3.5.1 静态阻碳酸钙垢实验  38-39
    3.5.2 静态阻硫酸钙垢实验  39-41
  3.6 磷含量分析  41-42
  3.7 阻垢机理初探  42-46
  3.8 本章小结  46-48
第4章 缓蚀性能研究  48-55
  4.1 实验试剂和仪器  48-49
    4.1.1 实验试剂  48
    4.1.2 实验仪器  48-49
  4.2 实验方法  49-50
    4.2.1 实验步骤  49-50
    4.2.2 分析结果的表达  50
  4.3 结果与讨论  50-53
    4.3.1 目标产物在不同投加浓度时的缓蚀实验  50-52
    4.3.2 目标产物与同类药剂缓蚀性能对比实验  52-53
    4.3.3 目标产物的缓蚀机理  53
  4.4 本章小节  53-55
结论  55-57
参考文献  57-61
攻读硕士学位期间发表的论文  61-62
致谢  62

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