一种可聚合季铵盐类阳离子单体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种可聚合的季铵盐类阳离子单体的制备方法，将溶剂、丙烯酸混合后，滴加NaOH饱和溶液，升温并滴加3‑氯‑2‑羟丙基三甲基氯化铵溶液，55～75℃下反应4～6h；反应结束后冷却，减压蒸馏除去溶剂，得单体粗品，冷却后加良性溶剂溶解，抽滤收集滤液浓缩，冷却后加不良溶剂析出沉淀，干燥得白色固体产品。溶剂为无水乙醇、乙腈、丙酮或异丙醇的一种，溶剂和水体积比为1∶1，水与丙烯酸的摩尔比为16.6∶1，丙烯酸与氢氧化钠的摩尔比为1∶1，CHPTAC与丙烯酸的摩尔比0.8～1.3∶1；此反应操作简单，产率较高，合成的可聚合的季铵盐类阳离子单体吸附基团更丰富，水中溶解性好，聚合活性高，进一步丰富可供聚合的阳离子单体的种类。

A cationic monomer for Polymerizable Quaternary ammonium salts and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
一种可聚合季铵盐类阳离子单体及其制备方法
本专利技术涉及一种新型的可聚合季铵盐类阳离子单体及其制备方法，具体地说，此新型可聚合季铵盐类阳离子单体利用含亲水基团(-OH)的季铵盐与丙烯酸发生取代反应制备而成。
技术介绍
聚丙烯酰胺类絮凝剂主要是由聚丙烯酰胺在引发剂作用下均聚或与其他含不饱和键的功能性单体共聚得到的有机高分子絮凝剂。在已开发应用的聚丙烯酰胺类絮凝剂中，阳离子聚丙烯酰胺占有极其重要的地位。阳离子聚烯酰胺(CPAM)具有较大的正电荷密度，水溶性强，且特性黏数易于控制，聚合物本身绿色无毒，应用效率高，因而在原油开采、造纸工业、水处理等众多领域应用广泛，且该产品正向着带季铵基团的阳离子型聚丙烯酰胺研究方向发展。常用的与丙烯酰胺聚合的含不饱和键的功能性阳离子单体主要有：甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(DMAEMA)等。目前，可供选择的阳离子单体品种较少，与实际需求不匹配。油气田压裂废水成分复杂，主要含有原油及压裂液中携带的各种有机添加剂，致使其成分复杂多变，氯化物含量高，往往也呈现有“三高”(高COD值，高稳定性，高粘度)特征。上述阳离子季铵盐与丙烯酰胺聚合得到的有机高分子絮凝剂在处理生活污水、工业污水以及污泥处理等方面均具有较佳的性能，但在处理油气田酸化压裂废水方面效果欠佳，尤其对COD的去除率不高，且溶解速度慢，絮凝效果不理想。为了拓展阳离子聚丙烯酰胺的应用范围，进一步改善油气田压裂废水的处理效果，需要合成活性吸附基团更丰富的阳离子单体，进一步丰富可供聚合的阳离子单体种类。3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)分子结构中既具有-N+R3，又含有-OH和羰基，活性基团数量多、类型多，具有水溶性强，聚合活性高的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水溶解性高、活性基团数量多、与丙烯酰胺聚合活性高的可聚合季铵盐类阳离子单体-3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的制备、提纯、表征方法及应用。进一步丰富阳离子单体的种类，拓展阳离子聚丙烯酰胺的应用范围。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种可聚合的季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)，利用含亲水基团(-OH)的季铵盐(CHPTAC)与丙烯酸发生取代反应制备而成。其结构式如下：其反应式为：可聚合季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)的制备方法，步骤如下：(1)合成：步骤1-1：向三口烧瓶中加入溶剂、丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加NaOH饱和水溶液。步骤1-2：5min后，缓慢滴加质量分数为60％的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液。步骤1-3：滴加完毕，补加水，满足体系中溶剂和水体积比为1∶1，水与丙烯酸的摩尔比为16.6∶1；升温至55～75℃，并保持此反应温度持续反应4-6h。步骤1-4：反应结束后待反应液冷却至室温，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品。其中，步骤1-1中可用作溶剂的有：无水乙醇、乙腈、丙酮、异丙醇，其中优选乙腈或丙酮为溶剂；丙烯酸与氢氧化钠的摩尔比为1∶1。步骤1-2中CHPTAC的加入量按摩尔比为丙烯酸物质的量的0.8～1.3倍，优选1.1倍；步骤1-3中反应温度优选65℃；反应时间优选4.5h。(2)提纯：反应后混合物中含有：氯化钠，丙烯酸钠，CHPTAC，AHPTAC四种化合物，为得到AHPTAC纯品，按如下步骤进行提纯：步骤2-1：将得到的AHPTAC粗品冷却后，分次加入良性溶剂至AHPTAC和未反应的CHPTAC恰好完全溶解，抽滤，除去生成的氯化钠及丙烯酸钠。步骤2-2：收集滤液并进行蒸馏浓缩，得到AHPTAC的饱和溶液，冷却至室温，向饱和溶液中加入不良溶剂后静置，析出AHPTAC，抽滤，收集并在30～40℃下真空干燥得AHPTAC白色固体。其中，步骤2-1中良性溶剂有：无水乙醇、异丙醇，优选用无水乙醇做良性溶剂。步骤2-2中不良溶剂有：石油醚、丙酮，其加入体积为得到的AHPTAC饱和溶液体积的3倍，优选用丙酮做不良溶剂。此可聚合季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)可以与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)通过水溶液聚合而制备三元共聚两性聚丙烯酰胺类絮凝剂，用于油气田压裂废水絮凝处理，其用于制备三元共聚两性聚丙烯酰胺类絮凝剂的方法步骤如下：步骤1：准确称取三种单体丙烯酰胺(AM)、3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)加入到三口烧瓶中，加水搅拌溶解，通非反应气体除氧30min。其中，聚合体系中，三种单体的总质量占体系总质量的20％，AM、AHPTAC、AMPS的用量摩尔比为n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶1～4，优选比例为n(AA)∶n(AHPTAC)∶n(AMPS)＝1∶3∶2；非反应气体为氮气或惰性气体。步骤2：加入引发剂，在非反应气体氛围中升温至20～65℃，反应3～5h，反应完全后得三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系。其中，引发剂为偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA-044)和过硫酸铵-亚硫酸氢钠的一种或两种同时使用；引发剂的加量为单体总质量的0.2％；反应温度优选55℃；反应时间优选为4h。步骤3：将三元共聚两性聚丙烯酰胺的水分散体系冷却后滴加到无水乙醇中，得到的白色沉淀用无水乙醇洗涤过滤后得到白色黏状物。步骤4：将得到的白色黏状物在50℃下真空烘干，粉碎后得到白色固体状三元共聚两性聚丙烯酰胺，即可用作絮凝剂。本专利技术的有益效果为：制备出一种新型的可聚合季铵盐类阳离子单体——3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)，进一步丰富了阳离子单体种类。从结构上看，此阳离子单体较目前已有的阳离子单体多一个亲水基团(-OH)，具有水中溶解性更好，聚合活性更高的特点。此单体再与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)水溶液聚合时，制备的三元共聚两性聚丙烯酰胺表现出分子量高且阳离子度可控的优良性能，且溶解性更好，吸附性能更强，适用pH范围广，絮凝效果更佳。尤其是针对油气田压裂废水，较现有的聚丙烯酰胺具有更优的处理效果。附图说明图1为3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的1H-NMR谱图。图2为3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵(AHPTAC)的IR谱图。具体实施方式下面通过具体实施例结合附图对本专利技术作进一步描述：实施例1本实施例制备的可聚合季铵盐类阳离子单体(AHPTAC)按如下步骤制备：(1)向三口烧瓶中加入乙腈、丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加NaOH饱和水溶液，30min滴完。(2)5min后，缓慢滴加质量分数为60％的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液，其中，体系中V(无水乙醇)∶V(水)＝1∶1，n(AA)∶n(NaOH)∶n(CHPTAC)＝1∶1∶1.1。(3)滴加完毕，升温至65℃并保持反应温度持续反应4.5h。(4)反应结束后待反应液冷却至室温，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品。(5)将得到的AHPTAC粗品冷却后，分次加入无水乙醇溶解AHPTAC和CH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可聚合季铵盐类阳离子单体，其特征在于，结构式如下所示：

【技术特征摘要】
1.一种可聚合季铵盐类阳离子单体，其特征在于，结构式如下所示：2.一种可聚合季铵盐类阳离子单体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：向三口烧瓶中加入溶剂、丙烯酸(AA)，在搅拌条件下缓慢滴加NaOH饱和水溶液；步骤2：5min后，缓慢滴加质量分数为60％的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)水溶液；步骤3：滴加完毕，补加水，满足体系中溶剂和水体积比为1∶1，水与丙烯酸的摩尔比为16.6∶1；升温至55～75℃，并保持此反应温度持续反应4-6h；步骤4：反应结束后待反应液冷却至室温，减压蒸馏，除去溶剂，得AHPTAC粗品；步骤5：将得到的AHPTAC粗品冷却后，分次加入良性溶剂至AHPTAC和未反应的CHPTAC恰好完全溶解，抽滤，除去生成的氯化钠及丙烯酸钠；步骤6：收集滤液并进行蒸馏浓缩，得到AHP...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜翠玉，王芳，王彦，王鲁凯，李梅，翟帅磊，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37