一类无磷可生物降解阻垢剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及化工产品技术领域，具体公开一类无磷可生物降解阻垢剂及其制备方法和应用。所述阻垢剂如式Ⅰ所示。通过马来酸酐与多氨基化合物反应制备双马来酰胺酸(中间体1)，然后与碱化合物成盐制备双马来酰胺酸盐(中间体2)，最后再与多氨基化合物进行反应，制得高分子量聚双马来酰胺酸

【技术实现步骤摘要】
一类无磷可生物降解阻垢剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及化工产品
，尤其涉及一类无磷可生物降解阻垢剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]20世纪中叶，工业循环冷却水系统被投入使用。为了缓解水资源的短缺问题，各国均开始采用工业循环冷却水系统代替直流冷却水系统。但是，由于工业循环冷却水系统被反复利用，使得浓缩倍数增加，导致水的硬度(Ca
2+
、Mg
2+
等)、碱度(OH
‑
、HCO3‑
等)上升，造成冷却塔、换热器、金属管道结垢、腐蚀等后果，带来生产安全隐患和经济损失。
[0003]化学阻垢剂使用简单、价格方便、阻垢效果优良，在循环冷却水中得到了广泛应用。一般阻垢剂分子中含有磷酸基、羧基、羟基、酰胺基和磺酸基等，可与Ca
2+
、Mg
2+
等进行螯合、吸附和分散等作用，与晶体活性生长位点结合，促使晶体不规则生长，从而软化水垢。
[0004]目前，工业化阻垢剂多为磷系或其与聚合物阻垢剂形成的复配产品，此类含磷类阻垢剂可能对水生生物和水体环境带来潜在危害。针对含磷阻垢剂高温易水解、易造成水体富营养化和磷酸钙沉积等问题，国内外学者开发了多种环境友好型无磷阻垢剂。其中，以聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸为主的新型可生物降解阻垢剂得到了广泛研究。但是，聚环氧琥珀酸相对分子量较小(一般为400～1300)，虽然其阻垢性能随着用量增大而提升，但是，当达到一定用量(阈值)后，其阻垢率不再提升(最大可达90％左右)。工业化的聚天冬氨酸分子量介于4000～8000之间，其阻垢能力一般随分子量增加和分子链上羧基含量增多而增大，但是，其受合成工艺条件的限制，传统聚天冬氨酸分子量增大较为困难，因此，其阻垢率也很难进一步提升，一般在90％以下。虽然对聚天冬氨酸进行改性可以在一定程度上提高其阻垢率，但是改性聚天冬氨酸所用试剂一般价格昂贵，不适合规模化工业生产应用。因此，研发一类经济性好、阻垢率高、绿色环保的新型阻垢剂，对于节约水资源、延长循环冷却水系统的使用寿命具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中阻垢剂存在阻垢性能较差、价格较高的问题，本专利技术提供一类无磷可生物降解阻垢剂及其制备方法和应用。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：
[0007]一类无磷可生物降解阻垢剂，所述阻垢剂的结构如式Ⅰ所示：
[0008][0009]其中，R1、R2为
‑
(CH2)
x
‑
，
‑
(CH2)
y
CH(CH3)
‑
，
‑
CH2CH2CH(CH2CH3)
‑
，
[0010]‑
CH2CH(CH3)CH2CH2CH2‑
，
‑
CH2CH2(NHCH2CH2)
i
‑
或
[0011]‑
CH2CH(OH)CH2‑
；
[0012]x＝2，3，4，5或6；y＝1或3；i＝1，2或3；
[0013]M为Li、Na或K。
[0014]上述分子式中n为重复单元数。
[0015]需要说明的是，R1、R2可相同或不同。
[0016]相对于现有技术，本专利技术提供的新型阻垢剂，在水中具有较好的溶解度，化学稳定性好，且分子主链上含有大量的酰胺基团和侧链上的羧基基团，可以吸引并稳定螯合Ca
2+
、Ba
2+
、Mg
2+
等难溶性金属离子，从而降低难溶性物质的生长速度；同时，分子中大量的氨基、羧基，还有利于阻垢剂稳定吸附平铺于结垢体表面和金属容器表面，使结垢体之间、金属容器表面均带上相同的电荷，电荷相斥作用将有效阻碍因分子碰撞形成大结垢体的可能，也阻碍了微小垢晶体和金属容器传热面之间碰撞形成垢层的可能；除此之外，本专利技术提供的阻垢剂还可与晶体活性生长位点结合，干扰垢晶体的定向生长，使垢晶体结垢发生畸变，变得疏松多孔，从而分散在水中或被水冲走，进一步避免结垢体的生成。
[0017]本专利技术提供的阻垢剂具有优异的阻垢性能，阻垢率大于98％，且可生物降解，降解率大于60％，是一类无磷无毒、绿色环保的新型阻垢剂，在工业水处理系统中有广泛的应用前景。
[0018]优选的，所述阻垢剂的平均分子量介于17443～36542之间。
[0019]本专利技术提供的阻垢剂为高分子量无磷阻垢剂，平均分子量介于17443～36542之间，其主链结构上的胺基和侧链羧基含量更高，具有更优异的阻垢性能，且易降解，是一类绿色环保型阻垢剂。
[0020]本专利技术还提供一类无磷可生物降解阻垢剂的制备方法，包括如下步骤：
[0021]步骤a，溶剂中，马来酸酐和式(Ⅱ)所示的多氨基化合物a进行开环反应，得式(Ⅲ)所示的中间体1；
[0022][0023]步骤b，将所述中间体1和碱化合物加入水中，进行成盐反应，得含式(Ⅳ)所示的中间体2的反应液；所述碱化合物为Li、Na或K元素的氢氧化物、碳酸氢盐或碳酸盐；
[0024][0025]步骤c，向所述中间体2的反应液中加入式(
Ⅴ
)所示的多氨基化合物b进行扩链反应，得式Ⅰ所示的无磷可生物降解阻垢剂；
[0026][0027]其中，R1、R2为
‑
(CH2)
x
‑
，
‑
(CH2)
y
CH(CH3)
‑
，
‑
CH2CH2CH(CH2CH3)
‑
，
[0028]‑
CH2CH(CH3)CH2CH2CH2‑
，
‑
CH2CH2(NHCH2CH2)
i
‑
或
[0029]‑
CH2CH(OH)CH2‑
；
[0030]x＝2，3，4，5或6；y＝1或3；i＝1，2或3；
[0031]M为Li、Na或K。
[0032]上述反应的方程式如下：
[0033]步骤a：
[0034][0035]步骤b：
[0036][0037]步骤c：
[0038][0039]本专利技术所提供的阻垢剂的制备方法，通过马来酸酐与多氨基化合物反应制备双马来酰胺酸(中间体1)，然后再与碱化合物成盐制备双马来酰胺酸盐(中间体2)，最后再与多氨基化合物进行反应，氨基进攻双马来酰胺酸上的双键，制得高分子量聚双马来酰胺酸
‑
胺阻垢剂。
[0040]上述方法制备的高分子量聚双马来酰胺酸
‑
胺阻垢剂，具有优异的阻垢性能和可生物降解性，且反应原料易得，价格低廉，操作简便，反应条件温和，能耗低，适合工业化规
模生产，潜在应用价值较高。
[0041]优选的，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一类无磷可生物降解阻垢剂，其特征在于，所述阻垢剂的结构如式Ⅰ所示：其中，R1、R2为
‑
(CH2)
x
‑
，
‑
(CH2)
y
CH(CH3)
‑
，
‑
CH2CH2CH(CH2CH3)
‑
，
‑
CH2CH(CH3)CH2CH2CH2‑
，
‑
CH2CH2(NHCH2CH2)
i
‑
或
‑
CH2CH(OH)CH2‑
；x＝2，3，4，5或6；y＝1或3；i＝1，2或3；M为Li、Na或K。2.如权利要求1所述的无磷可生物降解阻垢剂，其特征在于，所述阻垢剂的平均分子量介于17443～36542之间。3.权利要求1或2所述的无磷可生物降解阻垢剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤a，溶剂中，马来酸酐和式(Ⅱ)所示的多氨基化合物a进行开环反应，得式(Ⅲ)所示的中间体1；步骤b，将所述中间体1和碱化合物加入水中，进行成盐反应，得含式(Ⅳ)所示的中间体2的反应液；所述碱化合物为Li、Na或K元素的氢氧化物、碳酸氢盐或碳酸盐；步骤c，向所述中间体2的反应液中加入式(
Ⅴ
)所示的多氨基化合物b进行扩链反应，得式Ⅰ所示的无磷可生物降解阻垢剂；其中，R1、R2为
‑
(CH2)
x
‑
，
‑
(CH2)
y
CH(CH3)
‑
，
‑
CH2CH2CH(CH2CH3)
‑
，
‑
CH2CH(CH3)CH2CH2CH2‑
，
‑
CH2CH2(NHCH2CH2)
i
‑
或
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晋辉，周红鹏，陈艳雪，贾乐欣，牛朝丹，胡子月，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：