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低温多效蒸馏海水淡化专用阻垢剂的合成及性能研究

作　者: 张海春
导　师: 王海增；阮国岭
学　校: 中国海洋大学
专　业: 海洋化学
关键词: 低温多效蒸馏阻垢海水淡化碳酸钙复配
分类号: TQ085.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

结垢是困扰热法海水淡化装置运行的主要问题之一。在国内外运行的大型低温多效蒸馏海水淡化装置中,普遍采用加入阻垢剂的方法来防止换热器表面的结垢。目前在热法海水淡化中得到应用的阻垢剂主要是磷酸盐和聚合物两大类。磷酸盐类主要应用在90℃以下的低温蒸馏装置且应用并不广泛,有机聚合物类特别是聚羧酸类由于其良好的阻垢效果和热稳定性,在热法海水淡化中得到了广泛的应用。以过硫酸钾为引发剂,在水相体系中合成了以丙烯酸、马来酸酐和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为单体的三元聚合物阻垢剂PAMA,正交实验的结果表明,最佳合成条件为n(AA) :n(AMPS)= 2 :1,过硫酸钾占单体质量比为15%,异丙醇占单体质量比为3%,反应时间为4h,n(MA) :n(AMPS)=6 :1,反应温度为90℃。红外光谱表明合成的聚合物含羧酸盐、磺酸基的特有吸收峰, C-N吸收峰。黏度法测定了最佳条件下合成聚合物的分子量为4511。热重分析的结果表明该聚合物在372.5℃时开始分解。?采用国标GB/T16632-1996初步研究了PAMA聚合物阻垢剂对碳酸钙的阻垢效果,其中PAMA的用量、钙离子浓度、碱度和温度均对阻垢率有较大的影响。随着PAMA用量的增大,阻垢率呈增大的趋势。随钙离子浓度、碱度的增大和温度的升高,阻垢率均呈下降的趋势。恒温时间对阻垢率的影响较小。而海水浓缩法实验结果表明,随着PAMA用量的增大,阻垢率也呈增大的趋势。温度、恒温时间对阻垢率的影响较大,浓缩倍数的影响则较小。随着温度的升高,时间的延长,浓缩倍数的提高,阻垢率均呈下降的趋势。分散氧化铁实验中,随着PAMA用量的增大,透过率呈下降趋势,分散能力变强。随着Fe2+浓度的增大,透过率先减小后增大。随着温度的升高,透过率呈增大的趋势。对于聚合物阻垢剂PAMA来说,采用两种方法评价的阻垢效果是令人满意的,它是一种较好的阻垢剂。国标法作为评价方法存在不足,评价方法还需进一步完善。作为单一组分的阻垢剂,PAMA具有较好的阻垢效果,但是相比于商品化的阻垢剂还有一定距离,有必要进行复配研究,提高其阻垢性能,进而实现商品化的生产。将制备的阻垢剂PAMA与国外的阻垢剂BelgardEV2035、BelgardEV2050进行了复配,考察了其复配效果及经济性。PAMA与BelgardEV2035、BelgardEV2050的复配均存在协同效应。从分子量角度对复配结果进行对比分析可知,分子量是影响阻垢效果的重要因素之一,两种不同分子量大小的阻垢剂复配存在协同效应;从官能团的角度对复配结果进行对比分析可知,膦酰基的引入提高了阻碳酸钙的能力,羧基、膦酰基和磺酸基的复配存在一定的协同效应。但是,引入膦酰基会带来环保问题,降低其在阻垢剂分子中所占比例或寻找可替代的相近功能的无磷基团取代膦酰基是今后阻垢剂合成中的一个重要方向。复配阻垢剂的经济性表明通过复配在提高合成阻垢剂阻垢效果的同时,也显著降低了单一使用阻垢剂BelgardEV2035、BelgardEV2050的成本。制备了空白和加入阻垢剂的垢样,借助扫描电子显微镜,对阻垢机理进行了初步探索。扫描电镜的分析结果表明,PAMA及其复配物对于碳酸钙垢的阻垢机理是晶格畸变作用。其机理可以通过几何匹配理论、表面能理论和分子量、官能团来解释。其中PAMA与BelgardEV2050的复配阻垢剂不仅使晶体发生了畸变,而且还使晶体类型发生了转变,其阻垢作用的机理还有待进一步探讨。采用自由基聚合的方法合成的三元聚合物阻垢剂PAMA,具有较好阻碳酸钙能力和较强的分散氧化铁能力,与国外阻垢剂的复配也表现出良好的协同效应和经济性,是一种新型高效无磷阻垢剂。本研究为PAMA在低温多效蒸馏海水淡化中的应用提供了实验基础,在进一步完善合成条件、评价方法及复配技术的基础上,有望会在低温多效蒸馏海水淡化中得到应用。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
0 前言  14-15
1 文献综述  15-32
  1.1 海水淡化及阻垢清洗技术  15-23
    1.1.1 水资源问题  15-16
    1.1.2 海水淡化是解决水资源危机的重要途径  16-17
    1.1.3 海水淡化阻垢及清洗技术  17-23
      1.1.3.1 海水淡化阻垢及清洗技术研究的必要性  17-18
      1.1.3.2 热法海水淡化的阻垢技术  18-21
      1.1.3.3 热法海水淡化的清洗技术  21-23
  1.2 阻垢剂的研究概况及存在问题  23-31
    1.2.1 阻垢剂性能评价方法  23-25
    1.2.2 阻垢机理的研究进展  25-30
      1.2.2.1 阻垢机理的主要理论  26-29
      1.2.2.2 阻垢机理的研究方法  29-30
    1.2.3 阻垢剂研究存在的问题  30-31
  1.3 本论文的研究目的及研究内容  31-32
2 PAMA 的合成和表征  32-42
  2.1 实验药品与仪器  32-33
    2.1.1 药品  32
    2.1.2 仪器  32-33
  2.2 实验方法  33-35
    2.2.1 PAMA 的合成  33
    2.2.2 碳酸钙的阻垢实验  33-34
    2.2.3 PAMA 的红外光谱测试  34
    2.2.4 PAMA 的分子量测定  34-35
      2.2.4.1 实验原理  34
      2.2.4.2 实验方法  34-35
    2.2.5 热重分析  35
  2.3 结果与讨论  35-41
    2.3.1 单体的选择  35-36
    2.3.2 合成条件的优化  36-38
    2.3.3 PAMA 的红外光谱表征  38-39
    2.3.4 PAMA 的分子量  39-40
    2.3.5 热重分析  40-41
  2.4 小结  41-42
3 PAMA 的阻垢及分散氧化铁性能评价  42-56
  3.1 实验药品与仪器  42-43
    3.1.1 药品  42
    3.1.2 仪器  42-43
  3.2 实验方法  43-44
    3.2.1 碳酸钙阻垢性能评价方法  43
    3.2.2 海水浓缩阻垢性能评价方法  43-44
    3.2.3 分散氧化铁能力测试  44
  3.3 结果与讨论  44-54
    3.3.1 阻垢实验方法的选择  44
    3.3.2 国标法PAMA 对碳酸钙阻垢性能的初步评价  44-48
      3.3.2.1 PAMA 用量对阻垢率的影响  44-45
      3.3.2.2 钙离子浓度对阻垢率的影响  45
      3.3.2.3 碱度对阻垢率的影响  45-46
      3.3.2.4 温度对阻垢率的影响  46-47
      3.3.2.5 恒温时间对阻垢率的影响  47-48
    3.3.3 海水浓缩法的阻垢性能评价  48-50
      3.3.3.1 PAMA 用量对阻垢率的影响  48
      3.3.3.2 浓缩倍数对阻垢率的影响  48-49
      3.3.3.3 温度对阻垢率的影响  49-50
      3.3.3.4 恒温时间对阻垢率的影响  50
    3.3.4 分散氧化铁的性能评价  50-52
      3.3.4.1 PAMA 的用量对分散性的影响  50-51
      3.3.4.2 Fe~(2+)浓度对分散性的影响  51
      3.3.4.3 温度对分散性的影响  51-52
    3.3.5 两种阻垢实验方法结果的对比分析  52-54
  3.4 小结  54-56
4 PAMA 与 BelgardEV2035、BelgardEV2050 的复配研究  56-67
  4.1 实验药品与仪器  56
  4.2 实验方法  56
    4.2.1 阻垢剂的复配  56
    4.2.2 阻垢性能评价方法  56
  4.3 结果与讨论  56-66
    4.3.1 PAMA 与BelgardEV2035、BelgardEV2050 的复配研究  56-59
      4.3.1.1 PAMA 与BelgardEV2035 的复配研究  56-58
      4.3.1.2 PAMA 与BelgardEV2050 的复配研究  58-59
    4.3.2 复配结果分析  59-63
    4.3.3 复配阻垢剂的经济性评价  63-66
  4.4 小结  66-67
5 PAMA 及其复配物阻垢机理的研究  67-72
  5.1 实验药品与仪器  67
  5.2 实验方法  67
    5.2.1 垢样的制备  67
    5.2.2 SEM 分析  67
  5.3 结果与讨论  67-71
    5.3.1 PAMA 及其复配物对碳酸钙阻垢的扫描电镜分析  67-69
    5.3.2 阻垢机理的分析  69-71
  5.4 小结  71-72
6 论文结论与展望  72-75
  6.1 论文结论  72-74
  6.2 今后工作的展望  74-75
参考文献  75-81
致谢  81-82
个人简历  82
发表的学术论文  82

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