CN115432832B - 一种低磷防蚀阻垢剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及水处理技术领域，具体公开了一种低磷防蚀阻垢剂及其制备方法。低磷防蚀阻垢剂包括如下重量份数的原料：盐酸多巴胺3‑7份、有机酸0.5‑2份、环氧氯丙烷35‑105份和阻锈组份2‑8份；所述阻锈组份由包括如下步骤的方法制备得到：将吉祥草提取物、亚油酸甘油、肉豆蔻酸甘油混合，加热、搅拌，得到阻锈组份。本申请制备得到的防蚀阻垢剂具有绿色环保、除垢缓蚀效率高的优点。

Description

一种低磷防蚀阻垢剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其是涉及一种低磷防蚀阻垢剂及其制备方法。

背景技术

工业生产中的循环冷却水系统，使用过程中由于水分的蒸发、pH值的变化、温度的上升、水流速度的变化、水中的杂质、系统的压力等因素的影响，水中含有的碱土金属阳离子和少量其他阳离子，会与水中的阴离子生成难溶性无机盐如Ca₃(PO4)₂、CaCO₃、CaSO₄、Mg(OH)₂等，在管道和热交换器表面沉积成垢无机矿物垢(简称水垢)，水垢一旦形成，除非经过处理，否则会继续变厚，变厚的水垢会阻碍传热，堵塞设备和管道，降低水流速度，严重地，会使管道或设备发生垢下腐蚀，甚至造成事故。

为预防上述问题，需要在循环冷却水中添加具有阻垢、分散和缓蚀性能的阻垢剂，从而抑制水垢沉积，并在管道内壁形成一道保护膜，有利于降低水垢等对管道的腐蚀作用。

目前，相关技术中阻垢率较高的缓蚀阻垢剂一般都含有无机磷或有机膦，而含有无机磷或有机膦的阻垢剂在工业除垢过程结束后会将磷流入到自然水体环境中，使自然水体富营养化，促进菌藻的生长形成赤潮，由此引发各种污染事件和灾害。因此，绿色环保的无磷阻垢剂，如聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸等，是目前的一个重要发展趋势，但是，这些绿色环保的无磷阻垢剂阻垢率偏低的问题，如何得到绿色环保、除垢缓蚀效率高的防蚀阻垢剂是目前重要的研究方向。

发明内容

为了提高阻垢剂的缓蚀、阻垢效率，本申请提供一种低磷防蚀阻垢剂及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种低磷防蚀阻垢剂，采用如下的技术方案：

一种低磷防蚀阻垢剂，包括如下重量份数的原料：盐酸多巴胺3-7份、有机酸0.5-2份、环氧氯丙烷35-105份和阻锈组份2-8份；

所述阻锈组份由包括如下步骤的方法制备得到：将吉祥草提取物、亚油酸甘油、肉豆蔻酸甘油混合，加热、搅拌，得到阻锈组份。

水垢的形成经历了一系列阶段，包括微晶形成、微聚集体形成和水垢/沉积物形成，而阻垢剂的使用会阻止或减缓晶体的生长速度，从而导致诱导期较长，但是诱导期过后，水溶液为分子提供足够的能量以克服反应的活化能，晶核开始形成，此外，经过长时间的浸浴，阻垢剂逐渐降解，吸附量减少，与此同时，晶体逐渐长大，使溶液中的水垢增加。

通过采用上述技术方案，首先，盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷的加入，在阻垢剂中引入了醚键、羟基、氨基和羧基，能够显著提高阻垢剂与Ca²⁺之间的作用，从而使钙垢晶体变形并抑制钙垢晶体的形成和生长，进而减小晶粒尺寸，此外，钙垢晶体表面还可以吸附多种阻垢剂分子，进一步提高钙垢的分散性，降低钙垢沉积的概率，提高阻垢剂的除垢效率；其次，盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷的加入，可以通过静电相互作用部分中和钙垢晶体表面的负电荷，从而抑制钙垢的聚集，进而进一步降低钙垢沉积的概率；再次，盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷的加入，能够改变碳酸钙钙垢和硫酸钙钙垢的的晶体形态，使碳酸钙钙垢晶体转变为文石，文石晶型相对较软且具备不稳定的异晶形态，使硫酸钙钙垢变得较为松散，从而使碳酸钙钙垢和硫酸钙钙垢更容易被水冲掉；最后，阻垢剂分子可以吸附在结垢表面，通过破坏结垢晶体的晶格结构和正常生长模式来扭曲结垢晶体，使阻垢剂能够通过晶格畸变、螯合和分散等多重抑制作用实现优异的阻垢性能。

可选的，以所述阻锈组份为基准，所述阻锈组份包括吉祥草提取物3-5份、亚油酸甘油2-4份、肉豆蔻酸甘油1-3份。

通过采用上述技术方案，首先，吉祥草提取物中含有的C＝C、C＝N、N＝N、N＝O官能团可与其他高效缓蚀剂中发现的官能团相媲美，因此具备较为优异的缓蚀性能；其次，与亚油酸甘油和肉豆蔻酸甘油共同使用时，能够在金属基材表面形成一层保护膜，对金属基材起到双重缓蚀的效果，从而进一步提高防蚀阻垢剂的缓蚀能力。

可选的，制备所述阻锈组份的过程中，加热温度为35-45℃，加热时间为1-2h。

通过采用上述技术方案，使各原料之间能够充分反应，进而制备得到缓蚀阻锈性优异的防蚀阻垢剂。

可选的，还包括β-环糊精3-7份。

通过采用上述技术方案，盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷引入的活性官能团能够与β-环糊精共同作用，提高β-环糊精内腔捕获Ca²⁺的能力，促进垢体晶体产生晶体畸变效应，进而进一步抑制CaCO₃的CaSO₄垢的结晶和金属表面垢的沉积，从而提高防蚀阻垢剂的阻垢效率。

第二方面，本申请提供一种低磷防蚀阻垢剂的制备方法，采用如下的技术方案：一种低磷防蚀阻垢剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：将盐酸多巴胺、有机酸和碱性水溶液混合，加热并搅拌，得到混合溶液；

S2：将S1中制备得到的混合溶液与β-环糊精和环氧氯丙烷混合，持续加热后，用酸性溶液中和得到中和反应液，将中和反应液与阻锈组份混合，渗析、分离，得到防蚀阻垢剂。

通过采用上述技术方案，先制备混合溶液，再使混合溶液与环氧氯丙烷反应，使制备得到阻垢剂中的活性官能团与β-环糊精的协同配合作用增强，与阻锈组份协同配合效果优良的防蚀阻垢剂，使防蚀阻垢剂具备优异的缓蚀阻垢效果。

可选的，所述S1中，加热温度为30-40℃，搅拌时间为1-3h；所述S2中，持续加热温度与所述S1中的加热温度相同，持续加热时间为4h。

通过采用上述技术方案，使各原料之间充分反应，制备得到缓蚀除垢性能优异的阻垢剂。

可选的，所述碱性水溶液的溶质选自氢氧化钾、氢氧化钠中的任意一种，所述碱性水溶液的质量浓度为20-25％。

可选的，所述盐酸多巴胺和有机酸与碱性水溶液的重量比为1：(15-20)。

可选的，所述有机酸选自苹果酸、柠檬酸中的任意一种。

通过采用上述技术方案，为阻垢剂的制备体系提供合适的反应酸碱度环境，使各原料之间充分反应，制备得到防蚀阻垢性能优异的阻垢剂。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用盐酸多巴胺、有机酸、环氧氯丙烷和阻锈组份，使制备得到的阻垢剂能够通过晶格畸变、螯合和分散等多重抑制作用实现优异的阻垢性能；并且阻锈组份与防蚀阻垢剂中的其他组份具有良好的适配性，进而能够显著提高防蚀阻垢剂的缓蚀性能。

2、由于采用β-环糊精，β-环糊精与盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷引入的活性官能团共同作用，使垢体晶体产生晶体畸变效应，进而进一步抑制垢体结晶和金属表面垢的沉积，从而提高阻垢剂的阻垢效率。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

阻锈组份的制备例

制备例1

一种阻锈组份，包括如下重量的原料：

吉祥草提取物3g、亚油酸甘油2g、肉豆蔻酸甘油1g。

一种阻锈组份，由以下方法制备得到：

将吉祥草提取物、亚油酸甘油、肉豆蔻酸甘油混合，在35℃下加热并搅拌2h，得到阻锈组份。

制备例2

一种阻锈组份，包括如下重量的原料：

吉祥草提取物5g、亚油酸甘油4g、肉豆蔻酸甘油3g。

一种阻锈组份，由以下方法制备得到：

将吉祥草提取物、亚油酸甘油、肉豆蔻酸甘油混合，在45℃下加热并搅拌1h，得到阻锈组份。

制备例3

一种阻锈组份，包括如下重量的原料：

吉祥草提取物4g、亚油酸甘油3g、肉豆蔻酸甘油2g。

一种阻锈组份，由以下方法制备得到：

将吉祥草提取物、亚油酸甘油、肉豆蔻酸甘油混合，在40℃下加热并搅拌1.5h，得到阻锈组份。

制备例4

一种阻锈组份，与制备例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的亚油酸甘油代替吉祥草提取物。

制备例5

一种阻锈组份，与制备例3的不同之处在于，制备过程中，使用等重量的亚油酸甘油代替肉豆蔻甘油。

制备例6

一种阻锈组份，与制备例3的不同之处在于，制备过程中，使用等重量的肉豆蔻甘油代替亚油酸甘油。

实施例

在本实施例中，S2中使用的酸性溶液为盐酸溶液，盐酸溶液的浓度为1-2mol/L。

实施例1

一种防蚀阻垢剂，包括如下重量的原料：

盐酸多巴胺3g、苹果酸0.5g、环氧氯丙烷35g、阻锈组份2g、β-环糊精3g；其中，阻锈组份由制备例1制备得到。

一种防蚀阻垢剂，由如下方法制备得到：

S1：将盐酸多巴胺和有机酸与质量浓度20％氢氧化钾水溶液的按照重量比1：20混合，在30℃下搅拌3h，得到混合溶液；

S2：将S1中制备得到的混合溶液与β-环糊精和环氧氯丙烷混合，持续加热4h，持续加热温度与S1中的加热温度相同，使用盐酸溶液中和得到中和反应液，将中和反应液与阻锈组份混合，渗析、分离，得到防蚀阻垢剂。

实施例2

一种防蚀阻垢剂，包括如下重量的原料：

盐酸多巴胺7g、柠檬酸2g、环氧氯丙烷105g、阻锈组份8g、β-环糊精7g；其中，阻锈组份由制备例2制备得到。

一种防蚀阻垢剂，由如下方法制备得到：

S1：将盐酸多巴胺和有机酸与质量浓度25％氢氧化钾水溶液的按照重量比1：15混合，在40℃下搅拌1h，得到混合溶液；

S2：将S1中制备得到的混合溶液与β-环糊精和环氧氯丙烷混合，持续加热6h，持续加热温度与S1中的加热温度相同，使用盐酸溶液中和得到中和反应液，将中和反应液与阻锈组份混合，渗析、分离，得到防蚀阻垢剂。

实施例3

一种防蚀阻垢剂，包括如下重量的原料：

盐酸多巴胺5g、苹果酸1.3g、环氧氯丙烷70g、阻锈组份5g、β-环糊精5g；其中，阻锈组份由制备例3制备得到。

一种防蚀阻垢剂，由如下方法制备得到：

S1：将盐酸多巴胺和有机酸与质量浓度22％氢氧化钠水溶液的按照重量比1：18混合，在35℃下搅拌2h，得到混合溶液；

S2：将S1中制备得到的混合溶液与β-环糊精和环氧氯丙烷混合，持续加热5h，持续加热温度与S1中的加热温度相同，使用盐酸溶液中和得到中和反应液，将中和反应液与阻锈组份混合，渗析、分离，得到防蚀阻垢剂。

实施例4

一种防蚀阻垢剂，包括如下重量的原料：

盐酸多巴胺4g、柠檬酸1g、环氧氯丙烷67g、阻锈组份5g、β-环糊精6g；其中，阻锈组份由制备例3制备得到。

一种防蚀阻垢剂，由如下方法制备得到：

S1：将盐酸多巴胺和有机酸与质量浓度24％氢氧化钠水溶液的按照重量比1：16混合，在33℃下搅拌2h，得到混合溶液；

S2：将S1中制备得到的混合溶液与β-环糊精和环氧氯丙烷混合，持续加热4h，持续加热温度与S1中的加热温度相同，使用盐酸溶液中和得到中和反应液，将中和反应液与阻锈组份混合，渗析、分离，得到防蚀阻垢剂。

实施例5

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中不使用β-环糊精。

实施例6

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中盐酸多巴胺和有机酸与碱性水溶液的重量比为1：13。

实施例7

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中盐酸多巴胺和有机酸与碱性水溶液的重量比为1：16。

实施例8

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的草酸代替苹果酸。

对比例

对比例1

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中不使用阻锈组份。

对比例2

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用的阻锈组份由制备例4制备得到。

对比例3

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用的阻锈组份由制备例5制备得到。

对比例4

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用的阻锈组份由制备例6制备得到。

对比例5

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的β-环糊精代替盐酸多巴胺。

对比例6

一种防蚀阻垢剂，与实施例3的不同之处在于，制备过程中使用等重量的β-环糊精代替有机酸。

检测方法

一、阻垢性能

1、碳酸钙阻垢性能测试

对实施例1-8和对比例1-6制备得到的防蚀阻垢剂进行碳酸钙垢的阻垢性能测定，测试方法根据GB/T 16632-2019《水处理剂阻垢性能的测定碳酸钙沉积法》，每组样品数量为三个，计算三个样品的碳酸钙阻垢率平均值并记录在表1中。

2、硫酸钙阻垢性能测试

对实施例1-8和对比例1-6制备得到的防蚀阻垢剂进行硫酸钙垢的阻垢性能测定，测试方法根据Q/SY126-2014《油田水处理用缓蚀阻垢剂技术规范》附录A，每组样品数量为三个，计算三个样品的硫酸钙阻垢率平均值并记录在表1中。

二、缓蚀性能

对实施例1-8和对比例1-6制备得到的防蚀阻垢剂进行阻垢性能测定，测试方法根据GB/T18175-2014《水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法》，实验水温50℃，转速75r/min，运行时间为72h；每组样品数量为三个，计算三个样品的缓蚀率平均值并记录在表1中。

表1实施例1-8和对比例1-6制备得到的防蚀阻垢剂的阻垢性能和缓蚀性能测试

结合实施例1-4、对比例5-6和表1，可以看出,盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷的加入，能够显著提高防蚀阻垢剂对碳酸钙垢和硫酸钙垢的阻垢效率，并且在作为主要原料制备防蚀阻垢剂时缺一不可；这是由于盐酸多巴胺、有机酸和环氧氯丙烷的加入能够在阻垢剂中引入活性官能团，能够使钙垢晶体变形并抑制钙垢晶体的形成和生长，进而减小晶粒尺寸；并且，三者形成的盐酸多巴胺-有机酸-环氧氯丙烷体系，一方面，能够通过静电相互作用中和钙垢晶体表面的负电荷，从而抑制钙垢的聚集，另一方面，能够使生成的碳酸钙垢和硫酸钙垢的晶体晶型发生变化，使其呈现出更加松散的状态，从而使垢体更易被水冲掉；最后，盐酸多巴胺-有机酸-环氧氯丙烷体系能够促进钙垢晶体的晶格畸变，使最终制备得到的阻垢剂能够从螯合、分散、晶格畸变的多手段出发，显著提高其对碳酸钙垢和硫酸钙垢的阻垢性能。

结合实施例3、5、对比例5-6和表1，可以看出,另外，β-环糊精的加入能够进一步提高阻垢剂的阻垢性能，这是由于盐酸多巴胺-有机酸-环氧氯丙烷体系能够进一步提高β-环糊精内腔捕获Ca²⁺的能力，加强防蚀阻垢剂在水处理过程中对钙垢晶体产生的晶体畸变效应的程度，进一步抑制CaCO₃的CaSO₄垢的结晶，从而提高防蚀阻垢剂的阻垢效率。

结合实施例3、实施例6-8和表1，可以看出，盐酸多巴胺和有机酸与碱性溶液的重量比过大或过小以及有机酸的种类选择均会对制备得到的防蚀阻垢剂的碳酸钙阻垢效率、硫酸钙阻垢效率和缓蚀效率产生负面影响，这是由于反应体系的酸碱程度会影响最终制备得到的盐酸多巴胺-有机酸-环氧氯丙烷体系的稳定性，影响盐酸多巴胺-有机酸-环氧氯丙烷体系与β-环糊精的协作效果，影响盐酸多巴胺-有机酸-环氧氯丙烷体系与阻锈组份的协作效果，进而对防蚀阻垢剂剂阻垢性能产生负面影响。

结合实施例3、对比例1-4和表1，可以看出，阻锈组份的加入能够显著提高防蚀阻垢剂的缓蚀效率，并且吉祥草提取物、亚油酸甘油和肉豆蔻酸甘油三者复配的缓蚀效果优于任意两种物质复配时的缓蚀效果，其中以亚油酸甘油和肉豆蔻酸甘油复配时的效果最差，这是由于吉祥草提取物中引入的活性官能团能够与现有缓蚀剂中的官能团相媲美，使防蚀阻垢剂具备了较强的缓蚀性能，并且亚油酸甘油和肉豆蔻酸甘油的复配体系能够在金属基材表面形成一层保护膜，从而对金属基材起到双重缓蚀的性能，进而进一步提高防蚀阻垢剂的缓蚀性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (1)

1.一种低磷防蚀阻垢剂，其特征在于：包括如下重量份数的原料：盐酸多巴胺3-7份、有机酸0.5-2份、环氧氯丙烷35-105份和阻锈组份2-8份；

所述阻锈组份由包括如下步骤的方法制备得到：将吉祥草提取物、亚油酸甘油、肉豆蔻酸甘油混合，加热、搅拌，得到阻锈组份；

以所述阻锈组份为基准，所述阻锈组份包括吉祥草提取物3-5份、亚油酸甘油2-4份、肉豆蔻酸甘油1-3份；

制备所述阻锈组份的过程中，加热温度为35-45℃，加热时间为1-2h；

还包括β-环糊精3-7份；

所述低磷防蚀阻垢剂的制备方法，包括如下步骤：

S1：将盐酸多巴胺、有机酸和碱性水溶液混合，加热并搅拌，得到混合溶液；

S2：将S1中制备得到的混合溶液与β-环糊精和环氧氯丙烷混合，持续加热后，用酸性溶液中和得到中和反应液，将中和反应液与阻锈组份混合，渗析、分离，得到防蚀阻垢剂；

所述S1中，加热温度为30-40℃，搅拌时间为1-3h；所述S2中，持续加热温度与所述S1中的加热温度相同，持续加热时间为4-6h；

所述碱性水溶液的溶质选自氢氧化钾、氢氧化钠中的任意一种，所述碱性水溶液的质量浓度为20-25%；

所述盐酸多巴胺和有机酸与所述碱性水溶液的重量比为1：（15-20）；

所述有机酸选自苹果酸、柠檬酸中的任意一种。