三元共聚物阻垢剂阻垢机理研究

张春风 洪李玲 朱婉宁

【摘 要】为了探索高分子聚合物的阻垢机理，本文利用扫描电子显微镜（SEM）对比了添加了高分子聚合物与未添加高分子聚合物的碳酸鈣垢样晶型貌。通过对晶体结构的分析，初步探讨了AA/APES/HPA三元共聚物阻垢剂的作用机理。

【关键词】阻垢机理；SEM扫描；阻垢剂

经过国内外科学家的大量研究，水垢主要是由水中金属离子与成垢阴离子结合而生成的难溶盐。钙盐是日常生活及工业生产中最常见的难溶盐。碳酸钙在自然界中因其不同的形成过程而有不同的形式[1]。研究表明，晶体生长是在一些特定的活性中心进行的，当这些中心吸附上聚合物阻垢剂大分子时，晶体就会大大减少增长的速度，甚至停止增长，起到阻垢的作用。

一、实验部分

（一）实验药品及主要仪器

碳酸钙，氨水，硼砂缓冲溶液（西陇化工股份有限公司），均为分析纯；丙烯酸/烯丙基聚乙氧基磺酸铵/丙烯酸羟丙酯共聚物（AA-APES-HPA）三元高分子共聚物阻垢剂，实验室自制。

容量瓶，1000ml，移液管，25ml、50ml，酸式滴定管，50ml（北京博美玻璃仪器厂）；电热恒温水浴锅，DF-101S，00℃，精度±1℃，上海正惠工贸有限公司。

（二）实验原理

通过事先配置好一定浓度的钙离子模拟水样，加入一定量需要测定性能的药剂，然后将加入了药剂的水样在一定的条件下恒温足够的时间。通过比较SEM扫描电镜图 ，分析得到阻垢机理。

（三）实验方法

①称取一定量CaCO3在160℃干燥2h，冷却。称量1.001g无水碳酸钙于锥形瓶中，蒸馏水湿润，滴入4mol/L稀盐酸溶液至碳酸钙溶解完全。加入蒸馏水，煮沸，除去二氧化碳。以甲基红为指示剂，滴加3mol/L氨水调节至橙色。容量瓶定容，得钙离子浓度为1mg/ml的溶液。

②在用移液管移取适量氯化钙溶液于500ml容量瓶，使容量瓶中的钙离子达到120mg。用移液管移取5ml配置好的阻垢剂溶液，边加边摇晃。加入20ml硼砂缓冲溶液，摇匀。移液管加入366mg碳酸钙离子，边加边摇晃，蒸馏水定容，摇匀。在另一个容量瓶中，配置相同的水样，不加入阻垢剂，做空白试验。

③将加入阻垢剂的水样与未加入阻垢剂的水样放于比色管中，两比色管浸入80℃的恒温水浴中，将水浴液面高过水样页面，恒温10小时。取出比色管，冷却。将形成的碳酸钙垢样在SEM下拍摄4000倍的扫描电镜图。

二、实验结果与讨论

在水样中添加阻垢剂，可分为三种主要的作用机理即螯合增溶、分散作用、晶格畸变作用[2]。通常情况下三种作用同时存在，互相促进与补救。图2-1是在没有添加高分子共聚物的情况下，通过静态阻垢法形成的碳酸钙垢样在SEM下分别放大4000倍的扫描电镜图。由图可得，在不存在阻垢剂的情况下，碳酸钙晶粒完整，排列规则，结构致密，非常有利于晶格的进一步堆积于生长。并且此种结构的碳酸钙垢样易于吸附在容器表面，形成质地坚密紧实的碳酸钙垢，不容易清洗与冲刷，长时间如果没有有效地措施来遏制，将会对管道及容器形成严重的后果，造成巨大的经济损失。

图2-2是在加入了共聚物阻垢剂的情况下，通过静态阻垢法生成的CaCO3晶体垢样在SEM下分别放大4000倍的扫描电镜图。由图可得，碳酸钙垢的形貌与晶体结构发生了巨大的改变，呈现不规则的块状晶体且分布松散。此种垢样晶型被严重破坏，不易于进一步生长于堆积，其圆滑的结构也难以吸附在容器壁及管道上，易于冲刷，避免了对容器壁的进一步腐蚀。

AA-APES-HPA三元高分子共聚物阻垢剂分子中的羧酸根离子使共聚物对金属离子的螯合性能大大提高，通过分子间作用力吸附于碳酸钙晶核表面。吸附于碳酸钙晶格表面的共聚物阻垢剂具有负电荷，增加了碳酸钙晶核之间的静电斥力，防止因分子间的相互运动而长大[3]。并且吸附于碳酸钙晶核表面的共聚物分子，占据着晶体的活性生长点，使其不能排列成完整晶体，致使晶格发生畸变，形成松散的易于冲刷的絮状沉淀，在清洗过程中，可以通过简单的冲刷除去。

三、结论

通过扫描电镜（SEM）观察了在未添加阻垢剂与添加了聚合物阻垢剂下的垢貌晶型，研究了聚合物的阻垢机理。实验结果表明，阻垢剂的存在严重干扰了晶体的正常生长，致使晶体发生严重畸变，由紧致的正六面体构型变为松散易冲刷的絮状物，具有优良的阻垢效果。

参考文献：

[1]张群，陈敏，孙新园，等.柠檬酸钠作用下碳酸钙的制备[J].人工晶体学报，2012，41（2）：539-543.