环保型阻垢剂PESA的相关研究_陈磊

DOI：10.16581/https://www.wendangku.net/doc/e83381931.html,ki.issn1671-3206.20160705.044 网络出版时间：2016-07-05 08:40:17

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环保型阻垢剂PESA的相关研究

陈磊1，孔秀琴1,2，周昌琴2，高萌3

(兰州理工大学 石油化工学院， 兰州730050)

摘要：本文采用水浴加热80℃制备PESA-Ca2+螯合物，使用拉曼红外光谱仪分析PESA-Ca2+螯合物和PESA

的红外光谱图，确定制备的螯合产物；用草酸钠作指示剂，在不断摇动下用500mg/L的标准钙溶液滴定测

定PESA-Ca2+螯合物的螯合值，结果表明PESA对水溶液中钙离子的螯合值为135mg(Ca2+)/gPESA，从而推

出PESA对水溶液中钙离子的螯合配位比为3.622:1，即每一个PESA分子将与3.622个钙离子发生配位作

用；对PESA-Ca2+螯合物的可生物降解性进行研究，结果表明10d的生物降解率为12.8%，大于10%，但

28d的生物降解率仅为21.0625%，说明其为可生物降解物质，但并不是易生物降解物质。

关键词：PESA-Ca2+螯合物螯合值测定可生物降解性

Related study on environmental protection type scale inhibitor PESA

Kong xiuqin1，Chen lei1,2， Zhou changqin2，Gao meng3

(College of Petrochemistry Engineering Lanzhou University of Technology Lanzhou 730050)

Abstract:In this paper, prepared PESA-Ca2+ chelates with the water bathing 80℃, analysis

PESA-Ca2+ chelate and PESA infrared spectrum to determine chelation product prepared by

Raman infrared spectroscopy; Measured the chelation value of PESA-Ca2+ by using the

500mg/L of Standard calcium solution titration with sodium oxalate as an indicator, The results

showing that calcium ions in aqueous solution PESA chelation is 135mg (Ca2 +) / gPESA, and

launch PESA chelating ligand in aqueous solution of calcium ratio of 3.622: 1, that is, each

molecule will be 3.622 PESA calcium in coordination role; study on Biodegradability of

PESA-Ca2+, it 10d biodegradation rate is 12.8%, greater than 10%, but the 28d biodegradation rate

is 21.0625%. The results show that PESA-Ca2+ is Of biodegradable, but not easily

biodegradable.

Key words: PESA-Ca2+ chelate； Measuring Chelated； Biodegradability

聚环氧琥珀酸[1]（PESA）是目前国际公认的绿色阻垢剂和更新换代产品，具有无磷、非氮、可生物降解性好、阻垢性能优异的特点，可解决高碱高固水质的阻垢问题，适用于高浓

缩倍数和零排污处理，可用作锅炉水处理、冷却水处理、废水处理等的阻垢剂。现阶段，对

PESA阻垢剂的研究已有相关报道。何滢霞等[2]以马来酸酐为原料, 分两步合成了绿色环保阻

垢剂聚环氧琥珀酸，并对其阻垢性能进行探讨。李晓梅等[3-4]通过 红外光谱和扫描电镜分析

手段研究了加入不同浓度PESA碳酸钙垢晶型，对绿色阻垢剂聚环氧琥珀酸的阻垢机理进行

了研究。杜剑强等[5-7]研究了聚环氧琥珀酸的合成及其阻垢缓蚀性能，张克峰等[8-9]对PESA

的协同效应进行了相关研究报道。

近几年关于PESA在生物处理高钙废水中的研究报道较多，赵凯，樊艳丽，孔秀琴[10-12]等通过在活性污泥法处理高硬度废水的实验过程中加入绿色安全型阻垢剂聚环氧琥珀酸，研

作者简介：陈磊(1989-)，男(汉)，硕士研究生，师从孔秀琴教授，主要从事水处理技术研究，电话：

187********，电子邮箱：930132674@https://www.wendangku.net/doc/e83381931.html,

通讯联系人：孔秀琴(1967-)，女，教授，兰州理工大学硕士研究生导师。主要从事污水生化处理工艺的优

化、活性污泥异常现象等方面的研究。电子邮箱：xqkong2@https://www.wendangku.net/doc/e83381931.html,。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51268034)

究活性污泥系统的沉降性能、COD去除率、Ca2+保留率、生物相变化规律以及污泥减量化效果。孙林，孔秀琴[13]研究了阻垢剂聚环氧琥珀酸钠对实验室自配高钙、高氯废水中Ca2+的阻垢性能。但对聚环氧琥珀酸与Ca2+生成的螯合物的研究，相关报道较少。北京化工大学的许艳红[14-15]采用HCl-HNO 3 消解法测定了聚环氧琥珀酸螯合物中的钙含量，研究了环氧琥珀酸螯合溶解性能。本实验主要对聚环氧琥珀酸与钙离子的螯合物进行了研究。首先通过加热回流制备了PESA-Ca2+螯合物溶液，蒸发结晶得到PESA-Ca2+螯合物，进行红外光谱鉴定；利用指示滴定，测定PESA-Ca2+螯合物的螯合值；探究了PESA-Ca2+螯合物的生物降解性，并对降解后的钙离子去向进行初步探究。

1 实验部分

1.1 PESA-Ca2+螯合物的制备

1.1.1实验材料及仪器

取不同体积1.6g/L的PESA溶液于试管中，滴加几滴0.05mol/L草酸钠作指示剂，在不断摇动下用500mg/L的标准钙溶液滴定，当溶液中有白色沉淀生成时即为滴定终点，记录滴定所消耗的标准钙溶液体积。标准钙溶液的浓度采用0.01mol/L的EDTA进行标定。重复多次滴定，计算平均值。

1.3 PESA-Ca2+螯合物的生物降解性研究

1.3.1实验材料及仪器

PESA-Ca2+螯合物溶液，自制；氢氧化钠，分析纯，盐酸；活性污泥为兰州市安宁污水厂曝气池的活性污泥；实验用水为3次蒸馏水；玻璃仪器：洗液浸泡30min，自来水冲洗，然后浸泡60min，再用蒸馏水冲洗，105℃烘干，确保不接触任何有机物或有毒物。

1.3.2实验方法

试验装置同文献[16]。取活性污泥200ml，12.8g/L的PESA-Ca2+螯合物70ml，280ml蒸

馏水作为实验组；取取活性污泥200ml ，350ml 蒸馏水作为对照组。28d 降解完成后，将上清液进行过滤，将上清液定容到1000ml 的容量瓶中，测定实验组与对照组上清液钙离子的总质量。

2结果与讨论

2.1 PESA-Ca 2+

螯合物的制备

根据1.1.3实验方案制备PESA-Ca 2+晶体，取少量PESA-Ca 2+晶体与PESA 固体，采用溴化钾制片，进行红外测定，图谱如图1、图2。 400035003000250020001500

100050000

20

406080

100% T r a n s m i t t a n c e W a v e n u m b r e s (c m -1)

3427.88

1416.44

1389.59

1307.48

1108.32

1073.36

991.26

771.52

620.29

图1 PESA-Ca 2+的红外吸收谱图

Fig. 1 Infrared absorption spectra of PESA-Ca 2+

400035003000250020001500

100050000

20406080100

% t r a n s m i t t a n c e W a v e n u m b e r v (c m -1)3420.441603.55

1402.67

1296.14

1105.78

1073.77

990.22

714.67

641.78

图2 PESA

的红外吸收谱图

Fig. 2 infrared absorption spectra of PESA 参考文献[15]，由图2 PESA 红外吸收光谱中可以看出，在1603.55cm -1处出现明显的特征峰，在羧酸盐的特征峰范围（1610-1550cm -1）内，但图1中的羧基特征峰发生了明显的偏移，在1416.44 cm -1处才出现明显的特征峰，说明PESA 中的羧基与钙离子发生了螯合配位反应，导致了羧基特征峰的偏移。证明了PESA-Ca 2+螯合物的生成。

2.2 PESA-Ca 2+螯合物的螯合值的测定

采用1.2.3实验方法进行滴定，将滴定的数值进行处理，数据记录如表1：

表1 PESA-Ca 2+螯合物的螯合值的测定

Table 1 The Determination of PESA-Ca 2+ chelate value

表中CaCl 2体积为3次滴定消耗CaCl 2体积的平均值。实验中PESA 的质量浓度为

1.6g/L ，钙离子的质量浓度为500mg/L ，使用的PESA 的相对分子质量为1074g/mol，根据

m PESA =C PESA *V PESA ，n PESA =m PESA /M PESA ，m Ca 2+=C Ca 2+*V Ca 2+，n Ca 2+=m Ca 2+/M Ca 2+，计算PESA 的质量、PESA 摩

尔量，消耗Ca 2+的质量、Ca 2+摩尔量。将计算处理后的数据进行拟合，以PESA 的质量为横坐标，钙离子质量为纵坐标，作PESA 的质量与钙离子质量之间的关系图；以PESA 物质的量为横坐标，以钙离子物质的量为纵坐标，作PESA 物质的量与钙离子物质的量之间的关系

681012141618202224

n PE SA /um ol

图4 PESA 与钙离子的螯合配位

Fig 4 The PESA and calcium ions chelate coordination

PESA 体积(ml) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 CaCl 2体积（ml ）2.95 3.63 4.15 5.1 5.4 6 6.55 6.8 7.4 7.9 8.55

由图3可以清晰看出PESA的质量与钙离子质量之间的拟合方程为：y=0.135x+0.1836，相关系数R2=0.9915，说明PESA对水溶液中钙离子的螯合值为135mg(Ca2+)/gPESA。由图4可以看出PESA物质的量与钙离子物质的量之间的拟合方程为：y=3.6221x+4.607，相关系数R=0.9915，说明PESA对水溶液中钙离子的螯合配位比为3.6221:1，即每一个PESA分子与3.622个钙离子发生配位作用。实验结果非整数的螯合配位值说明了PESA与钙离子在中性水溶液中的配位螯合作用具有不同的形态，一个PESA分子可能与3个钙离子发生螯合反应，也可能与4个钙离子发生螯合反应。关于PESA与钙离子在非中性水溶液中的络合物形态和稳定常数可单独设计实验进行探讨。

2.3 PESA-Ca2+螯合物的生物降解性研究

以12L/h的流量通入不含CO2的空气，生物降解的实际生成量n(CO2)由0.0125mol/L的氢氧化钡吸收。每天测定产生的CO2得量，计算累积量和降解率。按上述方法测定实验组，

强。

可清晰知道， 28d的生物降解率为21.0625%，即降解的PESA-Ca2+质量为188.72mg，结合上节PESA与钙的螯合值，可计算出降解产生的钙离子总质量为27.3644mg，该值与s上面测得数据32.8mg有一定差值。可能原因是因为测定降解过程中CO2的测定有一定误差。

3 结论

a).采用水浴加热80℃回流制备PESA-Ca2+螯合物是可行的；

b). PESA对水溶液中钙离子的螯合值为145.4mg(Ca2+)/gPESA；PESA对水溶液中钙离子的螯合配位比为1:3.6221，即每1个PESA分子将与3.622个钙离子发生配位作用，一个PESA分子可能与3个钙离子发生螯合反应，也可能与4个钙离子发生螯合反应；

c). PESA-Ca2+的10d生物降解率为12.8%，28d生物降解率为21.0625%，为可生物降解物质，但并不是易生物降解物质。

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