《武汉工程大学学报》 2013年04期
39-42
出版日期：2013-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
聚丙烯酸丙烯酰胺高吸水树脂对硬水的软化性能
0引言根据我国对生活饮用水现行的硬度标准规定\[1\]，工业生产饮用水硬度一般不得超过100 mg/L CaCO3，否则，必须对其进行脱盐处理，即硬水的软化.对硬水软化的方法\[24\]很多，主要有离子交换法、膜分离方法、石灰法、加药法和吸附法，前面四种方法均存在操作复杂，成本较高等缺点，吸附法因其价格便宜，适用范围广，再生能力强和投资低等优点而获得广泛应用.常用的吸附剂有很多，包括无机吸附剂，高分子吸附剂等.高吸水性树脂，由于其分子内部具有独特的三维网络结构，且组成其网络结构的分子链上带有大量的功能性基团，能吸附或者螯合大量的金属离子，因此具有独特的硬水软化能力\[511\].本实验以人工硬水为对象，用水溶液聚合法合成丙烯酸系高吸水树脂作为硬水软化剂，研究了不同树脂用量下树脂对于人工硬水的软化能力.该方法的优点是原料来源较广，工艺简单，生产过程不产生污染，吸附剂可再生，易于实现绿色化生产，可给硬水软化提供一个较新的技术参考方式.1实验部分1.1实验试剂本研究所用的试剂主要有丙烯酸（AA），分析纯，天津市大茂化学试剂厂生产，使用前进行减压蒸馏纯化；N,N’亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、2丙烯酰胺2甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺（AM），分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心生产；对苯二酚，分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司生产；氢氧化钠、过硫酸钾（KPS）、氯化钠、无水氯化钙、六水合氯化镁、盐酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司生产.1.2主要仪器装置Elmer FTIR1710 红外光谱仪，美国 PERKIN 公司生产； FW80 型高速万能粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司生产；Vario EL 元素分析仪，德国 Elementar 公司生产；标准检验筛，筛孔孔径0.180 mm，上虞市华丰五金仪器有限公司生产.1.3高吸水树脂的合成将一定量的丙烯酸、丙烯酰胺、2丙烯酰胺2甲基丙磺酸和去离子水加入三口烧瓶中，匀速搅拌，并通入氮气15 min.然后在冰水浴中将事先配置好的NaOH溶液逐滴加入到三口烧瓶中，滴毕后再加入过硫酸钾和交联剂N,N’亚甲基双丙烯酰胺，将水浴温度提高到一定的温度，反应数小时.得到透明弹性水凝胶.切块后在90 ℃下真空干燥24 h，然后块体粉碎后得高吸水树脂粉末，并于90 ℃下真空干燥24 h备用.1.4结构与性能测试1.4.1红外光谱分析用德国Brucker公司生产的Vector 33 FTIR红外光谱仪对样品进行红外光谱分析，用溴化钾压片测试，扫描范围为500～4 000cm-1.1.4.2树脂软化硬水性能的测试a. 3 mmol/L人工硬水的配制.称取0.441 g二水氯化钙CaCl2·2H2O，溶于少量蒸馏水，移入1 000 mL容量瓶，并用蒸馏水稀释至刻度，摇匀备用，配好的溶液放置时间不超过48 h.b. 树脂软化硬水测试.称取一定量的树脂于烧杯中，加入200 mL 3 mmol/L的含钙离子的盐溶液，搅拌均匀，静置一定时间，使其吸附达到饱和后过滤，称取凝胶质量，测量滤液体积和滤液中钙镁离子浓度.按下面的公式（1）和（2）分别计算树脂对钙离子的吸附量和吸附率：q=C0V0-CtVtm×M×1 000(1)A=C0V0-CtVtC0V0×100%(2)式中：q-树脂对钙离子的吸附量，mg/g；C0-吸附前溶液中钙离子浓度，mol/L；Ct-吸附后溶液中钙离子浓度，mol/L；V0-吸附前钙离子溶液的体积，L；Vt-吸附后钙离子溶液的体积，L；M-钙离子摩尔质量，g/mol；m-树脂的质量，g；A-吸附率.第4期陈曙，等：聚丙烯酸丙烯酰胺高吸水树脂对硬水的软化性能武汉工程大学学报第35卷2结果与讨论2.1树脂的表征图1为不同样品的红外谱图，3 079 cm-1分别对应于丙烯酸的烯基上C—H键的面内弯曲振动，1 611 cm-1对应于烯基的伸缩振动，1 670 cm-1对应于伯酰胺基上羰基的伸缩振动，2 943 cm-1对应于饱和C—H的伸缩振动，3 448 cm-1对应于羟基的伸缩振动，1 432 cm-1对应于C—H的弯曲振动，1 550 cm-1对应于仲酰胺基N—H的弯曲振动.与曲线1，2，3对比，曲线4上3 079 cm-1和1 611 cm-1峰的消失确证了AA、AM、AMPS上的烯基都参与到共聚反应中来，2 943 cm-1和1 432 cm-1峰的增加表明烯基上的氢都转变成了饱和氢，进一步确证了共聚反应的成功进行.1 670 cm-1、1 550 cm-1和3 448 cm-1峰的保存说明了共聚反应进行良好，反应物都参与到共聚反应中形成共聚物.综上所述，聚合反应进行成功，所形成的共聚物为PAAAMAMPS共聚物.图1不同样品的红外谱图 Fig.1IR spectra of the different samples注： （1）AA；(2) AM；(3) AMPS；(4) PAAAMAMPS.2.2高吸水树脂软化处理硬水由于硬水中主要含的是钙离子，钙离子浓度远超其他离子浓度，因此选取钙离子为研究对象.选用一种树脂，该树脂的合成条件为：AA用量17.3 mL、AM用量5.98 g、AMPS用量8.69 g、引发剂KPS用量0.118 g、交联剂MBA用量0.012 g，中和度为70%，在程序升温下50 ℃反应2 h，60 ℃反应2 h.该树脂吸水倍率为1 054.2 g/g，吸盐水倍率为104.24 g/g，吸液性能很好.测定其对于初始浓度固定为3 mmol/L的体积为200 mL氯化钙溶液中钙离子的吸附性能.测定了在不同树脂用量下对于钙离子吸附性能的比较，结果见表1和图2、图3.吸附量和吸附率计算公式见公式1和公式2.图2树脂用量对钙离子吸附量的影响Fig.2The effect of resin amount on adsorption amount of calciumion表1不同用量树脂对钙离子溶液的吸附性能比较Table 1The adsorption properties comparision of different amounts of resin on calcium solution树脂用量/g凝胶质量/g滤液体积/mL滤液浓度/（mmol/L）吸液倍率/（g/g）吸附量/（mg/g）吸附率/%0.057.501862.50150.010822.50.114.891762.35148.97431.00.239.361551.99196.85848.70.353.791401.94179.34454.70.483.681081.86209.24066.50.594.291011.42188.63776.2可见随着树脂用量的加大，对钙离子的吸附率不断增大，但是单位质量树脂的吸附量会不断减小.达吸附平衡时，树脂对钙离子的吸附量由108 mg·g-1降至37 mg·g-1，吸附率由22.5%增至76.2%.这是因为高的树脂用量会增加对钙离子的吸附，从而提高吸附率.但是单位用量树脂对钙离子的吸附能力是有限的，到一定程度后会达到饱和，再增加树脂用量，只会使公式（1）中的分母增大，使吸附量整体降低.因此对于硬水的软化，要看情况而定树脂的用量，在达到硬水软化标准所需的钙离子吸附率下，应尽可能使树脂用量小，保持高的吸附量，这样可以减少树脂的浪费. 图3树脂用量对钙离子吸附率的影响Fig.3The effect resin amount on adsorption amount of calciumion3结语本实验初步研究了不同树脂用量下树脂对硬水的软化能力，结果表明随着树脂用量由0.05 g增加到0.5 g，达吸附平衡时，树脂对钙离子的吸附量由108 mg/g 降至37 mg/g，吸附率由22.5%增至76.2%，此结果为硬水的软化提供了一种参考方法.致谢感谢武汉工程大学化工与制药学院为本实验提供的平台.