聚丙烯酸-丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂對硬水的軟化性能

第35卷第4期武漢工程大學(xué)學(xué)報Vol.35 No. 42013年04月. Wuhan Inst. Tech.Apr. 2013文章編號:1674 - 2869(2013)04 - 0039 -04聚丙烯酸-丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂對硬水的軟化性能陳曙',余響林2(1.湖北中醫藥大學(xué)藥學(xué)系,湖北武漢430065;2.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,湖北武漢430074 )摘要:針對水中含有過(guò)多二價(jià)陽(yáng)離子如鈣離子等而使水質(zhì)硬度較高的問(wèn)題,使用丙烯酸、丙烯酰胺單體為主要原料,采用水溶液聚合法合成了具有三維網(wǎng)絡(luò )結構和較高吸附能力的丙烯酸丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂,然后用其做為硬水軟化劑,對人工配置的濃度為3mmol/L的人工硬水進(jìn)行吸附處理，研究了丙烯酸丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂對人工硬水中所含鈣離子的吸附能力.實(shí)驗結果表明:所合成的丙烯酸丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂對鈣離子的最大吸附量為108mg/g,隨著(zhù)樹(shù)脂用量的逐漸增加,樹(shù)脂對鈣離子的吸附率不斷增大，最大吸附率可達76. 2%以上.該方法原料來(lái)源廣泛,生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生污染,可給硬水軟化提供- -個(gè)新的技術(shù)參考思路.關(guān)鍵詞:水溶液聚合;鈣離子;離子吸附中圖分類(lèi)號:R123.6文獻標識碼:Adoi: 10.3969/i. issn. 1674- 2869.2013. 04. 009蒸餾純化;N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、2-丙0引言烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)，根據我國對生活飲用水現行的硬度標準規分 析純,天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn);對定中,工業(yè)生產(chǎn)飲用水硬度-般不得超過(guò)100 mg/L苯 二酚,分析純,阿拉丁試劑(上海)有限公司生CaCO3,否則,必須對其進(jìn)行脫鹽處理,即硬水的產(chǎn);氫氧化鈉、過(guò)硫酸鉀(KPS)、氯化鈉、無(wú)水氯化軟化.對硬水軟化的方法[24]很多,主要有離子交鈣、六水合氯化鎂、鹽酸，分析純,國藥集團化學(xué)試換法、膜分離方法、石灰法、加藥法和吸附法，前面劑有限公司生產(chǎn)四種方法均存在操作復雜，成本較高等缺點(diǎn),吸附1.2主要儀器裝置法因其價(jià)格便宜,適用范圍廣,再生能力強和投資Elmer FTIR-1710 紅外光譜儀，美國低等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應用.常用的吸附劑有很多，PERKIN公司生產(chǎn); FW80型高速萬(wàn)能粉碎機,天包括無(wú)機吸附劑,高分子吸附劑等.高吸水性樹(shù)津市泰斯特儀器有限公司生產(chǎn);Vario EL元素分脂，由于其分子內部具有獨特的三維網(wǎng)絡(luò )結構，且析儀,德國Elementar 公司生產(chǎn);標準檢驗篩,篩組成其網(wǎng)絡(luò )結構的分子鏈上帶有大量的功能性基孔孔徑0.180mm,上虞市華豐五金儀器有限公司團,能吸附或者螯合大量的金屬離子,因此具有獨生產(chǎn).特的硬水軟化能力[11.1.3高吸水樹(shù)脂的合 成本實(shí)驗以人工硬水為對象,用水溶液聚合法將一定量的丙烯酸、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-合成丙烯酸系高吸水樹(shù)脂作為硬水軟化劑，研究甲基丙磺酸和去離子水加人三口燒瓶中,勻速攪了不同樹(shù)脂用量下樹(shù)脂對于人工硬水的軟化能拌,并通人氮氣15min.然后在冰水浴中將事先配力.該方法的優(yōu)點(diǎn)是原料來(lái)源較廣,工藝簡(jiǎn)單,生置好的 NaOH溶液逐滴加人到三口燒瓶中,滴畢產(chǎn)過(guò)程不產(chǎn)生污染,吸附劑可再生,易于實(shí)現綠色后再加人過(guò)硫酸鉀和交聯(lián)劑N,N'-亞甲基雙丙烯化生產(chǎn),可給硬水軟化提供一個(gè)較新的技術(shù)參考酰胺,將水浴溫度提高到一定的溫度,反應數小方式.時(shí).得到透明彈性水凝膠.切塊后在90 C下真空干燥24h,然后塊體粉碎后得高吸水樹(shù)脂粉末,并1實(shí)驗部分于90 C下真空干燥24 h備用.1.1實(shí)驗試劑1.4結構與性能測試本研究所用的試劑主要有丙烯酸(AA),分析1.4.1紅外光譜 分析用德國B(niǎo)rucker公司生純,天津市大茂化學(xué)試劑廠(chǎng)生產(chǎn),使用前進(jìn)行減壓產(chǎn)的 Vector .中國煤化工品進(jìn)行紅外.MYHCNMH G收稿日期:2013-01-21作者簡(jiǎn)介:陳曙(1962-),女 ，湖北武漢人,講師.研究方向:水處理藥劑的研究..40武漢工程大學(xué)學(xué)報第35卷光譜分析,用溴化鉀壓片測試,掃描范圍為500~進(jìn)行成功,所形成的共聚物為PAA-AM-AMPS共4 000cm~'.聚物.1.4.2樹(shù)脂軟化硬水性能的測試a. 3 mmol/L161134483079人工硬水的配制.稱(chēng)取0. 441 g二水氯化鈣CaCl2●29431670 14322H2O,溶于少量蒸餾水,移入1 000 mL容量瓶,并用蒸餾水稀釋至刻度,搖勻備用,配好的溶液放4)置時(shí)間不超過(guò)48 h.謝3)b.樹(shù)脂軟化硬水測試.稱(chēng)取一定量的樹(shù)脂于茶燒杯中,加人200 mL 3 mmol/L的含鈣離子的鹽溶液，攪拌均勻,靜置一定時(shí)間,使其吸附達到飽1)和后過(guò)濾,稱(chēng)取凝膠質(zhì)量，測量濾液體積和濾液中000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500鈣鎂離子濃度.按下面的公式(1)和(2)分別計算波數/cm”樹(shù)脂對鈣離子的吸附量和吸附率:圖1不同樣 品的紅外譜圖CV.-C,V,'XMX1 000(1)Fig. 1 IR spectra of the different samplesm注: (1)AA;(2) AM;(3) AMPS;(4) PAA-AM AMPS.A=C,V。-C,(2)2.2高吸水樹(shù)脂軟化處理硬水v二GVx 100%由于硬水中主要含的是鈣離子,鈣離子濃度式中:q-樹(shù)脂對鈣離子的吸附量,mg/g;Co-吸附前溶液中鈣離子濃度,mol/L;遠超其他離子濃度,因此選取鈣離子為研究對象.C.-吸附后溶液中鈣離子濃度,mol/L;選用一種樹(shù)脂,該樹(shù)脂的合成條件為:AA用量17. 3 mL.AM用量5. 98 g、AMPS用量8.69 g.引V。-吸附前鈣離子溶液的體積,L;發(fā)劑KPS用量0.118g.交聯(lián)劑MBA用量0.012g,V.-吸附后鈣離子溶液的體積,L;中和度為70%,在程序升溫下50 C反應2 h,M-鈣離子摩爾質(zhì)量,g/mol;60 C反應2 h.該樹(shù)脂吸水倍率為1 054. 2 g/g,吸m-樹(shù)脂的質(zhì)量,g;鹽水倍率為104. 24 g/g,吸液性能很好.測定其對A-吸附率.于初始濃度固定為3 mmol/L 的體積為200 mL2結果與討論氯化鈣溶液中鈣離子的吸附性能.測定了在不同樹(shù)脂用量下對于鈣離子吸附性能的比較,結果見(jiàn)2.1樹(shù)脂的表征圖1為不同樣品的紅外譜圖,3079 cm-1分別表1和圖2、圖3.吸附量和吸附率計算公式見(jiàn)公對應于丙烯酸的烯基上C-H鍵的面內彎曲振式1和公式2.110「動(dòng)，1611 cm-'對應于烯基的伸縮振動(dòng)，100 t1670cm-'對應于伯酰胺基上羰基的伸縮振動(dòng)，2943cm-'對應于飽和C-H的伸縮振動(dòng)，303 448 cm-'對應于羥基的伸縮振動(dòng),1432 cm~ '對應于C-H的彎曲振動(dòng),1550 cm-'對應于仲酰胺70基N-H的彎曲振動(dòng).與曲線(xiàn)1,2,3對比，曲線(xiàn)450 t上3079 cm-'和1 611 cm-'峰的消失確證了AA、AM、AMPS上的烯基都參與到共聚反應中來(lái)，0t2 943 cm~'和1 432 cm~'峰的增加表明烯基上的30 L.00.0.20.30.5氫都轉變成了飽和氫,進(jìn)一步確證了共聚反應的樹(shù)脂用量/g成功進(jìn)行.1 670 cm-'、1 550 cm-'和3448 cm-'圖2樹(shù)脂用量對鈣離子吸附量的 影響峰的保存說(shuō)明了共聚反應進(jìn)行良好,反應物都參Fig.2 The effect of resin amount on adsorption與到共聚反應中形成共聚物.綜上所述,聚合反應中國煤化工MYHCNMHG.第4期陳曙,等:聚丙烯酸-丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂對硬水的軟化性能1表1不同用量樹(shù)脂對鈣離子 溶液的吸附性能 比較Table 1 The adsorption properties comparision of different amounts of resin on calcium solution樹(shù)脂用量/g凝膠質(zhì)量/g 濾液體積/mL 濾液濃度/(mmol/L) 吸 液倍率/(g/g)吸附 量/(mg/g)吸附率/%0.057.50.2.50150. 010814. 89172. 35148. 9731. 00.239. 36151.99196. 8580.353. 791401.94179. 34454. 70.483. 681. 86209. 24(66. 50.594. 291011. 42188. 6376. 2可見(jiàn)隨著(zhù)樹(shù)脂用量的加大,對鈣離子的吸附致謝率不斷增大,但是單位質(zhì)量樹(shù)脂的吸附量會(huì )不斷感謝武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院為本實(shí)驗減小.達吸附平衡時(shí)，樹(shù)脂對鈣離子的吸附量由提供的平臺.108 mg.g'降至37 mg. g',吸附率由22. 5%參考文獻:增至76.2%.這是因為高的樹(shù)脂用量會(huì )增加對鈣離子的吸附，從而提高吸附率.但是單位用量樹(shù)脂1] 葉盛權，吳暉，賴(lài)富饒，等.殼聚糖軟化硬水的研究對鈣離子的吸附能力是有限的，到一定程度后會(huì )[J]. 食品工業(yè)科技, 2009, 7(7):74-80.達到飽和,再增加樹(shù)脂用量,只會(huì )使公式(1)中的[2] Takayuki O, Tsuruki T, Masayu K S. Influence ofpulsed electric field on various enzyme activities [J]. .分母增大,使吸附量整體降低.因此對于硬水的軟Journal of Electrostatics, 2007, 65:156-161.化，要看情況而定樹(shù)脂的用量,在達到硬水軟化標[3] Oscar EP, Ana M R P. Pulsed electric fields effects準所需的鈣離子吸附率下,應盡可能使樹(shù)脂用量)n the molecular structure and gelation of β小，保持高的吸附量,這樣可以減少樹(shù)脂的浪費.lactoglobulin concentrate and egg white [J]. Food0「Research International, 2004， 37: 102-110.70 t[4]LiYQ,Chenzx,MoHz.Efetsofpulsedelectric fields on physicochemical properties of50 -soybean protein isolates [J]. LWT-Food Science and50 tTechnology, 2007, 40:1167-1175.[5]劉新容.丙烯酸丙烯酰胺高吸水樹(shù)脂溶液共聚合成盛40與吸液吸附性能研究[D].湘潭:湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)30 t院，2006.[6]邢傳波.丙烯酸型高吸水性樹(shù)脂的制備及改性研究20 L0.00.[D]. 濟南:山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2008.樹(shù)脂用量/g[7]邢凱華.丙烯酸系高吸水性樹(shù)脂合成及改性的研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)圖3樹(shù)脂用量對鈣離子吸附率的影響院，2009.Fig.3 The effect resin amount on adsorption[8]謝建軍，梁吉福，何新建，等.丙烯酸系高吸水樹(shù)脂amount of calciumion反相懸浮聚合法制備及其吸附性[J].功能高分子學(xué)3結語(yǔ)報，2008, 21(4):448-451.本實(shí)驗初步研究了不同樹(shù)脂用量下樹(shù)脂對硬[9]謝建軍，劉新容，梁吉福.吸水樹(shù)脂吸附分離研究進(jìn)展[J].高分子通報，2007, 9(9) :52-58.水的軟化能力,結果表明隨著(zhù)樹(shù)脂用量由0.05g[10]程冬炳，余響林.余訓民.高吸水樹(shù)脂在環(huán)境治理中增加到0.5g,達吸附平衡時(shí)，樹(shù)脂對鈣離子的吸的應用[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2011, 33(9): 20-25.附量由108 mg/g降至37 mg/g,吸附率由22. 5%11]劉新容。梁吉福PAAAM高吸水k樹(shù)脂在鹽液中吸增至76.2%,此結果為硬水的軟化提供了一種參水及吸中國煤化工2010, 4(24):考方法.68-72. .TYHCNMH G武漢工程大學(xué)學(xué)報第35卷Softening property of poly( acrylic acid-co- acrylamide)superabsorbent resin to hard waterCHEN Shu' ,YU Xiang-lin2(1. Faculty of Pharmacy, Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China;2. School of Chemical Engineering and Pharmacy, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074，China)Abstract: Divalent cations such as calcium ions in water can cause a certain hardness. A novel super-absorbent polymer with three dimensional network and strong adsorption capacity was prepared bywater solution copolymerization of acrylic acid (AA) and acrylic amide (AM). The resin was chosen asthe adsorbent to remove hardness from hard water samples as 3 mmol/L as calcium ion. The removalproperty was assessed by investigating treatment of hard water with different amount of poly (acrylicacid) resin. The results show that the maximum adsorption amount of the resin is 108 mg/g, theadsorption rate of the resin increases with the increase of the amount of resin. The resin generallyremoves more than 76. 2% of the calcium ion from the tested water samples. This method provideswater softening with a new techuplogy reference due to its widely resource and environment friendlyproperty.Key words: water solution copolymerization; calcium ions; ion absorption本文編輯:張瑞中國煤化工MHCNMH G