聚丙烯酸－丙烯酰胺高吸水树脂对硬水的软化性能

陈 曙，余响林

（1.湖北中医药大学药学系，湖北 武汉 430065；2.武汉工程大学化工与制药学院，湖北 武汉 430074）

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100mg／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［2－4］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［5－11］.

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 FTIR－1710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0.180mm，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15min.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24h，然后块体粉碎后得高吸水树脂粉末，并于90℃下真空干燥24h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 33FTIR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500～4000cm－1.

1.4.2 树脂软化硬水性能的测试 a.3mmol／L人工硬水的配制.称取0.441g二水氯化钙CaCl2·2H2O，溶于少量蒸馏水，移入1000mL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48h.

b.树脂软化硬水测试.称取一定量的树脂于烧杯中，加入200mL 3mmol／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：

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.

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，3079cm－1分别对应于丙烯酸的烯基上C—H键的面内弯曲振动，1611cm－1对应于烯基的伸缩振动，1670cm－1对应于伯酰胺基上羰基的伸缩振动，2943cm－1对应于饱和 C—H 的伸缩振动，3448cm－1对应于羟基的伸缩振动，1432cm－1对应于C—H的弯曲振动，1550cm－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3079cm－1和1611cm－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，2943cm－1和1432cm－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.1670cm－1、1550cm－1和3448cm－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PAA－AM－AMPS共聚物.

图1 不同样品的红外谱图Fig.1 IR spectra of the different samples

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17.3mL、AM 用量5.98g、AMPS用量8.69g、引发剂KPS用量0.118g、交联剂MBA用量0.012g，中和度为70%，在程序升温下50℃反应2h，60℃反应2h.该树脂吸水倍率为1054.2g／g，吸盐水倍率为104.24g／g，吸液性能很好.测定其对于初始浓度固定为3mmol／L的体积为200mL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.2 The 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 1 The adsorption properties comparision of different amounts of resin on calcium solution

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108mg·g－1降至37mg·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.3 The effect resin amount on adsorption amount of calciumion

3 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0.05g增加到0.5g，达吸附平衡时，树脂对钙离子的吸附量由108mg／g降至37mg／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.

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