聚丙烯酸-丙烯酰胺高吸水树脂对硬水的软化性能

第35卷第4期武汉工程大学学报Vol.35 No. 42013年04月. Wuhan Inst. Tech.Apr. 2013文章编号:1674 - 2869(2013)04 - 0039 -04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2(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 )摘要:针对水中含有过多二价阳离子如钙离子等而使水质硬度较高的问题,使用丙烯酸、丙烯酰胺单体为主要原料,采用水溶液聚合法合成了具有三维网络结构和较高吸附能力的丙烯酸丙烯酰胺高吸水树脂,然后用其做为硬水软化剂,对人工配置的浓度为3mmol/L的人工硬水进行吸附处理，研究了丙烯酸丙烯酰胺高吸水树脂对人工硬水中所含钙离子的吸附能力.实验结果表明:所合成的丙烯酸丙烯酰胺高吸水树脂对钙离子的最大吸附量为108mg/g,随着树脂用量的逐渐增加,树脂对钙离子的吸附率不断增大，最大吸附率可达76. 2%以上.该方法原料来源广泛,生产过程中不产生污染,可给硬水软化提供- -个新的技术参考思路.关键词:水溶液聚合;钙离子;离子吸附中图分类号:R123.6文献标识码:Adoi: 10.3969/i. issn. 1674- 2869.2013. 04. 009蒸馏纯化;N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)、2-丙0引言烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)，根据我国对生活饮用水现行的硬度标准规分 析纯,天津市科密欧化学试剂开发中心生产;对定中,工业生产饮用水硬度-般不得超过100 mg/L苯 二酚,分析纯,阿拉丁试剂(上海)有限公司生CaCO3,否则,必须对其进行脱盐处理,即硬水的产;氢氧化钠、过硫酸钾(KPS)、氯化钠、无水氯化软化.对硬水软化的方法[24]很多,主要有离子交钙、六水合氯化镁、盐酸，分析纯,国药集团化学试换法、膜分离方法、石灰法、加药法和吸附法，前面剂有限公司生产四种方法均存在操作复杂，成本较高等缺点,吸附1.2主要仪器装置法因其价格便宜,适用范围广,再生能力强和投资Elmer FTIR-1710 红外光谱仪，美国低等优点而获得广泛应用.常用的吸附剂有很多，PERKIN公司生产; FW80型高速万能粉碎机,天包括无机吸附剂,高分子吸附剂等.高吸水性树津市泰斯特仪器有限公司生产;Vario EL元素分脂，由于其分子内部具有独特的三维网络结构，且析仪,德国Elementar 公司生产;标准检验筛,筛组成其网络结构的分子链上带有大量的功能性基孔孔径0.180mm,上虞市华丰五金仪器有限公司团,能吸附或者螯合大量的金属离子,因此具有独生产.特的硬水软化能力[11.1.3高吸水树脂的合 成本实验以人工硬水为对象,用水溶液聚合法将一定量的丙烯酸、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-合成丙烯酸系高吸水树脂作为硬水软化剂，研究甲基丙磺酸和去离子水加人三口烧瓶中,匀速搅了不同树脂用量下树脂对于人工硬水的软化能拌,并通人氮气15min.然后在冰水浴中将事先配力.该方法的优点是原料来源较广,工艺简单,生置好的 NaOH溶液逐滴加人到三口烧瓶中,滴毕产过程不产生污染,吸附剂可再生,易于实现绿色后再加人过硫酸钾和交联剂N,N'-亚甲基双丙烯化生产,可给硬水软化提供一个较新的技术参考酰胺,将水浴温度提高到一定的温度,反应数小方式.时.得到透明弹性水凝胶.切块后在90 C下真空干燥24h,然后块体粉碎后得高吸水树脂粉末,并1实验部分于90 C下真空干燥24 h备用.1.1实验试剂1.4结构与性能测试本研究所用的试剂主要有丙烯酸(AA),分析1.4.1红外光谱 分析用德国Brucker公司生纯,天津市大茂化学试剂厂生产,使用前进行减压产的 Vector .中国煤化工品进行红外.MYHCNMH G收稿日期:2013-01-21作者简介:陈曙(1962-),女 ，湖北武汉人,讲师.研究方向:水处理药剂的研究..40武汉工程大学学报第35卷光谱分析,用溴化钾压片测试,扫描范围为500~进行成功,所形成的共聚物为PAA-AM-AMPS共4 000cm~'.聚物.1.4.2树脂软化硬水性能的测试a. 3 mmol/L161134483079人工硬水的配制.称取0. 441 g二水氯化钙CaCl2●29431670 14322H2O,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4)置时间不超过48 h.谢3)b.树脂软化硬水测试.称取一定量的树脂于茶烧杯中,加人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1)和后过滤,称取凝胶质量，测量滤液体积和滤液中000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500钙镁离子浓度.按下面的公式(1)和(2)分别计算波数/cm”树脂对钙离子的吸附量和吸附率:图1不同样 品的红外谱图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高吸水树脂软化处理硬水v二GVx 100%由于硬水中主要含的是钙离子,钙离子浓度式中:q-树脂对钙离子的吸附量,mg/g;Co-吸附前溶液中钙离子浓度,mol/L;远超其他离子浓度,因此选取钙离子为研究对象.C.-吸附后溶液中钙离子浓度,mol/L;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V。-吸附前钙离子溶液的体积,L;发剂KPS用量0.118g.交联剂MBA用量0.012g,V.-吸附后钙离子溶液的体积,L;中和度为70%,在程序升温下50 C反应2 h,M-钙离子摩尔质量,g/mol;60 C反应2 h.该树脂吸水倍率为1 054. 2 g/g,吸m-树脂的质量,g;盐水倍率为104. 24 g/g,吸液性能很好.测定其对A-吸附率.于初始浓度固定为3 mmol/L 的体积为200 mL2结果与讨论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2.1树脂的表征图1为不同样品的红外谱图,3079 cm-1分别表1和图2、图3.吸附量和吸附率计算公式见公对应于丙烯酸的烯基上C-H键的面内弯曲振式1和公式2.110「动，1611 cm-'对应于烯基的伸缩振动，100 t1670cm-'对应于伯酰胺基上羰基的伸缩振动，2943cm-'对应于饱和C-H的伸缩振动，303 448 cm-'对应于羟基的伸缩振动,1432 cm~ '对应于C-H的弯曲振动,1550 cm-'对应于仲酰胺70基N-H的弯曲振动.与曲线1,2,3对比，曲线450 t上3079 cm-'和1 611 cm-'峰的消失确证了AA、AM、AMPS上的烯基都参与到共聚反应中来，0t2 943 cm~'和1 432 cm~'峰的增加表明烯基上的30 L.00.0.20.30.5氢都转变成了饱和氢,进一步确证了共聚反应的树脂用量/g成功进行.1 670 cm-'、1 550 cm-'和3448 cm-'图2树脂用量对钙离子吸附量的 影响峰的保存说明了共聚反应进行良好,反应物都参Fig.2 The effect of resin amount on adsorption与到共聚反应中形成共聚物.综上所述,聚合反应中国煤化工MYHCNMHG.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1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/%0.057.50.2.50150. 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可见随着树脂用量的加大,对钙离子的吸附致谢率不断增大,但是单位质量树脂的吸附量会不断感谢武汉工程大学化工与制药学院为本实验减小.达吸附平衡时，树脂对钙离子的吸附量由提供的平台.108 mg.g'降至37 mg. g',吸附率由22. 5%参考文献: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1] 叶盛权，吴晖，赖富饶，等.壳聚糖软化硬水的研究对钙离子的吸附能力是有限的，到一定程度后会[J]. 食品工业科技, 2009, 7(7):74-80.达到饱和,再增加树脂用量,只会使公式(1)中的[2] Takayuki O, Tsuruki T, Masayu K S. Influence ofpulsed electric field on various enzyme activities [J]. .分母增大,使吸附量整体降低.因此对于硬水的软Journal of Electrostatics, 2007, 65:156-161.化，要看情况而定树脂的用量,在达到硬水软化标[3] Oscar EP, Ana M R P. Pulsed electric fields effects准所需的钙离子吸附率下,应尽可能使树脂用量)n the molecular structure and gelation of β小，保持高的吸附量,这样可以减少树脂的浪费.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]刘新容.丙烯酸丙烯酰胺高吸水树脂溶液共聚合成盛40与吸液吸附性能研究[D].湘潭:湘潭大学化学学30 t院，2006.[6]邢传波.丙烯酸型高吸水性树脂的制备及改性研究20 L0.00.[D]. 济南:山东大学材料科学与工程学院，2008.树脂用量/g[7]邢凯华.丙烯酸系高吸水性树脂合成及改性的研究[D]. 武汉:武汉理工大学材料科学与工程学图3树脂用量对钙离子吸附率的影响院，2009.Fig.3 The effect resin amount on adsorption[8]谢建军，梁吉福，何新建，等.丙烯酸系高吸水树脂amount of calciumion反相悬浮聚合法制备及其吸附性[J].功能高分子学3结语报，2008, 21(4):448-451.本实验初步研究了不同树脂用量下树脂对硬[9]谢建军，刘新容，梁吉福.吸水树脂吸附分离研究进展[J].高分子通报，2007, 9(9) :52-58.水的软化能力,结果表明随着树脂用量由0.05g[10]程冬炳，余响林.余训民.高吸水树脂在环境治理中增加到0.5g,达吸附平衡时，树脂对钙离子的吸的应用[J].武汉工程大学学报,2011, 33(9): 20-25.附量由108 mg/g降至37 mg/g,吸附率由22. 5%11]刘新容。梁吉福PAAAM高吸水k树脂在盐液中吸增至76.2%,此结果为硬水的软化提供了一种参水及吸中国煤化工2010, 4(24):考方法.68-72. .TYHCNMH G武汉工程大学学报第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本文编辑:张瑞中国煤化工MHCNMH G