CN111233174B - 一种阻垢粉末、其制备方法以及用途 - Google Patents

一种阻垢粉末、其制备方法以及用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种阻垢粉末、其制备方法以及用途，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载阻垢剂的介孔材料；所述阻垢粉末的制备方法包括：(1)将介孔材料加入阻垢剂水溶液中混合，固液分离，干燥，得干燥物；(2)将表面活性剂在搅拌状态下加入到步骤(1)制备的干燥物中，反应，得到所述阻垢粉末；本发明制备的阻垢粉末缓释效果好，同时能控制释放速率，具有长效性，且制备工艺简单、成本低，可在水质阻垢处理中应用。

Description

一种阻垢粉末、其制备方法以及用途
技术领域
本发明涉及水处理化学品领域，涉及一种阻垢粉末、其制备方法以及用途。
背景技术
随着人口的大量增加，工业化进程造成的污染，水体循环使用周期加快，不得不超采大量的地下水使得自来水的硬度越来越高，据调查中国北方地区的水质硬度已高达500ppm，高硬度的水质烧开饮用口感差，且常常造成壶底结垢，长期饮用高硬度的水易引起肠胃功能絮乱、肾结石等疾病。目前市面上所使用的饮用水除垢方法主要为物理法和化学法：物理法主要利用磁场、电场等物理方法进行软化水质，但物理法除垢性能较一般，难以应用于北方高硬度的水质，同时需要消耗较大电能。化学法主要通过离子交换软化水体，但存在树脂交换当量小，再生成本高等缺陷。
工业上用水存在较多的低成本性水处理阻垢剂的应用，由于其为液态或为易溶于水粉末晶体态，一般为投放式使用针对于工业循环用水，难以在家庭用水中得到应用。
CN101700937A公开了一种高硬高碱工业循环水的复合阻垢剂，该阻垢剂是由HEDP、聚天冬胺酸、聚马来酸酐、聚丙烯酸分散剂等组成，其中聚丙烯酸分散剂可以是聚丙烯酸三元分散剂的一种或几种，也可以是四元分散剂中的一种或几种。该发明制备的复合阻垢剂具有优异的阻垢性能，但是其未提及缓释性能。
CN108002552A公开了一种净水阻垢材料及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将由生物质构成的前驱体作为溶质，水为溶剂，混合获得前驱液；(2)将前驱液滴入交联液中，在交联液中交联，交联完后，将交联体捞出；(3)将交联体置于后置交联液中继续交联一段时间，交联完后进行烘干，获得净水阻垢材料。该发明制备的净水阻垢材料具有成本低、安全环保、阻垢寿命长等优点，但是其未公开缓释功能。
CN107032509A公开了一种三元共聚物浓缩缓释阻垢剂及其制备方法，该三元共聚物的分子式如下，其中，x:y:z＝(1-2):(2-3):(0.5-1)，该三元共聚物浓缩缓释阻垢剂的制备方法包括，步骤一，将马来酸酐配制成水溶液，并加入催化剂水溶液；步骤二，将丙烯酸与过硫酸铵水溶液缓慢加入步骤一配制的体系中，并开启升温回流；步骤三，步骤二反应完成后，缓慢向步骤二的反应体系中加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸溶液，保持步骤二的温度不变继续回流反应；步骤四，待步骤三的反应完成后，加入聚乙烯醇，搅拌至其溶解后，然后反应液置于烘箱中烘干即得产品。该发明制备的阻垢剂具有更好的阻垢性能和缓释性能，但是其缓释效果的长效性有待提高。
因此，开发一种除垢能力强、能有效控制缓释速度和释放速度，且便于家庭投放使用的阻垢粉末仍是本领域研究的热点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种阻垢粉末、其制备方法以及用途，所述阻垢粉末缓释效果好，且可通过不同的复配比例和工艺来控制缓释速度和释放浓度,在饮用水中，有效成分的释放浓度为0.01-2.0mg/L，具有较好的缓释效果和长效性，并且制备工艺简单、成本低，用于水质阻垢处理，尤其适用于家庭饮用水净化设备，如RO机设备、超滤膜、陶瓷膜等的阻垢处理，尤其是在饮用水净水设备的水效标准提出之后，对于延长过滤膜的使用寿命，减少废水排放、甚至实现零废水排放有极大的益处。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种阻垢粉末，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载阻垢剂的介孔材料。
本发明制备的阻垢粉末具有较好的缓释效果，且能控制释放效率，同时具备长效性。
在本发明中，所述阻垢剂为聚天冬氨酸、聚天冬氨酸改性物、聚丙烯酸、聚丙烯酸改性物、柠檬酸、柠檬酸改性物、聚马来酸酐或聚马来酸酐改性物中的任意一种或至少两种的组合，优选聚天冬氨酸和聚丙烯酸的组合。
在本发明中，所述聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比为1:1-3:1，例如1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1等。
本发明选用的聚天冬氨酸和聚丙烯酸相互配合，协同作用可增加阻垢剂的阻垢效果；当仅选用其中任一种时，阻垢效果会降低；当二者的质量比不在1:1-3:1的范围内，阻垢效果亦会下降；当选用其他阻垢剂或者其他阻垢剂的复配时，阻垢效果亦较差。
在本发明中，所述液态阻垢剂与介孔材料的质量比为1:1-5:1，例如1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1等。
本发明中若阻垢剂与介孔材料的质量比低于1:1，会造成介孔材料的浪费；若阻垢剂与介孔材料的质量比高于5:1，则会有部分阻垢剂不能被包载，影响缓释效果。
在本发明中，所述介孔材料的目数为80-1000目，例如80目、100目、200目、300目、400目、500目、600目、700目、800目、900目、1000目等。
在本发明中，所述介孔材料为硅系介孔材料、硅藻土、活性炭、沸石粉、凹凸棒石或蒙脱土中任意一种或至少两种的组合。
本发明选用介孔材料作为缓释载体，利于其具有孔道结构规则且比表面积较大的优点，使得孔道与进入孔道的阻垢剂形成包结，从而改善阻垢剂本身的性能，达到缓慢释放阻垢活性成分的目的，从而起到缓释效果；当选用介孔材料的目数较低时，缓释效果较差，而介孔材料目数过高时价格昂贵，不利于工业生产应用。
在本发明中，所述表面活性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、或硬脂酸中的任意一种或至少两种的组合。
本发明选用表面活性剂对阻垢材料进行疏水处理，从而增加阻垢剂的长效性。
本发明的目的之二在于提供了一种阻垢粉末的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将介孔材料加入阻垢剂水溶液中混合，固液分离，干燥，得干燥物；
(2)将表面活性剂在搅拌状态下加入到步骤(1)制备的干燥物中，反应，得到所述阻垢粉末。
本发明制备得到的阻垢粉末，通过将阻垢剂进行吸附提取和疏水处理，使阻垢粉末具有缓释效果好，同时能控制释放速率，具有长效性，且该制备工艺简单，适用范围更广，也大大的降低了生产的成本。
在本发明中，步骤(1)所述阻垢剂水溶液的浓度为10％-50％，例如10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％等。
在本发明中，步骤(1)所述阻垢剂水溶液是将阻垢剂溶于去离子水中得到的。
在本发明中，步骤(1)所述混合是在搅拌条件下进行的。
在本发明中，所述搅拌时间为0.5-2h，例如0.5h、0.8h、1h、1.3h、1.5h、1.8h、2h等。
在本发明中，步骤(1)所述干燥温度为60-80℃，例如60℃、62℃、65℃、67℃、70℃、72℃、75℃、78℃、80℃等。
在本发明中，步骤(2)所述表面活性剂添加量为步骤(1)制备的干燥物重量的3％-10％。
在本发明中，步骤(2)所述搅拌速度为400-600r/min，例如400r/min、450r/min、500r/min、550r/min、600r/min等。
在本发明中，步骤(2)所述反应温度为80-120℃，例如80℃、90℃、100℃、110℃、120℃等。
在本发明中，步骤(2)所述反应时间为0.5-3h，例如0.5h、0.8h、1h、1.3h、1.5h、1.8h、2h、2.3h、2.5h、2.8h、3h等。
作为本发明的优选方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将阻垢剂溶于去离子水中，得到浓度为10％-50％的阻垢剂水溶液，然后将介孔材料加入阻垢剂水溶液中，在搅拌条件下混合0.5-2h，固液分离，60-80℃干燥，得干燥物，其中介孔材料与阻垢剂的质量比为1:1-5:1；
(2)将表面活性剂在搅拌速率为400-600r/min条件下加入到步骤(1)制备的干燥物中，其中表面活性剂的重量为干燥物重量的3％-10％，80-120℃反应0.5-3h，得到所述阻垢粉末。
本发明的目的之三在于提供一种如目的之一所述的阻垢粉末用途，其用途为在水质阻垢处理中的应用，尤其是在家庭用水中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对阻垢剂进行吸附提取和疏水处理，使制备得到的阻垢粉末具有较好的阻垢效果(碳酸钙阻垢率可达92％)和缓释效果，且能控制释放速率(24h的累积释放率低至1.8％)，同时具有长效性(缓释天数可达88天)；该制备工艺简单，适用范围更广，也大大的降低了生产的成本，适用于工业大规模生产。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种阻垢粉末，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载在阻垢剂上的介孔材料；其中阻垢剂为聚天冬氨酸和聚丙烯酸的组合；聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比为1.5:1；介孔材料为纯硅MCM-41；纯硅MCM-41的目数为500目；阻垢剂与介孔材料的质量比为1:1；表面活性剂为钛酸酯偶联剂。
阻垢粉末的制备方法步骤为：
(1)将75g聚天冬氨酸与50g聚丙烯酸混合溶于200g去离子水中，得到浓度为38％的阻垢剂水溶液，然后将125g纯硅MCM-41加入阻垢剂水溶液中，在搅拌条件下混合1h，固液分离，70℃干燥，得干燥物；
(2)将干燥物重量5％的钛酸酯偶联剂在搅拌速率为500r/min条件下加入到步骤(1)制得的干燥物中，100℃反应1h，得到所述阻垢粉末。
实施例2
本实施例提供一种阻垢粉末，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载在阻垢剂上的介孔材料；其中阻垢剂为聚天冬氨酸和聚丙烯酸的组合；聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比为1:1；介孔材料为硅藻土；硅藻土的目数为200目；阻垢剂与介孔材料的质量比为5:1；表面活性剂为铝酸酯偶联剂。
阻垢粉末的制备方法步骤为：
(1)将50g聚天冬氨酸与50g聚丙烯酸混合溶于200g去离子水中，得到浓度为50％的阻垢剂水溶液，然后将20g硅藻土加入阻垢剂水溶液中，在搅拌条件下混合0.5h，固液分离，60℃干燥，得干燥物；
(2)将干燥物重量3％的铝酸酯偶联剂在搅拌速率为400r/min条件下加入到步骤(1)制得的干燥物中，80℃反应3h，得到所述阻垢粉末。
实施例3
本实施例提供一种阻垢粉末，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载在阻垢剂上的介孔材料；其中阻垢剂为聚天冬氨酸和聚丙烯酸的组合；聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比为3:1；介孔材料为活性炭；活性炭的目数为1000目；阻垢剂与介孔材料的质量比为3:1；表面活性剂为硬脂酸。
阻垢粉末的制备方法步骤为：
(1)将90g聚天冬氨酸与30g聚丙烯酸混合溶于1200g去离子水中，得到浓度为10％的阻垢剂水溶液，然后将40g活性炭加入阻垢剂水溶液中，在搅拌条件下混合2h，固液分离，80℃干燥，得干燥物；
(2)将干燥物重量10％的硬脂酸在搅拌速率为600r/min条件下加入到步骤(1)制得的干燥物中，120℃反应0.5h，得到所述阻垢粉末。
实施例4
本实施例提供一种阻垢粉末，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载在阻垢剂上的介孔材料；其中阻垢剂为聚天冬氨酸和聚丙烯酸的组合；聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比为3:1；介孔材料为沸石粉；沸石粉的目数为80目；阻垢剂与介孔材料的质量比为2:1；表面活性剂为硅烷偶联剂。
阻垢粉末的制备方法步骤为：
(1)将90g聚天冬氨酸与30g聚丙烯酸混合溶于240g去离子水中，得到浓度为50％的阻垢剂水溶液，然后将60g沸石粉加入阻垢剂水溶液中，在搅拌条件下混合2h，固液分离，80℃干燥，得干燥物；
(2)将90g乙醇和10g水倒入水杯中，用冰乙酸调节pH值为5.5，加入质量为干燥物质量5％的硅烷偶联剂水解，在搅拌速率为600r/min条件下加入到步骤(1)制得的干燥物中，100℃反应1h，后固液分离，干燥，得到所述阻垢粉末。
实施例5
与实施例1的区别仅在于聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比4:1，即聚天冬氨酸的质量为100g，聚丙烯酸的质量为25g，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
实施例6
与实施例1的区别仅在于聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比1:1.5，即聚天冬氨酸为50g与聚丙烯酸为75g，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
实施例7
与实施例1的区别仅在于纯硅MCM-41的目数为30目，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
实施例8
与实施例1的区别仅在于聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量和与纯硅MCM-41的质量比为8:1，即纯硅MCM-41的质量为15.63g，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
实施例9
与实施例1的区别仅在于本实施例的阻垢剂不包括聚丙烯酸，而聚天冬氨酸的添加量为实施例1中聚天冬氨酸和聚丙烯酸的添加量之和，按比例分配，聚天冬氨酸的添加量为125g。
实施例10
与实施例1的区别仅在于本实施例的阻垢剂不包括聚天冬氨酸，而聚丙烯酸的添加量为实施例1中聚天冬氨酸和聚丙烯酸的添加量之和，按比例分配，聚丙烯酸的添加量为125g。
实施例11
与实施例1的区别仅在于，用等量的柠檬酸替代实施例1中聚天冬氨酸和聚丙烯酸的添加量之和，按比例分配，柠檬酸的添加量为125g。
实施例12
与实施例1的区别仅在于，用等量的聚马来酸酐替代实施例1中聚天冬氨酸和聚丙烯酸的添加量之和，按比例分配，聚马来酸酐的添加量为125g。
对比例1
与实施例1的区别仅在于阻垢粉末的制备原料不包括介孔材料，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
对比例2
与实施例1的区别仅在于阻垢粉末的制备原料不包括表面活性剂，其余组分与组分配比以及制备方法均与实施例1相同。
测定实施例1-9和对比例1-2提供的阻垢粉末进行阻垢率和缓释性能的测试，测试方法如下：
阻垢率：按照GB/T 16632—2008《水处理剂阻垢性能的测定碳酸钙沉积法》进行测定；
表1
Figure BDA0001883752720000101
由表1的结果可知，本发明制备的阻垢粉末具有较好的阻垢效果和缓释效果；由实施例1-4和实施例5-6的对比可知，当原料中聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比不在本发明限定的范围内，则制备的阻垢粉末对碳酸钙的阻垢率变低，即阻垢性能变差；由实施例1-4和实施例7的对比可知，当原料中介孔材料的目数低于本发明限定的范围内，制备的阻垢粉末在24h后累积释放率变高，且缓释的天数减少，即缓释性能变差；由实施例1-4和实施例8的对比可知，当原料中阻垢剂和介孔材料的质量比不在本发明限定的范围内，制备的阻垢粉末在24h后累积释放率变高，且缓释的天数减少，即缓释性能变差；由实施例1和实施例9-10的对比可知，当原料中缺少聚天冬氨酸或聚丙烯酸的其中一种时，制备的阻垢粉末对碳酸钙的阻垢率变低，即阻垢性能变差；由实施例1和实施例11-12的对比可知，当原料中用其他阻垢剂替代聚天冬氨酸或聚丙烯酸时，制备的阻垢粉末对碳酸钙的阻垢率变低，即阻垢性能变差；由实施例和对比例1-2的对比可知，当原料中不添加介孔材料或表面活性剂，制备的阻垢粉末在24h后累积释放率变高，且缓释的天数减少，即缓释性能变差；因此，本发明提供的阻垢粉末的技术方案可以保证具有较好的阻垢性能和缓释效果。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种阻垢粉末，其特征在于，所述阻垢粉末包括经过表面活性剂疏水处理的阻垢材料，所述阻垢材料包括阻垢剂和包载阻垢剂的介孔材料；
所述阻垢剂为聚天冬氨酸和聚丙烯酸的组合；
所述阻垢剂与介孔材料的质量比为1:1-5:1；
所述介孔材料的目数为80-1000目；
所述表面活性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、或硬脂酸中的任意一种或至少两种的组合；
所述阻垢粉末采用如下方法进行制备，所述方法包括以下步骤：
（1）将介孔材料加入阻垢剂水溶液中混合，固液分离，干燥，得到干燥物；
（2）将表面活性剂在搅拌速率为400-600 r/min条件下加入到步骤（1）制备得到的干燥物中，其中表面活性剂的重量为干燥物重量的3%-10%，80-120℃反应0.5-3 h，得到所述阻垢粉末。
2.根据权利要求1所述的阻垢粉末，其特征在于，所述聚天冬氨酸和聚丙烯酸的质量比为1:1-3:1。
3.根据权利要求1所述的阻垢粉末，其特征在于，所述介孔材料为硅系介孔材料、硅藻土、活性炭、沸石粉、凹凸棒石或蒙脱土中任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求1-3任一项所述阻垢粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
（1）将介孔材料加入阻垢剂水溶液中混合，固液分离，干燥，得到干燥物；
（2）将表面活性剂在搅拌速率为400-600 r/min条件下加入到步骤（1）制备得到的干燥物中，其中表面活性剂的重量为干燥物重量的3%-10%，80-120℃反应0.5-3 h，得到所述阻垢粉末。
5.根据权利要求4所述的阻垢粉末的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述阻垢剂水溶液的浓度为10%-50%。
6.根据权利要求5所述的阻垢粉末的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述阻垢剂水溶液是将阻垢剂溶于去离子水中得到的。
7.根据权利要求4所述的阻垢粉末的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述混合是在搅拌条件下进行的。
8.根据权利要求7所述的阻垢粉末的制备方法，其特征在于，所述搅拌时间为0.5-2 h。
9.根据权利要求4所述的阻垢粉末的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述干燥温度为60-80℃。
10.根据权利要求1-3任一项所述的阻垢粉末在水质阻垢处理中的应用。
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