论文总字数：19515字

摘 要

工业用水系统中，通常会存在设备表面沉积从而造成设备故障的困扰。这些工业工厂中的水大多来自富含离子的自然资源或经过处理的循环水，经常会有沉积问题。而树枝状大分子本身是多价球状超支化结构，并且以逐层方式装配成单分散性大分子，因此其具有优良的离子螯合势能和优异的分散特性，加上其主链骨架分布着众多官能团，使其被广泛用作阻垢剂投入到工业用水处理中。本实验采用1,6-己二胺与丙烯酸甲酯作为原料合成了一种新型的树枝状大分子聚合物阻垢剂，探索了最佳合成条件及作为阻硅剂对硅酸钙的抑制效果，推测其作用机理。

合成方案：在无水甲醇的溶剂氛围中，将1,6-己二胺和丙烯酸甲酯按照一定量的投料比，进行迈克尔加成反应。初代反应后，经过相应处理，再与定量的1,6-己二胺通过酰胺化缩合反应得到目标产物—1G-PAMAM。随后研究其对硅酸钙成垢的抑制效果，通过静态阻垢实验分别讨论不同浓度的阻垢剂、不同体系pH值以及不同浓度的钙离子对阻垢剂抑制性能的影响。结果表明整代的PAMAM的阻垢效率比半代的PAMAM高。同时推测，在碱性条件下，PAMAM对硅酸钙垢的抑制机理为PAMAM对钙离子的螯合。

关键词：PAMAM 己二胺 硅酸钙 阻垢性

Study on Dendrimer Polymer Scale Inhibitor

ABSTRACT

In an industrial water system, there is usually a problem that the surface of the device is deposited to cause the device to malfunction. Most of the water in these industrial plants comes from ion-rich natural resources or treated recycled water, which often has problems with deposition. The dendrimer itself is a multivalent globular hyperbranched structure and is assembled into a monodisperse macromolecule in a layer-by-layer manner. Therefore, the dendrimer has excellent ion chelating potential and excellent dispersion characteristics, and its main chain skeleton is distributed. Numerous functional groups make it widely used as a scale inhibitor for industrial water treatment. In this experiment, a novel dendrimer polymer scale inhibitor was synthesized using 1,6-hexanediamine and methyl acrylate as raw materials, and the optimal synthesis conditions and the inhibitory effect of silicon inhibitor as a silicon inhibitor were explored. , speculate its mechanism of action.

Synthetic scheme: In the anhydrous methanol solvent atmosphere, 1,6-hexanediamine and methyl acrylate were subjected to Michael addition reaction according to a certain amount of feed ratio. After the initial reaction, the target product, 1G-PAMAM, was obtained by amidation condensation reaction with a quantitative amount of 1,6-hexanediamine after corresponding treatment. Subsequently, the inhibitory effect of calcium silicate on scale formation was studied. The effects of different concentrations of scale inhibitors, pH values ​​of different systems, and different concentrations of calcium ions on the inhibitory performance of scale inhibitors were discussed through static scale inhibition experiments. The results show that the whole generation of PAMAM has higher anti-scaling efficiency than half-generation PAMAM. At the same time, it is speculated that under alkaline conditions, the mechanism of inhibition of calcium silicate scale by PAMAM is chelation of calcium ions by PAMAM.

Key Words:PAMAM；Hexylenediamine；Calcium silicate； Scale Inhibition

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前 言 1

1.1 概述 1

1.2 硅垢 1

1.2.1 硅的存在形式 1

1.2.2 硅垢的种类及其成因 1

1.2.3 pH和温度对SiO₂溶解性的影响 2

1.2.4 控制硅垢形成—阻垢剂 3

1.3 树枝状大分子 4

1.3.1 树枝状大分子的种类 4

1.3.2 树枝状大分子的合成方法 5

1.3.3 树枝状大分子的表征方法 5

1.3.4 树枝状大分子的应用 6

1.4 本课题的研究内容 7

第二章 实验内容 8

2.1 实验仪器和试剂 8

2.1.1 实验仪器 8

2.2.1 PAMAM的合成机理 9

2.2.2 PAMAM的反应原理 9

2.2.3 PAMAM的合成步骤 10

2.2.4 PAMAM的性能表征 12

第三章 树枝状大分子对硅酸钙垢的抑制性能研究 15

3.1 pH和钙离子对硅酸钙形成的影响 15

3.2 硅酸钙的静态阻垢实验 15

3.2.1 0.5G-PAMAM对硅酸钙的静态阻垢实验 16

3.2.2 1G-PAMAM对硅酸钙的静态阻垢实验 17

3.3 阻垢机理 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 前 言

概述

工业用水系统中，通常会存在设备表面沉积从而造成设备故障的困扰^[1]。这些工厂中的水大多是由富含离子的自然资源或经过处理的循环水构成，通常会有沉积问题。沉积物中一般有金属氧化物，微生物沉积物，悬浮物质和矿物质结垢^[2]。工业用水中的阳离子（如Ca₂ ）和阴离子（CO₃^2-）物质也会引起严重的操作问题^[3]。结垢将会导致管道堵塞，这给操作系统带来了额外的额外成本^[4][5]。此外，由于水垢的绝热效应将会导致热传递系数降低^[6]，压降增加，以及一系列单元操作内部的流体力学问题^[7]，这些问题都促使人们尽快寻求解决成垢问题的方法。而聚酰胺-胺型（PAMAM）树枝状大分子由于其特殊的结构（界限分明的，球形的或近球形的大分子）使其不仅被广泛应用于材料科学和纳米技术中，而且作为阻垢剂被应用于水处理中。

1.2 硅垢

1.2.1 硅的存在形式

硅—作为大自然中常见的一种元素，极少以单质形态出现，主要以复杂的硅酸盐及二氧化硅存在。硅在水中主要有三种存在形式：活性硅、胶体硅和微粒硅^[8]。活性硅，是可溶性二氧化硅在水中形成的硅酸化合物。胶体硅则被普遍认为是硅与许多二氧化硅聚合产生的多分子聚集态的硅酸化合物，有时候也会被认为是由硅通过自由键与其他有机化合物或复杂的无机化合物结合而成的。微粒硅是由硅和溶液中的一些沙石或者悬浮物共同组成的。

1.2.2 硅垢的种类及其成因

硅垢一般分为硅酸盐垢和胶体硅垢，均是无定型的垢。在自然条件下，胶体硅垢是一种浅白色的固体，而硅酸盐垢是一种黏糊状的高水合非晶态物质。硅酸钙和硅酸镁等硅酸盐垢的垢形比较密实，而且因其不像碳酸钙和硫酸钙等垢可以溶于酸中，所以一旦形成硅酸盐垢就很难去除。并且形成的硅酸钙和硅酸镁还可能会成为新的二氧化硅的成核点，引发硅的更多沉积。在pH值大于9时，高硅溶液很容易形成硅酸钙和硅酸镁垢，因为在碱性条件下，钙镁离子可能会先与氢氧根离子结合，生成氢氧化钙和氢氧化镁，成为新的成核中心，引发硅酸根离子的聚集，生成硅酸盐垢。

硅垢是共价无定形的垢，其成垢原理与碳酸钙硫酸钙等结晶形垢不同。根据L' Dubin等人的研究，可将硅垢形成的原因总结如下^[9]：

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