一种改性纤维素阻垢剂及其制备方法与应用

本申请涉及水处理药剂领域，尤其是涉及一种改性纤维素阻垢剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、在冷却水或脱盐等系统中，水中往往含有大量的钙镁离子、钡离子以及硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐和硅酸盐等成垢离子，当难溶盐的浓度达到过饱和状态时，就会形成垢体，附着在设备或膜表面上，影响系统正常运行。控制无机盐结垢的措施包括调节ph，离子交换树脂预处理，采用抗污染膜，投加阻垢剂等。投加阻垢剂由于操作简便，成本较低，添加较少剂量可以达到较好的效果，故其从众多方法中脱颖而出，成为在水处理领域最常用的抑制结垢的方法之一。传统的磷系阻垢剂和合成高分子阻垢剂存在磷排放、单体毒性等问题。

2、纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，分布广泛，来源丰富，可生物降解，无二次污染，而且其分子链上含有大量羟基，使其易于改性引入更多功能基团，因此纤维素被广泛地应用于水处理剂的研制中。虽然这类改性纤维素对无机垢污染有一定抑制效果，然而在冷却水或脱盐等系统中，生物污染也很难避免，这类改性纤维素并不能抑制生物污染。

技术实现思路

1、鉴于背景技术中存在的问题，本申请提供一种改性纤维素阻垢剂及其制备方法与应用，该改性纤维素阻垢剂通过螯合、分散、晶格畸变等作用能够有效缓解水处理过程中的结垢问题，并减轻生物污染。

2、根据本发明的第一个方面，提供一种改性纤维素阻垢剂，所述改性纤维素阻垢剂为羧甲基纤维素接枝原儿茶酸，所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸为直链结构，所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸以羧甲基纤维素为主链，原儿茶酸分子中的羧基与羧甲基纤维素中的羟基反应从而接枝在主链上。

3、在本发明的一些实施方式中，所述羧甲基在所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸中的质量占比为10～40％；例如，所述羧甲基在所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸中的质量占比为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％等。

4、需要说明的是，所述羧甲基在所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸中的质量占比，为醚化反应后产物质量增加量占最终产物的比例。

5、在本发明的一些实施方式中，所述原儿茶酸占所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸质量的10～15％；例如，所述原儿茶酸占所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸质量的10％、12％、14％、15％等。

6、需要说明的是，所述原儿茶酸在所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸中的质量占比，为羧甲基纤维素上羟基的氢被原儿茶酸取代后，产物增加的质量占最终产物的质量比例。

7、在本发明的一些实施方式中，所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸通过如下步骤制备：将羧甲基纤维素和原儿茶酸溶解在水中，得到水溶液，向所述水溶液中通入氮气一段时间后，加入过氧化氢溶液，通过自由基接枝，得到羧甲基纤维素接枝原儿茶酸。

8、在本发明的一些实施方式中，所述水溶液中还加入有抗坏血酸。

9、优选地，所述抗坏血酸与原儿茶酸的质量比为0.2～0.5:1。

10、在本发明的一些实施方式中，所述原儿茶酸的加入量与所述羧甲基纤维素质量比为0.5～2:1。

11、在本发明的一些实施方式中，所述自由基接枝的反应温度为55～65℃，时间为0.5～6h。

12、在本发明的一些实施方式中，所述过氧化氢溶液为质量分数30％的过氧化氢溶液。

13、优选地，所述过氧化氢溶液的加入量与所述羧甲基纤维素溶液体积比为5～10％。

14、在本发明的一些实施方式中，所述水为纯水。

15、在本发明的一些实施方式中，向所述水溶液加入过氧化氢溶液后搅拌均匀。

16、在本发明的一些实施方式中，所述羧甲基纤维素通过纤维素和改性剂醚化后制得；

17、优选地，所述改性剂与所述纤维素质量比为0.5～2:1。

18、优选地，所述羧甲基纤维素中羧基基团取代度为0.45～1.55。

19、在本发明的一些实施方式中，所述纤维素为α-纤维素。

20、优选地，所述α-纤维素的粒径为20～40μm；例如，α-纤维素的粒径为20μm、25μm、30μm、35μm、40μm等。

21、在本发明的一些实施方式中，所述羧甲基纤维素的制备包括以下步骤：将纤维素分散在含有氢氧化物的乙醇溶液中，碱化0.5～1h；之后，加入改性剂，在55～65℃下反应0.5～3h，反应完成后以乙醇作为沉淀剂，沉淀分离，得到所述羧甲基纤维素。

22、在本发明的一些实施方式中，所述改性剂为氯乙酸。

23、在本发明的一些实施方式中，所述氢氧化物为氢氧化钠。

24、在本发明的一些实施方式中，所述纤维素与氢氧化物的质量比为1:1。

25、根据本发明的第二个方面，提供一种上述的改性纤维素阻垢剂作为水处理剂在冷却水或脱盐等系统中的应用；用于缓解冷却水或脱盐等系统中的结垢问题，同时减轻生物污染。

26、与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

27、1.本发明所述的改性纤维素阻垢剂，可作为水处理剂，抑制水处理过程中无机垢的形成；同时能通过阻碍藻类等微生物的生长而降低生物污染的风险，提高水处理效率，适用于反渗透系统、循环冷却水系统等工艺，而且实施手段简便，效果显著。

28、2.本发明的改性纤维素阻垢剂具有可生物降解、绿色环保的优势，体现在所用的原材料纤维素和原儿茶酸为可生物降解材料，且具有无毒性，无二次污染等特点。

29、3.本发明所述的改性纤维素阻垢剂中，分子链上除了具有羟基活性基团外，还增加了羧基基团，能与废水中ca2+、mg2+等阳离子具有强烈的螯合作用；此外，还引入了可抑制生物活性的酚羟基基团，能有效地缓解生物污染。

30、4.本发明提供的制备方法，操作简单，合成时间短，所用主要原料是来源丰富的天然高分子材料，成本低廉，适合工业化大规模生产，是一种经济高效的制备方法。

技术特征：

1.一种改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述改性纤维素阻垢剂为羧甲基纤维素接枝原儿茶酸，所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸为直链结构，所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸以羧甲基纤维素为主链，原儿茶酸分子中的羧基与羧甲基纤维素中的羟基反应从而接枝到主链上。

2.根据权利要求1所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述羧甲基在所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸中的质量占比为10～40％。

3.根据权利要求1所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述原儿茶酸占所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸质量的10～15％。

4.根据权利要求1-3任一所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述羧甲基纤维素接枝原儿茶酸通过如下步骤制备：

5.根据权利要求4所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述水溶液中还加入有抗坏血酸；

6.根据权利要求4所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述原儿茶酸的加入量与所述羧甲基纤维素质量比为0.5～2:1。

7.根据权利要求4所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述自由基接枝的反应温度为55～65℃，时间为0.5～6h。

8.根据权利要求4所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述过氧化氢溶液为质量分数30％的过氧化氢溶液；

9.根据权利要求1-3任一所述的改性纤维素阻垢剂，其特征在于，所述羧甲基纤维素通过纤维素和氯乙酸醚化后制得；

10.权利要求1-9任一项所述的改性纤维素阻垢剂在冷却水或脱盐系统中的应用。

技术总结
本申请涉及水处理药剂领域的一种改性纤维素阻垢剂及其制备方法与应用，该改性纤维素阻垢剂为羧甲基纤维素接枝原儿茶酸，其为直链结构，其以羧甲基纤维素为主链，原儿茶酸分子中的羧基与羧甲基纤维素中的羟基反应从而接枝到主链上；该羧甲基纤维素接枝原儿茶酸以氯乙酸、原儿茶酸为改性剂对纤维素改性，首先通过纤维素和氯乙酸的醚化反应制得羧甲基纤维素，再将羧甲基纤维素与原儿茶酸混合分散在水溶液中，通入氮气，再加入过氧化氢溶液，通过自由基接枝法得到羧甲基纤维素接枝原儿茶酸阻垢剂。本申请的改性纤维素阻垢剂不仅能通过螯合、分散等作用有效缓解冷却水或脱盐等系统中的结垢问题，同时可以减轻生物污染，应用范围进一步拓宽。

技术研发人员：余伟,熊丽萍,林红军,申利国,卢心怡
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17