臺灣博碩士論文加值系統

聚環氧琥珀酸是一種無磷、非螢光和非氮的綠色環保型阻垢劑，在室溫下為白色晶體，具有熱及化學穩定性，溶於水為弱酸性，可被生物降解。聚天冬胺酸是蝸牛殼及軟殼動物中的一種生物高分子材料，是帶有羧酸側鏈的聚氨基酸，具有螯合和分散性能及無磷、無毒及可完全生物降解的特性，為水溶性聚合物。
本實驗以一步合成法合成聚環氧琥珀酸及微波加熱聚合法合成聚天冬胺酸，再由傅立葉轉換紅外線光譜儀鑑定組成兩種產品主要的官能基是否存在。在阻垢實驗方面，探討在不同阻垢實驗操作條件:阻垢溫度、阻垢時間、阻垢劑用量、鈣離子、碳酸氫根離子及硫酸根離子濃度等變化條件下，聚環氧琥珀酸及聚天冬胺酸對碳酸鈣及硫酸鈣的阻垢性能。
實驗結果顯示，聚環氧琥珀酸及聚天冬胺酸由傅立葉轉換紅外線光譜儀分析後，確認組成主要的官能基存在。自製聚環氧琥珀酸在濃度500 ppm、阻垢溫度50℃時，對於碳酸鈣有90%的阻垢百分率，對硫酸鈣有85%的阻垢百分率。自製聚天冬胺酸在濃度500 ppm時、阻垢溫度50℃時，對於碳酸鈣有85%的阻垢百分率，對硫酸鈣也有75%的阻垢百分率。兩種自製阻垢劑對碳酸鈣及硫酸鈣皆有良好的阻垢效果。
混合兩種阻垢劑對碳酸鈣及硫酸鈣的阻垢效果皆有提升的現象。混合兩種自製阻垢劑，以濃度200 ppm，75 wt%聚環氧琥珀酸的混合阻垢劑，對硫酸鈣的阻垢百分率有明顯提升的現象，在阻垢溫度40℃時， 阻垢百分率相較於單一阻垢劑高出10%左右。75 wt%聚環氧琥珀酸的混合阻垢劑對於硫酸鈣阻垢效果隨著阻垢溫度上升而明顯下降，穩定性隨著阻垢溫度上升下降越明顯。75 wt%聚環氧琥珀酸的混合阻垢劑對於硫酸鈣的阻垢效果隨著提升陽離子濃度而下降，提升陰離子濃度而上升。

Polyepoxysuccinic Acid(PESA) is a non-phosphorus, non-fluorescent and non-nitrogen green scale inhibitor, it is a white crystals at room temperature, with high heat and chemical stability, soluble in water for the weak acid, and biodegradable. Polyaspartic Acid(PASP) is a snail shell is a soft shell animal in a biological polymer material, it is a carboxylic acid side chain of polyamino acids.It has chelating and dispersibility, non-phosphorus, non-toxic, harmless and fully biodegradable properties for water-soluble polymers.
In this study, polyepoxysuccinic acid was synthesized by one-step synthesis, and polyaspartic acid was synthesized by microwave heating polymerization, and then the main functional groups were identified by Fourier transform infrared spectrometer. In the scale inhibition experiment, the effects of different scale inhibition test conditions: scale inhibition temperature, scale inhibition time, scale inhibitor concentration, calcium ion, bicarbonate ion and sulfate ion concentration on polyoxysuccinic acid and polyaspartic acid Scale inhibition properties of calcium acid on calcium carbonate and calcium sulfate.
The results showed that polyoxysuccinic acid and polyaspartic acid were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR), and the presence of main functional groups was confirmed. In the scale inhibition experiment, polyepoxysuccinic acid in the concentration of 500 ppm, scale inhibition temperature of 50 ℃, for 90% of calcium carbonate scale inhibition percentage, for 85% of calcium sulfate scale inhibition percentage. Polyaspartic acid at a concentration of 500 ppm, scale inhibition temperature of 50 ℃, for 85% of calcium carbonate scale inhibition percentage, calcium sulfate also has 75% scale inhibition percentage. Two kinds of scale inhibitor on calcium carbonate and calcium sulfate are good scale inhibition effect.
Mixed with two kinds of scale inhibitor on calcium carbonate and calcium sulfate scale inhibition effect are improved phenomenon. Mixed with two kinds of scale inhibitor to 200 ppm, 75 wt% polyepoxysuccinate mixed scale inhibitor, the scale inhibition rate of calcium sulfate has a significant increase in the phe-nomenon of scale inhibition temperature of 40 ℃, scale inhibition percentage Compared to a single scale inhibitor about 10% higher. 75 wt% PESA mixed scale inhibitor for calcium sulfate scale inhibition effect with the scale inhibition temperature increased significantly decreased, and the stability decreases with the increase of scale inhibition temperature, and the scale inhibition effect of calcium sulfate decreases with the increase of calcium ion concentration, and increases the concentration of sulfate ion.

目錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 ii
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract vi
目錄 viii
圖目錄 xii
表目錄 xiv
第一章 緒論 1
1-1 聚環氧琥珀酸及聚天冬胺酸簡介 1
1-1-1 聚環氧琥珀酸簡介 1
1-1-2 聚天冬胺酸簡介 2
1-2阻垢劑發展歷史 3
1-3研究動機 4
1-4製程技術 6
1-4-1 PESA合成方法 6
1-4-2 PASP合成方法 7
1-5順丁烯二酸酐概述 8
1-6 研究方法 9
第二章 文獻回顧 10
2-1 PESA 10
2-1-1 PESA製備 10
2-1-2 PESA相關領域的應用 10
2-1-2-1緩蝕劑 10
2-1-2-2日常生活洗滌劑 11
2-1-2-3萃取錳泥殘渣中的鉻 11
2-1-2-4阻垢劑 13
2-2 PASP 14
2-2-1 PASP的製備 14
2-2-1-1透過聚琥珀醯亞胺合成PASP 14
2-2-2 PASP相關領域的應用 15
2-2-2-1緩蝕劑 15
2-2-2-2阻垢劑 15
2-2-2-3肥料增肥劑 15
2-2-3可生物降解特性 16
2-3 混合阻垢劑 17
第三章 實驗設備與方法 19
3-1藥品 19
3-2實驗設備 20
3-3製備流程 21
3-3-1 PESA製備流程 21
3-3-2 PASP製備流程 25
3-4實驗方法 29
3-4-1計算公式 30
3-4-2樣品配製 31
3-5 實驗步驟 32
3-5-1 CaCO3阻垢實驗 32
3-5-2 CaSO4阻垢實驗 32
3-6傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR) 33
第四章 結果與討論 34
4-1 PESA結構分析 34
4-2 PASP結構分析 36
4-3 PESA的阻垢實驗 38
4-3-1 PESA對CaCO3阻垢實驗 38
4-3-1-1 PESA用量對CaCO3阻垢百分率的影響 39
4-3-1-2阻垢溫度對PESA的CaCO3阻垢百分率影響 40
4-3-1-3鈣離子濃度對PESA的CaCO3阻垢百分率影響 41
4-3-1-4碳酸氫根離子濃度對PESA的CaCO3阻垢百分率影響 42
4-3-2 PESA對CaSO4阻垢實驗 43
4-3-2-1 PESA用量對CaSO4阻垢百分率的影響 44
4-3-2-2阻垢溫度對PESA的CaSO4阻垢百分率影響 45
4-3-2-3鈣離子濃度對PESA的CaSO4阻垢百分率影響 46
4-3-2-4硫酸根離子濃度對PESA的CaSO4阻垢百分率影響 47
4-4 PASP的阻垢實驗 48
4-4-1 PASP對CaCO3阻垢實驗 48
4-4-1-1 PASP用量對CaCO3阻垢百分率的影響 49
4-4-1-2阻垢溫度對PASP的CaCO3阻垢百分率影響 50
4-4-1-3鈣離子濃度對PASP的CaCO3阻垢百分率影響 51
4-4-1-4碳酸氫根離子濃度對PASP的CaCO3阻垢百分率影響 52
4-4-2 PASP對CaSO4阻垢實驗 53
4-4-2-1 PASP用量對CaSO4阻垢百分率的影響 54
4-4-2-2阻垢溫度對PASP的CaSO4阻垢百分率影響 55
4-4-2-3鈣離子濃度對PASP的CaSO4阻垢百分率影響 56
4-4-2-4硫酸根離子濃度對PASP的CaSO4阻垢百分率影響 57
4-5混合阻垢劑的阻垢實驗 59
4-5-1不同PESA重量百分比對CaCO3阻垢百分率的影響 59
4-5-2不同PESA重量百分比對CaSO4阻垢百分率的影響 60
4-5-2-1溫度對75 wt% PESA的CaSO4阻垢百分率影響 62
4-5-2-2鈣離子濃度75 wt% PESA的CaSO4阻垢百分率影響 63
4-5-2-3硫酸根離子濃度對75 wt% PESA的CaSO4阻垢百分率影響 64
第五章 結論 65
第六章 參考文獻 66

 
圖目錄
圖1.1 PESA結構式 1
圖1.2 PASP結構式 2
圖1.3 HPA及POCA結構式 3
圖1.4一步合成PESA反應式 6
圖1.5順丁烯二酸酐微波加熱合成PASP反應式 7
圖1.6順丁烯二酸酐結構式 8
圖1.7正丁烷氧化法製取順丁烯二酸酐化學式 9
圖2.1 PESA對錳泥殘渣中萃取鉻的百分率 12
圖2.2溫度對PESA阻垢百分率的影響 13
圖3.1實驗設備 21
圖3.2將溶液環氧化成環氧琥珀酸鹽 22
圖3.3 PESA溶液 23
圖3.4 PESA粉末 23
圖3.5 PESA合成流程圖 24
圖3.6聚琥珀醯亞胺發泡固體 25
圖3.7水解前聚琥珀醯亞胺為深褐色 26
圖3.8水解後聚琥珀醯亞胺為淡褐色 26
圖3.9 PSAP粉末 27
圖3.10 PASP合成流程圖 28
圖3.11本實驗所使用傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR) 33
圖4.1 PESA之傅立葉紅外線光譜儀圖譜 35
圖4.2 PASP之傅立葉紅外線光譜儀圖譜 37
圖4.3 PESA用量對CaCO3阻垢百分率的影響 39
圖4.4阻垢溫度對PESA的CaCO3阻垢百分率影響 40
圖4.5鈣離子濃度對PESA的CaCO3阻垢百分率影響 41
圖4.6碳酸氫根離子濃度對PESA的CaCO3阻垢百分率影響 42
圖4.7 PESA用量對CaSO4阻垢百分率的影響 44
圖4.8阻垢溫度對PESA的CaSO4阻垢百分率影響 45
圖4.9鈣離子濃度對PESA的CaSO4阻垢百分率影響 46
圖4.10硫酸根離子濃度對PESA的CaSO4阻垢百分率影響 47
圖4.11 PASP用量對CaCO3阻垢百分率的影響 49
圖4.12阻垢溫度對PASP的CaCO3阻垢百分率影響 50
圖4.13鈣離子濃度對PASP的CaCO3阻垢百分率影響 51
圖4.14碳酸氫根離子濃度對PASP的CaCO3阻垢百分率影響 52
圖4.15 PASP用量對CaSO4阻垢百分率的影響 54
圖4.16阻垢溫度對PASP的CaSO4阻垢百分率影響 55
圖4.17鈣離子濃度對PASP的CaSO4阻垢百分率影響 56
圖4.18硫酸根離子濃度對PASP的CaSO4阻垢百分率影響 57
圖4.19不同PESA重量百分比對CaCO3阻垢百分率的影響 59
圖4.20不同PESA重量百分比對CaSO4阻垢百分率的影響 60
圖4.21不同PESA重量百分比對CaSO4阻垢百分率的影響 61
圖4.22溫度對75 wt% PESA的CaSO4阻垢百分率影響 62
圖4.23 鈣離子濃度對75 wt% PESA的CaSO4阻垢百分率影響 63
圖4.24 硫酸根離子濃度對75 wt% PESA的CaSO4阻垢百分率影響 64
 
表目錄
表2.1三種阻垢劑緩蝕百分率比較表 11
表2.2阻垢劑降解率 17
表2.3各類阻垢劑對碳酸鈣阻垢百分率 17
表3.1本研究所使用試藥 19

第六章 參考文獻

1.Brown, M. J., Mcdowell, J. F., Chang, K. T., Chang, Methods of controlling scale formation in aqueous systems. 1991, US Patent 5,062,962.
2.Brown, J. M., McDowell, J. F., Chang, K. T., Methods of controlling scale formation in aqueous systems. 1992, Google Patents.
3.劉煒, 馬喜平, 戴倩倩, 凡帆, 劉健, 環保型阻垢劑 PESA 的合成及阻硫酸鹽垢性能研究. 應用化工, 2009(11): p. 1635-1637.
4.楊士林, 黃君禮, 陶虎春, 李百祥, 阻垢劑——聚天冬氨酸的致突變性. 環境與健康雜誌, 2004. 21(6): p. 398-400.
5.Ross, R. J., Low, K., Shannon, J. E., Polyaspartate Scale Inhibitors-Biodegradable Alternatives to Polyacrylates. in CORROSION 96. 1996. NACE International.
6.魏志華, 我國聚天冬氨酸 (鈉) 技術進展與發展建議. 精細與專用化學品, 2011. 19(1): p. 1-2.
7.蓋軍, 油田用水溶性聚合物防垢劑. 工業水處理, 1996. 16(5): p. 7-9.
8.王睿, 張岐, 丁潔, 沈自求, 阻垢劑作用機理研究進展. 化學工業與工程, 2001. 18(2): p. 79-86.
9.TEDXTaipei, 非懂不可水資源. 2013.04.26.
10.Tillmon, H, Detergent formulations: US, 3776850.
11.何德林, 王錫臣, 微波技術在聚合反應中的應用研究進展. 高分子材料科學與工程, 2001. 17(1): p. 20-24.
12.汪家銘, 聚天冬氨酸生產應用與發展前景. 精細化工原料及中間體, 2010. 1: p. 21-23.
13.楊紅健, 趙新強, 王延吉, 以馬來酐為原料合成聚琥珀醯亞胺的反應機理研究. 精細石油化工, 2004(5): p. 41-43.
14.許迎春, 吳一弦, 孔祥璐, 楊維曦, 徐日煒, 楊萬泰, 武冠英, 微波輔助合成聚天冬氨酸. 北京化工大學學報 (自然科學版), 2009. 36(3): p. 41-45.
15.熊蓉春, 周慶, 魏剛, 綠色阻垢劑聚環氧琥珀酸的緩蝕協同效應. 化工學報, 2003. 9.
16.雷武, 王風雲, 夏明珠, 王風賀, 研究論文 綠色阻垢劑聚環氧琥珀酸的合成與阻垢機理初探. 化工學報, 2006. 57(9).
17.高書峰, 黃勇, 周濤, 張愛民, 綠色阻垢劑聚環氧琥珀酸 (鈉) 的合成及工藝. 高分子材料科學與工程, 2006. 22(6): p. 67-70.
18.宋彥梅, 綠色阻垢劑的研究現狀及應用進展. 工業水處理, 2005. 25(9): p. 8-12.
19.褚玉婷, 石文艷, 呂志敏, 夏明珠, 雷武, 王風雲, HEDP及其取代物對碳酸鈣阻垢機理的研究. 電腦與應用化學, 2011. 4: p. 028.
20.王麗梅, 劉振法, 薑紅靜, 李曉輝, 閆美芳, 高玉華, 聚環氧琥珀酸的合成, 性能及在磁化水中的阻垢協同作用. 水處理技術, 2008(1): p. 73-75.
21.楊瑩琴, 段香芝, 平坤, 生物降解性阻垢劑聚環氧琥珀酸的合成及其阻垢性能研究. 信陽師範學院學報: 自然科學版, 2004. 17(2): p. 221-223.
22.山東泰和水處理科技股份有限公司.
23.Zhang, L.-H., Z. Zhi-Liang, Chromium extraction from sewage sludge using polyepoxysuccinic acid. Pedosphere, 2012. 22(1): p. 131-136.
24.張立穎, 潘寧, 陸建平, 尹沾合, 譚芳維, 潘乾, 唐燕葵, 聚環氧琥珀酸萃取錳泥殘渣中鉻的研究. 環境污染與防治, 2012,06: p. 8-10.
25.呂志芳, 董偉, 夏明珠, 雷武, 王風雲, 聚環氧琥珀酸的阻垢緩蝕性能研究. 工業水處理. 21(3): p. 23-25.
26.胡興剛, 靳曉霞, 孫繼, 馬一駿, 王亞權, “環境友好”型阻垢分散劑及在油田水處理中的應用. 工業水處理, 2003. 23(11): p. 30-34.
27.姬海宏, 尹連慶, 李晶., “環境友好”阻垢劑——聚環氧琥珀酸應用於火電廠迴圈冷卻水的研究. 環境科學與管理, 2008. 33(12): p. 130-133.
28.Sosnik, A., Gotelli, G., Abraham, G. A., Microwave-assisted polymer synthesis (MAPS) as a tool in biomaterials science: how new and how powerful. Progress in Polymer Science, 2011. 36(8): p. 1050-1078.
29.Huang, J. L., Zhang, Y. L., Cheng, Z. H., Tao, H. C., Microwave‐assisted synthesis of polyaspartic acid and its effect on calcium carbonate precipitate. Journal of applied polymer science, 2007. 103(1): p. 358-364.
30.王海平, 海霞, 李春梅, 穀寧., 聚天冬氨酸的研究及應用進展. 河北師範大學學報: 自然科學版, 2008. 32(4): p. 517-522.
31.曹輝, 尚飛, 譚天偉, 順酐為原料合成聚天門冬氨酸及其阻垢性能的測定. 北京化工大學學報 (自然科學版), 2004. 31(6): p. 9-12.
32.王朝陽, 任碧野, 童真, 可生物降解材料聚天冬氨酸的研究進展. 高分子通報, 2002(5): p. 29-34.
33.李風亭, 張冰如, 李璐, 何永智., 聚天冬氨酸的合成及應用研究進展. 工業水處理, 2007. 27(7): p. 5-7.
34.Kleinstuck, R., Sicius, H., Groth, T., Joentgen, W., Water treatment/cleaning composition comprising polyaspartic acid or derivatives thereof and phosphonic acid. 1996, Google Patents.
35.譚衛剛, 陸柱, 李燕, 無磷鎢系水處理劑緩蝕阻垢研究. 腐蝕與防護, 2001. 22(6): p. 237-239.
36.Tomida, M., Nakato, T., Matsunami, S., Kakuchi, T., Convenient synthesis of high molecular weight poly (succinimide) by acid-catalysed polycondensation of L-aspartic acid. Polymer, 1997. 38(18): p. 4733-4736.
37.Peng, S., Buresh, R. J., Huang, J., Yang, J., Zou, Y., Zhong, X., Zhang, F., Strategies for overcoming low agronomic nitrogen use efficiency in irrigated rice systems in China. Field Crops Research, 2006. 96(1): p. 37-47.
38.Bhattacharyya, P., Roy, K. S., Neogi, S., Adhya, T. K., Rao, K. S., Manna, M. C., Effects of rice straw and nitrogen fertilization on greenhouse gas emissions and carbon storage in tropical flooded soil planted with rice. Soil and Tillage research, 2012. 124: p. 119-130.
39.魏剛, 許亞男, 熊蓉春, 阻垢劑的可生物降解性研究. 北京化工大學學報: 自然科學版, 2001. 28(1): p. 59-62.
40.中華人民共和國, 水處理劑阻垢性能的測定-碳酸鈣沉澱法,1996.
41.王庚平, 蒲瑜, 三種阻垢劑阻硫酸鈣垢協同效應的研究. 清洗世界, 2011. 27(10): p. 18-21.
42.王毅, 馮輝霞, 張婷, 雒和明, 李琳, 醜連學., 聚環氧琥珀酸 (鈉) 的合成及阻垢性能研究. 環境科學與技術, 2009. 32(3): p. 18-21.
43.商洪濤, 聚天冬氨酸的固相合成及阻垢性能. 上海電力學院學報, 2010. 26(4): p. 371-373.
44.Li, X., Gao, B., Yue, Q., Ma, D., Rong, H., Zhao, P., Teng, P., Effect of six kinds of scale inhibitors on calcium carbonate precipitation in high salinity wastewater at high temperatures. Journal of Environmental Sciences, 2015. 29: p. 124-130.