曼尼希碱-对丙烯酰胺苯甲酸钠聚合物的合成及性能研究

摘要

随着石油资源日益枯竭，我国大部分油田都已进入“三次开采”期。在开采过程中会产生大量成分复杂和酸性较大的油田废水，这会严重污染环境并损坏生产设备及管道。因此，该类废水在回注或排放之前必须经过严格处理。一般来说，处理过程会涉及水质净化、阻垢及设备管道防腐等问题。传统做法是使用多种功能单一的水处理剂，这很难达到理想效果，且后续处理较为繁琐。为了简化处理流程、提高功效并降低成本，在废水处理过程中，添加多功能水处理剂可以达到事半功倍的效果。
　　本文首先以丙烯酸羟乙酯、乙酰氯、甲醛及二乙醇胺为原料，制得一种新曼尼希碱。然后以丙烯酰氯、对氨基苯甲酸和NaOH为原料，通过酰氯氨解反应和中和反应制得对丙烯酰胺苯甲酸钠单体。最后以曼尼希碱和对丙烯酰胺苯甲酸钠为原料，采取水溶液自由基聚合法制得一种二元聚合物，并对该聚合物的絮凝-缓蚀性能及机理进行了研究。主要研究结果如下：
　　（1）以丙烯酸羟乙酯和乙酰氯为原料，三乙胺为缚酸剂，经过酰氯醇解反应制得丙烯酸乙酸二乙酯。利用FT-IR和1H NMR对产物结构进行表征。通过正交实验优化合成条件，得到丙烯酸乙酸二乙酯适宜的合成条件为：丙烯酸羟乙酯、乙酰氯及三乙胺的物质的量比为1:1.6:0.5，反应时间为1.1 h和反应温度为15℃，此时产物产率达94.2％。
　　（2）以丙烯酸乙酸二乙酯、甲醛和二乙醇胺为原料，通过Mannich反应制得一种曼尼希碱，用FT-IR和1H NMR对产物结构进行表征。利用正交实验优化合成条件，得到曼尼希碱适宜的合成条件为：甲醛、丙烯酸乙酸二乙酯及二乙醇胺的物质的量比为1.5:1.3:1，pH值为4、反应时间为8 h、反应温度为90℃及反应溶剂为乙醇，在此条件下产率为86.4%。同时采用失重法、电化学、SEM、AFM及XPS等方法研究了该曼尼希碱的缓蚀性能，研究表明，该曼尼希碱是以抑制阳极为主的吸附成膜型缓蚀剂。
　　（3）以丙烯酰氯、对氨基苯甲酸和NaOH为原料，乙酸乙酯为溶剂，通过酰氯氨解反应及中和反应制得对丙烯酰胺苯甲酸钠。用FT-IR和1H NMR对产物结构进行表征。通过正交实验优化合成条件，得到对丙烯酰胺苯甲酸钠适宜的合成条件为：反应温度为0℃，反应时间为0.5 h，丙烯酰氯滴加时间为0.6 h，丙烯酰氯与对氨基苯甲酸的物质的量比为1.6:1，此时产物产率达91%以上。
　　（4）以曼尼希碱和对丙烯酰胺苯甲酸钠为原料，以过硫酸钾/亚硫酸氢钠为复合引发剂，采用水溶液自由基聚合法制得二元聚合物，用FT-IR和13C NMR对产物结构进行表征。利用响应面法优化了合成条件，得到聚合物适宜的合成条件为：曼尼希碱与对丙烯酰胺苯甲酸钠的物质的量比为1.3:1，引发剂用量为0.17%，pH为7，聚合时间为6.5 h及聚合温度为80℃，在此条件下，聚合物产率为85.2%。同时采用失重法、电化学法、AFM、SEM和XPS对该聚合物的缓蚀性能和对油田废水的除油效果进行了研究。研究表明，在60℃，聚合物质量分数为0.9%，盐酸质量分数为20%的条件下，对N80钢的缓蚀率达98%，且该聚合物是以抑制阳极为主的缓蚀剂；在油田废水中，当聚合物加入量为30 mg/L、温度为50℃、pH为7时，除油率达94.3%，废水的透光率达75.8%。
　　（5）通过对该聚合物的絮凝机理研究表明：压缩双电层和吸附架桥作用在絮凝过程中是同时发挥作用的。

目录

1 前言

1.1 絮凝剂的定义及分类

1.2 絮凝剂的作用机理

1.3 两性高分子絮凝剂的发展

1.4 缓蚀剂

1.5 缓蚀剂的作用机理

1.6 曼尼希碱缓蚀剂的发展

1.7 两性多功能高分子絮凝剂的发展

1.8 本课题研究意义和研究方案

1.9 论文创新点

2 丙烯酸乙酸二乙酯的合成

2.1 主要试剂和仪器

2.2 实验方法

2.3 产率的测定

2.4 结果与讨论

2.5 丙烯酸乙酸二乙酯的物理参数

2.6 结构表征

2.7 小结

3 曼尼希碱的合成及性能研究

3.1 主要试剂与仪器

3.2 实验方法

3.3 产率测定

3.4 结果与讨论

3.5 曼尼希碱的物理参数

3.6 结构表征

3.7 曼尼希碱的缓蚀性能测试

3.8 小结

4 对丙烯酰胺苯甲酸钠的合成

4.1 主要试剂与仪器

4.2 实验方法

4.3 产率的测定

4.4 结果与讨论

4.5 对丙烯酰胺苯甲酸钠的物理参数

4.6 结构表征

4.7 对丙烯酰胺苯甲酸钠的热重分析

4.8 小结

5 聚合物的合成

5.1 实验试剂与仪器

5.2 实验方法

5.3 产率的测定

5.4 实验结果与讨论

5.5 聚合物的物理性能参数

5.6 结构表征

5.7 聚合物的热重分析

5.8 聚合物临界胶束浓度（CMC）的测定

5.9 小结

6 聚合物的性能研究

6.1 聚合物的絮凝性能研究

6.2 聚合物的缓蚀性能研究

6.3 絮凝机理研究

6.4 小结

7 结论与建议

7.1 结论

7.2 后续工作建议

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利目录

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