如何通过接枝共聚等方法对生物聚合物进行改性以提高其阻垢性能

生物聚合物因具有环境友好、来源广泛等优点，在水处理领域备受关注。然而，其原始阻垢性能往往有限，通过接枝共聚等方法对生物聚合物进行改性，可显著提升其阻垢性能。以下将从不同生物聚合物出发，阐述如何通过接枝共聚提高其阻垢性能。

淀粉类生物聚合物

• 接枝共聚方法：以淀粉为基体，通过一步接枝共聚反应，可将丙烯酸（AA）接枝到淀粉分子链上，制备淀粉 - 接枝 - 聚丙烯酸（St - g - PAA）。在反应过程中，通常需要引发剂来引发单体的聚合反应，引发剂分解产生的自由基会攻击淀粉分子链，形成活性位点，进而使丙烯酸单体在这些活性位点上发生接枝聚合。
• 提高阻垢性能原理：St - g - PAA 具有独特的阴离子线性支链结构，这种结构使其具备多种阻垢机制。一方面，其分子中的羧基等官能团能够与钙、镁等成垢离子发生螯合作用，将成垢离子稳定在溶液中，阻止它们形成沉淀；另一方面，在碳酸钙结晶过程中，St - g - PAA 可以吸附在碳酸钙晶核表面，使晶核发生晶格畸变，阻碍晶体的正常生长，从而起到阻垢作用。此外，它还能对已形成的微小垢晶体进行分散，防止其聚集长大。静态实验表明，在约 40 mg/L 的最佳投加量下，St - g - PAA 对碳酸钙的阻垢效率可达约 94%。

聚天冬氨酸类生物聚合物

• 接枝共聚方法：以聚琥珀酰亚胺（PSI）为原料，与亚氨基二乙酸（IA）进行接枝共聚，可合成聚天冬氨酸 - 亚氨基二乙酸聚合物（PASP - IA）。反应过程中，PSI 分子链上的某些基团与 IA 发生反应，实现 IA 在 PSI 链上的接枝。另外，以尿素、马来酸酐和二乙烯三胺为原料可合成聚天冬氨酸 / 二乙烯三胺接枝共聚物（PASP/DETA）12；以多糖酰亚胺和壳聚糖为原料能合成聚天冬氨酸 / 壳聚糖接枝共聚物（PASP/CS）。
• 提高阻垢性能原理：PASP - IA 由于引入了亚氨基二乙酸结构，增加了对成垢离子的螯合位点，使其对碳酸钙和硫酸钙的阻垢性能显著提高。当该聚合物浓度为 10 mg/L 时，阻碳酸钙垢效率比聚天冬氨酸（PASP）增加了 48%；在 15 mg/L 时，PASP - IA 的阻硫酸钙效率已接近 100%，显示出优异的阻垢性能。PASP/DETA 由于侧链形成分子内氢键，产生七元杂环结构，相较于 PASP 对磷酸钙的阻垢性能有所提升。当 PASP/DETA 浓度为 15 mg/L 时，对磷酸钙的阻垢效率接近 100%；浓度为 6 mg/L 时，对碳酸钙的阻垢效率也接近 100%。PASP/CS 对磷酸钙垢的抑制效率在抑制剂浓度为 8 mg/L 时可达 89%，而 PASP 仅为 46%。PASP/CS 能改变碳酸钙和磷酸钙晶体的结构，使晶格发生畸变，生成的晶粒尺寸变小，呈分散状态，从而抑制垢的形成。

腐殖酸类生物聚合物

• 接枝共聚方法：以腐殖酸（HA）为基础，可与多种单体进行接枝共聚。例如，先合成含双键的单体 3 - （丙烯酰胺基甲基） - 2 - 羟基 - 5 - 磺基苯甲酸（SAM），将其与 HA 接枝共聚，合成黑色聚合物 HA - g - SAM（HS - 01）；以 SAM、环氧琥珀酸（ESA）和 HA 为原料，可合成 HA - g - SAM - PESA 聚合物（HS - 02）；通过合成具有双键的单体（2 - （二乙基氨基） - 1 - 乙烯基吡咯 - 2 - 基）膦酸酯（MVP），并以 MVP 单体、ESA 和 HA 为原料，合成 HA - g - MVP - PESA 聚合物（HS - 03）。
• 提高阻垢性能原理：这三种腐植酸接枝共聚物均能通过与成垢离子发生螯合作用，以及对碳酸钙和硫酸钙晶体生长的干扰来实现阻垢。在恒温温度为 70℃时，HS - 01 加量为 800mg/L 时，对碳酸钙和硫酸钙垢的阻垢效率分别为 73.0% 和 80.1%；HS - 02 加量为 400 mg/L 时，对碳酸钙和硫酸钙垢的阻垢率分别为 84.5% 和 88.2%；HS - 03 加量为 400 mg/L 时，对碳酸钙和硫酸钙垢的阻垢率分别为 83.6% 和 86.7%。扫描电子显微镜和 X 射线衍射仪分析表明，它们均能阻碍碳酸钙和硫酸钙晶体的正常生长，使晶格扭曲变形，有效抑制垢的形成。

聚环氧琥珀酸类生物聚合物

• 接枝共聚方法：将聚环氧琥珀酸（PESA）与聚丙烯酸（PAA）进行接枝共聚，制备聚环氧琥珀酸接枝聚丙烯酸（PESA - g - PAA）。此外，还可进一步引入烯丙氧基羟丙基磺酸钠（AHPS），合成聚环氧琥珀酸接枝聚丙烯酸 / 烯丙氧基羟丙基磺酸钠（PESA - g - PAA/AHPS）。
• 提高阻垢性能原理：PESA - g - PAA 对碳酸钙、硫酸钙的阻垢性能比 PESA 更好，这是因为接枝上的 PAA 链段增加了聚合物分子与成垢离子的作用位点和作用强度。而 PESA - g - PAA/AHPS 的性能更优，投加量为 10 mg/L 时，其对碳酸钙和硫酸钙的阻垢率分别达到 99.6%、99.8%；投加量为 50 mg/L 时，对磷酸钙的阻垢率、锌盐稳定率、Q235 碳钢的缓蚀率分别为 93.7%、91.1%、66.2%，性能较未改性的 PESA 大幅提高。其原因在于 AHPS 的引入进一步优化了聚合物的结构和性能，增强了对不同垢类的抑制能力以及对金属离子的稳定能力和缓蚀能力。