基本信息
- 项目名称：
- 球型垢诱导剂--生物可降解改性菊粉的制备与应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目提出并合成了一种生物可降解球形垢诱导剂，首次发现其可将CaCO3、BaSO4等晶体由方解石型诱导为球型，破坏垢粒子晶体生长并使之难以粘附于管道内壁，从而达到维持冷却循环水等系统正常运行的目的。
- 详细介绍：
- 本项目提出并合成了一种生物可降解球形垢诱导剂，首次发现其可将CaCO3、BaSO4等晶体由方解石型诱导为球型，破坏垢粒子晶体生长并使之难以粘附于管道内壁，从而达到维持冷却循环水等系统正常运行的目的。 在城市用水中，工业用水约占城市用水量的70％，而在工业用水中，冷却水用量约占80%左右，循环冷却水是提高工业用水效率的重要途径，循环水处理药剂如阻垢剂、缓蚀剂等则是保障工业循环水系统安全平稳运行的技术保障。目前工业生产中阻垢剂多为有机膦酸盐类、聚磷酸盐类，其分别存在易造成水体富营养化和自然条件下难降解的问题，由于我国工业循环水采用直接排放至自然受纳水体中的方式，即易引起自然水体污染，如太湖蓝藻事件等。传统有机膦酸盐类阻垢剂阻垢机理是通过在各种水垢表面吸附，使得结晶体发生畸变，形成无定形晶体，从而降低在热交换器和管道表面沉积，提高传热和传输效率。传统阻垢剂尽管一定程度上破坏了垢体晶格的增长，但仍会有大量垢体附着于管壁，影响系统的导热性能；本项目以菊芋为主要原料，提取菊粉，然后用氯乙酸进行改性，获得羧甲基菊粉，并分析了其对于CaCO3、BaSO4等晶体的分散效果。首次发现，其可将CaCO3、BaSO4等晶体由方解石型诱导为球型，能完全破坏垢粒子晶体生长并使之难以粘附于管道内壁；由于改性菊粉本身不含有氮磷元素，而且可以完全生物降解，因此克服了传统有机膦阻垢剂易造成环境污染的缺点，排放后不会引起水体的二次污染，完全可以工业化推广，并成为一种优秀的生物可降解、环境友好型阻垢分散剂。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.目的和基本思路 目前传统阻垢剂多为有机膦酸盐类、聚磷酸盐类，其分别存在易造成水体富营养化和自然条件下难降解的问题。传统阻垢剂通过吸附在垢表面，使晶体发生畸变，形成无定形晶体，尽管部分破坏了垢体晶格的增长，但仍有大量垢体附着于管壁，影响系统的导热性能；本项目研究并合成了羧甲基菊粉，分析其对CaCO3、BaSO4等晶体的分散效果；目的在于寻求一种无氮磷、且可生物降解的新型阻垢分散剂。 2.创新点 (1) 首次发现对菊粉进行羧甲基化后，其分子可产生一种完全不同于传统的畸变过程，使得CaCO3、BaSO4等方解石晶体形成与原晶体尺寸相近的（5微米左右）球体结构，从根本上降低垢在管壁的堆积高度或者厚度，破坏了垢粒子的结晶堆积。 (2) 首次提出双氧水快速脱色方法，确定了石灰乳-磷酸除杂最佳工艺条件，提高菊粉产率5—10%。 (3) 羧甲基菊粉是在菊粉分子上的伯醇或仲醇基团被羧甲基取代而成，保持了菊粉的可生物降解、无毒等特性；菊芋来源广泛，成本低廉，该产品的工业化推广可促进农村经济发展。 3.技术关键和主要技术指标 无CMI的条件下生成CaCO3晶体的是立方体形方解石；当溶液中加入的CMI浓度为4ppm时，CaCO3晶体中出现了部分球形晶形；随着CMI浓度增大，CaCO3晶体中球形晶形含量不断升高。且与无CMI的试样相比，团聚明显减少，即碳酸钙颗粒表面极性减弱，表面能降低，从而使颗粒处于一种较稳定状态，表现出明显的诱导和阻垢分散效果。
科学性、先进性
- (1) 传统阻垢剂阻垢机理主要有金属离子螯合、晶格畸变等，多将垢粒晶体由方解石型诱导为不定形结构，尽管一定程度上破坏了垢体晶格的生长，但仍会有大量垢体附着于管壁，影响系统的导热性能；而羧乙基菊粉可将CaCO3、BaSO4等晶体由方解石型诱导为球型，使得晶体之间不容易堆积生长，且不容易附着在管道内壁上，垢体可随循环水定期排出，不影响系统的导热性能。 (2) 在制备菊粉过程中，本发明首创双氧水脱色方法，与传统后期活性炭脱色工艺相比，脱色快，过滤速度大，避免了活性炭对菊粉提取液有效成分的吸附，提高菊粉的产率5~10%，并减少活性炭用量，降低成本，减少废渣废料的排放。 (3) 本工艺生产的羧甲基菊粉是在菊粉分子上的伯醇或仲醇基团被羧甲基取代而成，保持了菊粉的可生物降解、无氮磷等特性，克服传统药剂含氮磷、难降解等缺点，可随循环水、油田注水等直接排入自然环境中而不会造成任何污染。
获奖情况及鉴定结果
- 与河南省济源清水源有限公司签订技术转让合同
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 已与河南省济源清水源有限公司签订技术转让合同
作品可展示的形式
- 实物、产品；图片；录像；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 产品特点和优势 (1) 改变晶形明显、阻垢性能优越；(2) 全生物可降解、环境友好型；(3) 原材料来源广泛、价格低廉；(4) 可规模化、产业化，能带来可观经济效益、环境效益和社会效益。 2.适用范围： 该产品适应于工业循环冷却水处理、油田开采时的注水处理、锅炉水处理、反渗透水处理等。 3.市场分析和经济效益预测： (1)市场分析：羧甲基菊粉成本低廉，原材料来源广泛，可克服目前市场上传统阻垢剂易造成水体污染、不易自然降解的缺点，成为可生物可降解、环境友好型阻垢分散剂，适用于工业冷却循环水、油田注水等阻垢处理。 (2)经济效益预测：羧甲基菊粉规模化生产每吨成本价为2.5万左右，与传统阻垢剂1~3万每吨的价格相当；但其无毒无污染、可生物降解的特性可使其逐渐取代传统含磷阻垢剂，逐步形成大规模产业。羧甲基菊粉生产所需要的菊芋，在国内有广泛种植基础；该水处理剂工业化生产后，会极大地促进农产品加工的工业化，带动当地就业，在一定程度促进农村经济发展。
同类课题研究水平概述
- 一 国内外传统阻垢剂阻垢机理研究状况 阻垢剂的阻垢机理比较复杂，会因环境条件、水质和垢的种类等因素的不同而各异。国内外目前的研究热点集中点聚天冬氨酸等聚合物、异丙烯膦酸-丙烯酸等共聚物以及药剂复配的阻垢性能研究，普遍认同晶格畸变理论，即垢体的微晶成长时按照一定的晶格排列，结晶致密而坚硬。加入阻垢剂后，阻垢剂吸附在晶体上并掺杂在晶格的点阵中，对无机垢体的结晶形成了干扰，使晶体发生畸变，迫使大晶体内部应力增大，使晶体易于破裂，阻碍了垢体的生长。 传统有机膦阻垢剂分子中大多含有羧基-COOH，羧基在水溶液中极易水解为-COO-和H+，阻垢剂分子在-COO-的作用下，吸附于垢粒子晶体表面并掺杂在晶格的点阵中，干扰、破坏晶体的正常堆积生长，一般会将方解石形的晶体诱导为层状、球文石形等不定形。但是这些形态的晶体仍然存在着一定的沉积现象，尤其在工业循环冷却水和油田注水中，该类晶体容易粘附在管道内壁，造成系统导热性能下降、管道堵塞等问题。 二 改性菊粉的研究概况 菊粉是一种膳食类的多糖，具有无毒，可生物降解的特性。菊粉多糖的特殊结构可通过一定的化学方法链结具有一定功能的官能团，常用于多糖官能团改造的方法有降解、羧甲基化、硫酸酯化、乙酸化、烷基化、磷酸酯化等。菊粉分子可以通过醇轻基与不同化学试剂作用得到各种不同性能的产品。 菊粉经化学改性后的产品能有效用作药物载体、疫苗辅剂、金属鳌合剂的主要成分，目前很多研究者已将注意力放在菊粉的化学改性上，其工业用途还在发展之中；目前还未有羧甲基菊粉应用于阻垢分散剂的报道。
