环烷基咪唑啉衍生物多功能水处理剂的研究

Posted 2023-01-11 咪唑

篇首语：得意犹堪夸世俗，诏黄新湿字如鸦。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了环烷基咪唑啉衍生物多功能水处理剂的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

针对环烷基咪唑啉衍生物，分别探讨了其在盐酸酸性介质及油田污水中的缓蚀性能，并对其杀菌性能进行了评价。结果表明：
(1)在质量分数约为10%的盐酸溶液中，能够获得比LAN一826缓蚀剂更好的缓蚀效果，在60℃、5h，投加质量分数仅为0.2%13～，即可将碳钢挂片腐蚀率控制在1.5g/(m.h)以下，缓蚀率可达94%以上；常温下，投加质量分数仅为0.1%～0I2%时，其对铝挂片缓蚀率可高达99%以上，且对铜挂片具有一定的缓蚀效果，可任意比例溶于水或盐酸中.热稳定性好；
(2)在碳钢腐蚀速率为1.44mm/a的某油田污水中，投加质量浓度0.03mg/L时，其缓蚀率可达95%以上.且可将油田污水腐蚀速率控制在石油天然气行业标准规定的0.076mm/a以下；
(3)在油田污
水中.还具有一定的杀菌效果，与膦系阻垢剂及季铵盐类杀菌剂相容性好。因此，所开发的咪唑啉衍生物，既是优异高效的盐酸酸洗缓蚀剂.又是油田污水中一种良好的水处理剂。
环烷酸，系石油炼制的副产品。近年来高纯环烷酸制备成套技术的开发，为其有机衍生物开发提供了良好的物质基础。
环烷酸咪唑啉，系应用于炼油设备的高效油溶性缓蚀剂(经烷基化后，可得相应水溶性环烷基咪唑啉衍生物(NaphthenicImidazolineDerivative，NID，前人已就其在炼油设备及工业水中作为缓蚀剂或杀菌剂开展了一些探讨性的工作，并已表明其属低毒药剂。针对脂肪基咪唑啉衍生物缓蚀性能的研究.国内外?a href='http://www.baiven.com/baike/224/265006.html' target='_blank' style='color:#136ec2'>严群笥胁簧傥南妆ǖ繹6-11]。但是.关于水溶性NID作酸洗缓蚀剂及油田污水水处理剂.目前国内外报道仍较少。
笔者探讨了NID在盐酸酸性介质中的缓蚀性能及油田污水中的缓蚀性能和杀菌性能.考察了其作为多功能水处理剂的可能性。这对扩大环烷酸咪唑啉应用领域、提高环烷酸资源综合利用率等方面亦具有重要的意义
1实验部分
1.1环烷基咪唑啉衍生物(NID)水处理剂的制备
在装有温度计、冷凝器、分水器的带夹套的30L不锈钢反应装置内，依次加入含酸质量分数95.2%、粗酸值192.5mg/g(以KOH计)的环烷酸及工业级有机多胺，以二甲苯作携水剂，通氮气升温至150～250℃进行缩合脱水反应而生成环烷酸咪唑啉，该反应通常在15～20h内完成。当测得产物酸值(以KOH计)≤5.0mg/g，IR谱图与相应标准谱图接近且在1600cm-1。附近处出现很强的特征吸收峰[6、12]，时，即可脱除二甲苯而转入下一步反应所合成的环烷酸咪唑啉冷却至120℃以下，加入烷基化试剂，控制温度在70～110℃内，反应3～5h，即合成得阳离子型咪唑啉衍生物(NID)。反应到达终点时，产品完全溶于水。最后，将所得水溶性咪唑啉衍生物配制成有效成分质量分数为50%的含有少量卤化物助剂的溶液。
1.2酸性介质中对不同材质的缓蚀性能评价
参照GB/T18175-2000(水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法》，采用2000mL烧杯，各加入1500mL适当浓度的盐酸溶液，再分别加入不同剂量的NID，
置人RCC—I型旋转挂片腐蚀试验仪内。试验采用标准挂片(28cm)，于常温下或达到预定温度后，控制转速在(75±2)r/min下运行。达到指定时间后取出挂片，利用失重法分别计算腐蚀率及缓蚀率等。同时，还与目前国内用量最大的缓蚀剂LAN一826进行对比。
1.3油田污水介质中的缓蚀及杀菌性能评价
1.3.1污水水质
本试验采用南海某油田污水。经测得污水水质为：pH7.35，Na+为11320mg/L，Ca2+为460mg/L，Mg2+为86mg/L，Cl-为17340mg/L，SO42-为1020mg/L，HC03-为771mg/L，固化物为36000mg/L。
1.3.2缓蚀评价
按石油天然气行业标准SY5273-1991《油田注水缓蚀剂评价方法》及SY/T6301-1997((田采出水缓蚀剂通用条件》，模拟南海某油田系统的工况条件，采用带水浴加热、控温磁力搅拌及液体石蜡绝氧的静态腐蚀试验装置，在加入不同浓度NID的油田污水中悬挂碳铜挂片，于(80±1)℃下试验168h。
1.3.3杀菌评价
参照GB/T14643.1-1993(32业循环水中黏液形成菌的测定——平皿计数法》及中国石化集团公司《冷却水分析和试验方法》，于(35±1)℃恒温条件下，对所研制的环烷基咪唑啉衍生物样品分别进行异养菌、硫酸盐还原菌及铁细菌的杀菌性能评定。
2实验结果与讨论
2.1红外光谱分析
对已合成好的NID，用KBr压片法在PESystem2000～3"IR红外光谱仪上进行红外光谱分析。由红外光谱图(略)可看出，所合成的咪唑啉衍生物红外谱图中，在1605.99cm-处出现了较强的特征吸收峰。这说明，该衍生物中咪唑啉环结构依然存在，没有因烷基的引入而受到破坏。另外，在1651.00cm～、1537.39cm-‘处出现了酰胺吸收峰，这是因为该咪唑啉衍生物中含有能与咪唑啉环发生缓蚀协同效应的酰胺基团之故。
2.2酸性介质中的缓蚀评价结果
2.2.160℃下碳钢挂片
采用质量分数10%的盐酸溶液，每个试验采用2个烧杯平行进行，每个烧杯内挂人3片标准碳钢挂片，(60±1)℃下挂片5h。测得实验结果如表1。

由表1看出，NID在约10%盐酸中，具有很好的缓蚀效果。60℃、5h下，NID质量分数仅为0.2%(按其50%溶液计，下同)时，可将碳钢挂片腐蚀率控制
在1.5(In2.h)以下，缓蚀率达94%I，R上，比传统上对盐酸酸洗缓蚀剂所要求的[≤2.0g/(m.h)]还要低。而且，该咪唑啉衍生物常温下可按任意比例溶于水或盐酸中：在60℃并经5h以上，溶于10%盐酸溶液时不浑浊、无沉淀，而这是LAN一826所难以做到的。
2.2.2常温下碳钢及铜挂片
采用质量分数9.6%的盐酸溶液，每个试验采用2个烧杯平行进行，每个烧杯内各挂入2个碳钢及1个铜挂片，常温下运行8h。测得实验结果如表2。

由表2看出，酸性介质、常温下，环烷基咪唑啉衍生物对碳钢亦具有比LAN一826缓蚀剂更好的缓蚀效果，投加质量分数0.1%～0.2%时，其缓蚀率可达90%以上。同时，该药剂对铜还具有一定的缓蚀效果。
2.2.3常温下铝挂片
采用质量分数9.5%的盐酸溶液，每个试验采用2个烧杯平行进行，每个烧杯内挂入3片标准铝挂片.常温下运行6h。测得实验结果如表3。

由表3看出，NID在酸性介质中对铝挂片的缓蚀效果，明显地优于LAN一826。当投加药剂质量分数为0.1%～0.2%时，其对铝挂片缓蚀率可高达99%以上。
鉴于NID在盐酸酸性介质中具有上述优异高效的缓蚀效果，近年来，我们已成功地将其应用于湖南岳阳、长沙及衡阳等地数家宾馆内空调系统(含碳钢、
铜及铝等金属)的清洗，并获得了用户的好评环烷基咪唑啉衍生物属于一种吸附膜型缓蚀剂。其在盐酸酸性介质中的缓蚀作用，主要是基于咪唑啉环氮原子上孤对电子与金属原子空轨道形成配位键[8-11].而环烷基则在金属表面形成一层有效的覆盖膜。这种较强的金属与介质间的隔膜有效抑制了金属腐蚀。另外，由于环烷基咪唑啉衍生物属一种含氮化合物，其在Al一界面产生缓蚀作用时，还可
能为Al一界面的最高占据轨道与咪唑啉环中最低空轨道作用而产生化学吸附，使咪唑啉分子吸附在Al一界面上，把H+与Al一界面隔开j。因此，环烷基咪唑啉衍生物属于一种优异高效的盐酸酸洗缓蚀剂。
2.3油田污水介质中的缓蚀和杀菌性能评价结果
2.3.1缓蚀评价
经上述在南海某油田污水中的缓蚀评价，测得实验结果如表4。

由表4看出，环烷基咪唑啉衍生物具有较强的抑制由Cl一及HCO3-引起的水相条件下腐蚀的能力。南海某油田污水的碳钢腐蚀速率达到1.4l1mm/a，投加质量浓度0.01mg/L的NID时可达到85%以上的缓蚀率，质量浓度0.03mg/L时可达到95%以上的缓蚀率，且可将油田污水腐蚀速率控制在石油天然气行业标准规定的0.076mm/a以下。咪唑啉衍生物的缓蚀性能主要与环的存在与否有关[l0]，咪唑啉本身在pH>5.5的50℃以上的水溶液中易开环水解，而环烷基咪唑啉衍生物在pH高达7.35的80℃油田污水中却表现出了优异的缓蚀性能。这可能一方面是因为油田污水中所含大量矿物质可以产生很好的盐效应而保护其环不受破坏；另一方面，则因衍生物中取代基的引入不仅提高了咪唑啉的水溶性，而且使咪唑啉环稳定。
2.3.2杀菌评价
环烷基咪唑啉衍生物对异养菌、硫酸盐还原菌及铁细菌的杀灭效果如表5所示。

由表5看出.环烷基咪唑啉衍生物在油田污水中还明显地具有一定的杀菌效果。这是因为该衍生物中含有能杀菌抑菌的咪唑啉环及其能中和菌藻表面负电荷的阳离子基团的缘故。
2.3-3与其他药剂的相容性
油田污水水质复杂，在要求水处理剂及其配方缓蚀的同时，还要求能够杀菌及阻垢。为此，笔者还进行了环烷基咪唑啉衍生物与膦系阻垢剂及季铵盐类杀菌剂复配的相容性试验。结果表明，与适宜膦系阻垢剂及季铵盐类杀菌剂复配后，不但可以达到理想的阻垢效果(阻垢率80%～90%以上)及杀菌效果(对上述异养菌、硫酸盐还原菌及铁细菌24h杀菌率均在99%以上)，而且，其相应的缓蚀性能还得到了进一步的增强(缓蚀率提高2%～5%以上)。
3结论
环烷基咪唑啉衍生物.属一种优异高效的盐酸酸洗缓蚀剂。与目前国内用量最大的缓蚀剂LAN一826相比.缓蚀效果更好，而且具有良好的溶解性及热稳定性.操作使用更方便。在质量分数约10%的盐酸介质中，在60cc、5h条件下，按其50%溶液计，投加质量分数仅为0.2%时，即可将碳钢挂片腐蚀率控制在1.5g/(m.h)以下，缓蚀率可达94%以上；常温下.投加质量分数仅为0.1%～0.2%时，其对铝挂片缓蚀率可高达99%以上，且对铜挂片具有一定的缓蚀效果。因此，其在空调冷冻系统的清洗中取得了很好的应用效果。
环烷基咪唑啉衍生物，在油田污水中亦具有良好的缓蚀效果.表现出较强的抑制由Cl一及HC03-i～I起的水相条件下腐蚀的能力。在碳钢腐蚀率高达1.411mm/a的南海某油田污水中.投加质量浓度0.03mg/L的NID.其缓蚀率可达95%以上.且可将腐蚀速率控制在石油天然气行业标准规定的0.076mm/a以下.
环烷基咪唑啉衍生物.在油田污水中还具有一定的杀菌作用，与膦系阻垢剂及季铵盐类杀菌剂相容性好.实属一种多功能水处理药剂。而且，其生产
成本较低，很值得推广应用。
环烷基咪唑啉衍生物的开发应用，对扩大环烷酸咪唑啉应用领域、提高环烷酸资源综合利用率等方面将具有重要的意义。