如何通過接枝共聚等方法對生物聚合物進行改性以提高其阻垢性能

生物聚合物因具有環境友好、來源廣泛等優點，在水處理領域備受關注。然而，其原始阻垢性能往往有限，通過接枝共聚等方法對生物聚合物進行改性，可顯著提升其阻垢性能。以下將從不同生物聚合物出發，闡述如何通過接枝共聚提高其阻垢性能。

淀粉類生物聚合物

• 接枝共聚方法：以淀粉為基體，通過一步接枝共聚反應，可將丙烯酸（AA）接枝到淀粉分子鏈上，制備淀粉 - 接枝 - 聚丙烯酸（St - g - PAA）。在反應過程中，通常需要引發劑來引發單體的聚合反應，引發劑分解產生的自由基會攻擊淀粉分子鏈，形成活性位點，進而使丙烯酸單體在這些活性位點上發生接枝聚合。
• 提高阻垢性能原理：St - g - PAA 具有獨特的陰離子線性支鏈結構，這種結構使其具備多種阻垢機制。一方面，其分子中的羧基等官能團能夠與鈣、鎂等成垢離子發生螯合作用，將成垢離子穩定在溶液中，阻止它們形成沉淀；另一方面，在碳酸鈣結晶過程中，St - g - PAA 可以吸附在碳酸鈣晶核表面，使晶核發生晶格畸變，阻礙晶體的正常生長，從而起到阻垢作用。此外，它還能對已形成的微小垢晶體進行分散，防止其聚集長大。靜態實驗表明，在約 40 mg/L 的最佳投加量下，St - g - PAA 對碳酸鈣的阻垢效率可達約 94%。

聚天冬氨酸類生物聚合物

• 接枝共聚方法：以聚琥珀酰亞胺（PSI）為原料，與亞氨基二乙酸（IA）進行接枝共聚，可合成聚天冬氨酸 - 亞氨基二乙酸聚合物（PASP - IA）。反應過程中，PSI 分子鏈上的某些基團與 IA 發生反應，實現 IA 在 PSI 鏈上的接枝。另外，以尿素、馬來酸酐和二乙烯三胺為原料可合成聚天冬氨酸 / 二乙烯三胺接枝共聚物（PASP/DETA）12；以多糖酰亞胺和殼聚糖為原料能合成聚天冬氨酸 / 殼聚糖接枝共聚物（PASP/CS）。
• 提高阻垢性能原理：PASP - IA 由于引入了亞氨基二乙酸結構，增加了對成垢離子的螯合位點，使其對碳酸鈣和硫酸鈣的阻垢性能顯著提高。當該聚合物濃度為 10 mg/L 時，阻碳酸鈣垢效率比聚天冬氨酸（PASP）增加了 48%；在 15 mg/L 時，PASP - IA 的阻硫酸鈣效率已接近 100%，顯示出優異的阻垢性能。PASP/DETA 由于側鏈形成分子內氫鍵，產生七元雜環結構，相較于 PASP 對磷酸鈣的阻垢性能有所提升。當 PASP/DETA 濃度為 15 mg/L 時，對磷酸鈣的阻垢效率接近 100%；濃度為 6 mg/L 時，對碳酸鈣的阻垢效率也接近 100%。PASP/CS 對磷酸鈣垢的抑制效率在抑制劑濃度為 8 mg/L 時可達 89%，而 PASP 僅為 46%。PASP/CS 能改變碳酸鈣和磷酸鈣晶體的結構，使晶格發生畸變，生成的晶粒尺寸變小，呈分散狀態，從而抑制垢的形成。

腐殖酸類生物聚合物

• 接枝共聚方法：以腐殖酸（HA）為基礎，可與多種單體進行接枝共聚。例如，先合成含雙鍵的單體 3 - （丙烯酰胺基甲基） - 2 - 羥基 - 5 - 磺基苯甲酸（SAM），將其與 HA 接枝共聚，合成黑色聚合物 HA - g - SAM（HS - 01）；以 SAM、環氧琥珀酸（ESA）和 HA 為原料，可合成 HA - g - SAM - PESA 聚合物（HS - 02）；通過合成具有雙鍵的單體（2 - （二乙基氨基） - 1 - 乙烯基吡咯 - 2 - 基）膦酸酯（MVP），并以 MVP 單體、ESA 和 HA 為原料，合成 HA - g - MVP - PESA 聚合物（HS - 03）。
• 提高阻垢性能原理：這三種腐植酸接枝共聚物均能通過與成垢離子發生螯合作用，以及對碳酸鈣和硫酸鈣晶體生長的干擾來實現阻垢。在恒溫溫度為 70℃時，HS - 01 加量為 800mg/L 時，對碳酸鈣和硫酸鈣垢的阻垢效率分別為 73.0% 和 80.1%；HS - 02 加量為 400 mg/L 時，對碳酸鈣和硫酸鈣垢的阻垢率分別為 84.5% 和 88.2%；HS - 03 加量為 400 mg/L 時，對碳酸鈣和硫酸鈣垢的阻垢率分別為 83.6% 和 86.7%。掃描電子顯微鏡和 X 射線衍射儀分析表明，它們均能阻礙碳酸鈣和硫酸鈣晶體的正常生長，使晶格扭曲變形，有效抑制垢的形成。

聚環氧琥珀酸類生物聚合物

• 接枝共聚方法：將聚環氧琥珀酸（PESA）與聚丙烯酸（PAA）進行接枝共聚，制備聚環氧琥珀酸接枝聚丙烯酸（PESA - g - PAA）。此外，還可進一步引入烯丙氧基羥丙基磺酸鈉（AHPS），合成聚環氧琥珀酸接枝聚丙烯酸 / 烯丙氧基羥丙基磺酸鈉（PESA - g - PAA/AHPS）。
• 提高阻垢性能原理：PESA - g - PAA 對碳酸鈣、硫酸鈣的阻垢性能比 PESA 更好，這是因為接枝上的 PAA 鏈段增加了聚合物分子與成垢離子的作用位點和作用強度。而 PESA - g - PAA/AHPS 的性能更優，投加量為 10 mg/L 時，其對碳酸鈣和硫酸鈣的阻垢率分別達到 99.6%、99.8%；投加量為 50 mg/L 時，對磷酸鈣的阻垢率、鋅鹽穩定率、Q235 碳鋼的緩蝕率分別為 93.7%、91.1%、66.2%，性能較未改性的 PESA 大幅提高。其原因在于 AHPS 的引入進一步優化了聚合物的結構和性能，增強了對不同垢類的抑制能力以及對金屬離子的穩定能力和緩蝕能力。