[發明專利]一種超分子聚合物的分子簇材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610353686.1
• 申請日: 2016-05-24
• 公開（公告）號: CN105949395B
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 肖凱軍;龔斌;銀玉容;易立中
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;廣州潔圣膜技術有限公司
• 主分類號: C08F257/02
• 分類號: C08F257/02;C08F220/06;C08F8/30;C08F8/36;C08F8/08;C08F112/08;C08L25/06;C08L33/02;C02F5/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 宮愛鵬

技術領域

本發明涉及一種超分子聚合物的分子簇去除飲用水中水垢的方法，屬于水處理技術領域。

背景技術

在供水和飲用水系統中，水垢處理是一個常見的難題。目前，全球用于水垢引起清洗、結垢處理等的損失耗資每年達百億美元。由于供水中含有大量的鈣、鎂等重金屬離子，長時間使用后在管路設備內壁形成結實的碳酸鹽水垢，而水本身的溫度和潮濕的環境又會給微生物及藻類提供生存條件，久之使得管路存在設備腐蝕、脆裂等問題。對于北方的高堿、高硬度的飲用水，經過煮沸后，形成大量白水的水垢，嚴重影響飲用水的感官和品質。

目前，水垢的去除主要有化學法和物理法。化學法包括加堿沉淀法、碳化處理、加酸處理、加堿沉淀法、投加阻垢劑法等，這些方法效果直接但藥劑量的耗費大，甚至有些產生的廢液需要進行后續處理，應用成本比較大、會產生二次污染。物理法主要是利用光、電、磁、聲等技術進行除垢，具有自動化程度高、操作簡單、環境污染小等特點，在除垢方面具有很大的發展空間，但就目前其應用而言，其除垢效果尚不能達到使用要求。

對于飲用水的除垢方法主要采用反滲透膜分離和離子交換樹脂軟化法。反滲透膜方法將大部分離子去除，只有水透過膜，存在廢水排放量大、產水量小、需要泵和電、維護麻煩等問題，而離子交換樹脂容易飽和，存在交換容量小、壽命短等問題。因此，對于高性能、長壽命、自動再生的除垢材料的研發，成為飲用水行業亟需解決的難題。

發明內容

本發明針對飲用水離子交換樹脂除垢材料存在容易飽和、交換容量小、壽命短、難自動再生等問題，并根據飲水機的間歇性使用和碳酸鈣結晶的特點，通過聚合法制備聚苯乙烯微球，并以聚苯乙烯微球為載體，合成帶有樹枝狀活性基團的超分子分子簇材料，通過在樹枝結構上活性基團(例如磺酸基、羧基等)的誘導結晶、生長后形成2～6um的大顆粒碳酸鈣，借助于水流沖擊力而自行脫落，實現分子簇除垢材料的再生。因此，本發明提出一種誘導晶體增長的方法來去除水垢，形成一種將晶體動力學與流體力學有機結合的除垢方法。

本發明的技術方案如下：

一種超分子聚合物的分子簇材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)制備聚苯乙烯微球；

(2)制備分子簇材料：以聚苯乙烯微球為基底，在聚苯乙烯微球表面上接枝含有大量羧基或磺酸基的活性基團，合成分子簇材料。

所述分子簇材料的制備方法為：以聚苯乙烯微球(PS)為種子，加入溶脹劑在SDS水乳液中形成乳化液，在0.1％～0.3％引發劑過硫酸鉀、0.5％～1.5％交聯劑作用下，加入40％～50％的功能性單體丙烯酸(AA)，通過超聲乳化分散，在30℃下繼續溶脹12h；再加入10％～12％聚乙烯醇(PVA)溶液，升溫至80℃反應12h，制得PS-AA分子簇。

所述分子簇材料的制備方法為：將干燥的聚苯乙烯微球加入到由濃硝酸和濃硫酸按體積比為2:3組成的混合溶液中，于40℃下400r/min攪拌反應2～3h，經干燥后得到的產物與NaOH水溶液和Na₂S₂O₄在75℃下400r/min反應4h，得到氨基聚苯乙烯微球；按化學計量比加入氨基聚苯乙烯微球與聚丙烯酸(PAA)至乙醇溶液，于通氮條件下70℃攪拌并回流12h，洗滌、干燥，得到PS-PAA分子簇。

所述分子簇材料的制備方法為：按化學計量比加入干燥的聚苯乙烯微球、縮水甘油(PG)、吡啶，用甲苯浸沒，于80～95℃通氮條件下以260r/min攪拌反應24h，洗滌、干燥，得到聚苯乙烯縮水甘油微球；按化學計量比將干燥的聚苯乙烯縮水甘油微球分散至濃硫酸，在40℃以200～300r/min條件下磺化10h，離心，用乙醇反復洗滌，干燥，得到PS-PG-SO₃H分子簇。

所述聚苯乙烯微球是采用分散聚合法制備的，粒徑為2～5μm。

所述聚苯乙烯微球的制備方法為：按化學計量比加入單體苯乙烯、分散劑、引發劑至醇水液，于65～70℃反應8h，控制攪拌速度使微球粒徑在2～5μm范圍內。

上述方法制備的超分子聚合物的分子簇材料在去除飲用水中水垢的應用，即將分子簇材料加入飲用水中，處理條件為水溫20±3℃，水流量為1.0L/min，處理后的水樣最后通過超濾膜截留去除大顆粒的水垢。