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工业循环冷却水系统运行过程中，水中钙、镁离子遇升温、浓缩易生成碳酸钙、硫酸钙等无机盐垢层，附着于换热器管壁，降低换热效率；同时碳钢设备易发生电化学腐蚀，造成设备损耗。传统磷系阻垢缓蚀剂虽效果优异，但含磷排放会引发水体富营养化，环保压力日益增大，开发无磷可降解水处理药剂成为行业热点。

聚环氧琥珀酸(PESA) 是一类无磷、非氮的聚羧酸类聚合物，分子结构含有大量羧基与醚键，兼具阻垢、分散、一定缓蚀能力，并且可生物降解，对环境友好，在循环冷却水、反渗透、油田水处理领域具备很高应用价值。本文采用水相两步法合成 PESA，对合成工艺进行优化，在模拟循环冷却水条件下评价其阻垢、缓蚀性能，为实际工业应用提供实验依据。

试剂：马来酸酐、氢氧化钠、过氧化氢（30%）、钨酸钠二水合物、氢氧化钙、氯化钙、碳酸氢钠、无水碳酸钠、盐酸，均为分析纯；A3 碳钢挂片。

仪器：四口烧瓶、恒温水浴锅、电动搅拌器、傅里叶变换红外光谱仪、旋转挂片腐蚀试验仪、电子天平、pH 计、恒温水浴振荡器。

合成分为马来酸酐碱性开环、环氧化、聚合三步完成。 1）开环反应：向四口烧瓶加入去离子水，投入马来酸酐，搅拌溶解；冰水浴条件下缓慢滴加 50% NaOH 溶液，调节体系 pH 至 5‑6，使马来酸酐水解生成马来酸钠。 2）环氧化反应：水浴升温至 60 ℃，加入催化剂钨酸钠，缓慢滴加 30% 过氧化氢，全程控制 pH 5‑7，恒温反应 2 h，得到环氧琥珀酸钠溶液。 3）聚合反应：向上述环氧琥珀酸钠溶液加入引发剂 Ca (OH)₂，搅拌均匀，升温至 95‑100 ℃，恒温聚合 3 h。反应结束冷却至室温，用稀盐酸调节 pH 至中性，得到聚环氧琥珀酸水溶液。产物经乙醇沉淀、洗涤、干燥后，用于红外表征。

取干燥后的 PESA 固体，KBr 压片，4000‑400 cm⁻¹ 范围红外扫描，分析特征官能团。

模拟循环冷却水水质：Ca²⁺浓度 250 mg/L，HCO₃⁻浓度 450 mg/L。加入不同剂量 PESA，置于 80 ℃水浴恒温 10 h，冷却过滤，测定滤液剩余钙离子浓度。阻垢率计算公式：

\(\eta=\frac{\rho_1-\rho_0}{\rho_2-\rho_0}\times100\%\) \(\rho_0\)：未加药剂空白组钙离子质量浓度；\(\rho_1\)：投加药剂后钙离子质量浓度；\(\rho_2\)：初始钙离子质量浓度。

参照 GB/T 18175‑2014 水处理剂缓蚀性能测定旋转挂片法。A3 碳钢挂片经打磨、清洗、称重。模拟循环冷却水，加入 PESA，温度 45 ℃，转速 75 r/min，实验时间 72 h。取出挂片除锈干燥称重，计算腐蚀速率与缓蚀率。

红外谱图显示：3400 cm⁻¹ 附近为羟基‑OH 伸缩振动；1620‑1720 cm⁻¹ 出现羧基 C=O 强吸收峰；1100‑1250 cm⁻¹ 出现醚键 C‑O‑C 特征吸收峰，说明产物分子中含有羧基、醚键官能团，证明成功合成聚环氧琥珀酸。

固定 Ca²⁺=250 mg/L，HCO₃⁻=450 mg/L，温度 80 ℃，改变 PESA 投加量，测试阻垢率。 当 PESA 投加量由 4 mg/L 提升至 12 mg/L，阻垢率快速上升；投加 12 mg/L 时阻垢率达到 92.6%；继续增大投药量，阻垢率提升幅度很小，出现溶限效应。综合经济成本，最佳投加量选取 10‑12 mg/L。

机理分析：PESA 分子上羧基与 Ca²⁺发生螯合，同时吸附在碳酸钙晶核表面，扭曲晶体正常生长形态，使晶体松散、不易沉积附着管壁，实现晶格畸变阻垢。

循环冷却水 pH 一般在 7.0‑9.5。pH 升高，碳酸氢根转化为碳酸根，碳酸钙结垢趋势加剧。pH 7.0‑8.5 区间，PESA 阻垢性能维持较高水平；pH＞9.0 后，体系碱度过高，碳酸钙生成速率过快，药剂螯合能力受限，阻垢率明显下降。PESA 适合中性至弱碱性循环冷却水系统。

温度升高，碳酸钙溶解度下降，结垢倾向增大。40‑60 ℃，PESA 阻垢效果稳定；温度超过 70 ℃，分子热运动加剧，晶体成核速率加快，阻垢率有所降低。工业循环冷却水一般控制温度低于 55 ℃，PESA 可满足工况要求。

空白条件下 A3 碳钢腐蚀速率约 0.210 mm/a。随着 PESA 投药量增加，碳钢腐蚀速率逐步下降。投加 12 mg/L 时，腐蚀速率降至 0.072 mm/a，达到循环冷却水碳钢腐蚀速率控制指标。PESA 属于吸附型缓蚀剂，分子中极性基团吸附于碳钢金属表面，形成薄吸附膜，隔离水与溶解氧，抑制金属电化学腐蚀；但单独 PESA 缓蚀能力有限，高腐蚀倾向系统建议与少量缓蚀组分复配使用。

钙离子质量浓度升高，结垢驱动力增强。Ca²⁺＜300 mg/L，PESA 阻垢效果优异；钙离子进一步提高，需要适当提高药剂投加量。因此高硬水工况，应提高 PESA 用量或开展复配。

阻垢机理主要包含三点：①螯合增溶：羧基与 Ca²⁺形成可溶性螯合物，提高碳酸钙溶解度；②晶格畸变：PESA 吸附于碳酸钙晶体生长位点，破坏晶体规整结构，生成松散易被水流冲刷的絮状沉淀；③分散作用：聚合物吸附于微晶颗粒表面，形成双电层静电排斥，阻止晶粒聚集沉降。

缓蚀机理：PESA 分子极性基团吸附在碳钢表面，形成一层吸附保护膜，抑制阳极金属溶解过程，属于混合型吸附缓蚀；单剂成膜致密性有限，缓蚀弱于专用缓蚀药剂，复配可进一步提升缓蚀效果。

（1）以马来酸酐为原料，经环氧化‑聚合两步水相合成工艺可制备聚环氧琥珀酸 PESA；红外光谱证实产物含有羧基、醚键特征官能团，产物相对分子质量 1100‑1300 综合性能最优。

（2）模拟循环冷却水条件，PESA 投加量 12 mg/L，pH7.5‑8.5，温度≤55 ℃时，碳酸钙阻垢率可达 92.6%，同时可将 A3 碳钢腐蚀速率控制在 0.075 mm/a 以下。

（3）PESA 无磷可生物降解，适合高碱高硬循环冷却水系统；但其单独使用缓蚀性能有限，在高腐蚀环境建议与其他药剂复配，发挥协同效应，拓展实际应用。