《循環(huán)水中阻垢劑的主要作用及影響阻垢的因素》
本文闡述了在循環(huán)水中加入阻垢劑的目的和重要性，并且從循環(huán)水的各個(gè)方面試驗(yàn)阻垢劑的阻垢效果，分析影響阻垢劑效果的主要因素。
關(guān)鍵詞：循環(huán)水 、阻垢劑
1.1阻垢劑在循環(huán)水系統(tǒng)中的作用
隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)用水量占工農(nóng)業(yè)總用水量的比重逐年提高。水資源短缺和水污染已成為世界上一個(gè)日益受關(guān)注的問題。如何節(jié)水、節(jié)能、節(jié)材和保護(hù)環(huán)境是極其嚴(yán)峻的任務(wù)。循環(huán)冷卻水處理藥劑就是在這樣的背景下發(fā)展起來的。冷卻水在使用時(shí)不斷循環(huán)和濃縮，水中的礦物質(zhì)含量也會(huì)不斷增加，從而引起設(shè)備管道結(jié)垢、腐蝕。污垢的存在不會(huì)影響傳熱效率，還會(huì)產(chǎn)生垢下腐蝕。因此，循環(huán)水中防垢十分重要。目前，在工業(yè)循環(huán)冷卻水處理過程中，大多采用投加化學(xué)藥劑的方法控制污垢的形成。
水資源貧乏一直是我國(guó)面臨的一大難題，尤其是近年來隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工業(yè)用水量急劇上升。如果將直流冷卻水改為循環(huán)冷卻水，即可節(jié)約95%以上的水量(以濃縮倍2.0計(jì))[1]。但是用循環(huán)水取代直流冷卻水后，隨著冷卻水在使用時(shí)的不斷循環(huán)和濃縮，水中的礦物質(zhì)含量會(huì)不斷增加，又從冷卻塔帶入大量溶解氧、塵土、孢子和細(xì)菌，水質(zhì)變壞，以致給整個(gè)冷卻水系統(tǒng)帶來了比采用直流冷卻水時(shí)嚴(yán)重得多的腐蝕、結(jié)垢、菌藻和粘泥等問題。解決這些問題的有效方法是在循環(huán)冷卻水中添加阻垢劑。因此，在循環(huán)水中加入阻垢劑是極其重要的。
阻垢劑主要是指能夠防止水垢和污垢產(chǎn)生或抑制其沉積生長(zhǎng)的化學(xué)類試劑，是工業(yè)水處理中必不可少的元素，可以用來延長(zhǎng)設(shè)備壽命并保證設(shè)備安全運(yùn)行。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，阻垢劑的研究也在不斷地深入并日趨成熟，其特點(diǎn)及功能在日趨完善的同時(shí)，種類亦在不斷增加。
1.2在循環(huán)水系統(tǒng)中加入阻垢劑的目的
在通常情況下，碳鋼、不銹鋼、銅和銅合金在循環(huán)冷卻水中主要發(fā)生的是溶解氧產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，此外，由于水質(zhì)組成的差異，運(yùn)行工況條件的特殊，過水金屬表面狀況不同，除了溶解氧造成的全面腐蝕外，還存在著點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、垢下腐蝕、磨蝕、電偶腐蝕。
使用緩蝕劑的目的，一是，利用緩蝕劑的陰、陽特性，替代金屬參與陰、陽極反應(yīng)，從而改變金屬在水中腐蝕的速度；二是，利用緩蝕劑分了量大，在空間產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，間接地阻礙電極反應(yīng)的進(jìn)行；三是，利用緩蝕劑在金屬表面形成各種形式的膜狀覆蓋物抑制金屬的腐蝕。
冷卻水中的污垢很少以單一物質(zhì)的形式存在，往往以水垢、懸浮物、腐蝕產(chǎn)物和生物粘泥夾雜在一起沉積下來而成，污垢在金屬表面的形成，產(chǎn)生污垢熱阻，使換熱系數(shù)急劇減小，大大降低換熱器工作效率。加入阻垢劑后，能夠阻止垢在金屬表面形成和長(zhǎng)厚。其阻垢原理，一是，阻垢劑與水中的鈣鎂高價(jià)金屬離了或由它們組成鹽或氧化物的粒了發(fā)生作用(離了交換、鰲合、絡(luò)合、增溶)，阻礙了它們向金屬表面的沉積；二是，阻垢劑通過吸附、架橋等絮凝作用，把水中固體顆粒了懸浮在水中，阻止其集聚、沉降。
2.1 水質(zhì)與藥劑
水質(zhì)：北京自來水鈣硬 100mg/L，堿度135mg/L。
藥劑：水處理劑全部取自循環(huán)水現(xiàn)場(chǎng)。
2.2 試驗(yàn)方法
分析方法：試驗(yàn)用水處理劑的主要成分分析采用瑞士Buuk公司生產(chǎn)的300M核磁共振儀(NMR)。
阻垢方法：阻碳酸鈣垢按照中石化《冷卻水分析和試驗(yàn)方法》中的401法。
阻磷酸鈣垢按照中石化《冷卻水分析和試驗(yàn)方法》中的402法。
試驗(yàn)結(jié)果
3.1分散阻垢劑的分類
阻垢分散劑的分類：對(duì)取自現(xiàn)場(chǎng)的35個(gè)國(guó)內(nèi)外水處理劑樣品，首先進(jìn)行理化指標(biāo)分析，進(jìn)行初步分類，再用核磁共振和離子色譜對(duì)主要成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，歸結(jié)為9種類型，具體如表3-1所示。第1類至第3類為共聚物型阻垢分散劑，第4類至第9類均為復(fù)合型緩蝕阻垢劑；進(jìn)一步比較可以看出，第4類至第6類主要成分是單元高分子聚合物，第7類至第9類均含多元高分子共聚物[2]。
表3-1歸類樣品的主要成分
3.2藥品濃度對(duì)分散阻垢效果的影響
表3-2不同類型藥劑在不同濃度下的阻垢率
3.3濁度對(duì)分散阻垢效果的影響
表3-3不同濁度下藥劑的阻垢分散效果
3.4鐵離子對(duì)分散阻垢效果的影響
表3-4 鐵離子對(duì)藥劑的阻垢分散效果的影響%
3.5鈣硬和堿度對(duì)分散阻垢效果的影響
不同鈣硬和堿度水的阻垢率(%)
表3-5鈣硬和堿度對(duì)不同類型藥劑阻垢分散效果的影響%
說明：A水硬度和堿度分別為100 mg/L和135 mg/L；B水硬度和堿度分別為150mg/L和203mg/L；C水硬度和堿度分別為200mg/L和270 mg/L；D水硬度和堿度分別為250 mg/L和250 mg/L。
3.6殺菌劑對(duì)分散阻垢效果的影響
表3-6殺菌劑對(duì)藥劑阻垢分散效果的影響
說明：殺菌劑1的主要成分是異噻唑啉酮；殺菌劑2的主要成分是聚季銨鹽；殺菌劑3的主要成分是次氯酸鹽；殺菌劑4的主要成分是二硫氰基甲烷
4.1藥品濃度對(duì)阻垢效果的影響
表3-2是藥劑在各自推薦藥劑濃度范圍的阻垢分散效果。表3-2數(shù)據(jù)說明：9種不同類型藥劑在3個(gè)濃度條件下對(duì)碳酸鈣均有阻垢效果。在相同濃度下，復(fù)合劑的阻垢率大于單劑的阻垢率，主要是復(fù)合劑中的其它組分和聚合物之間存在協(xié)同作用。在一般條件下，HEDP與聚合物存在明顯的協(xié)同效果。對(duì)聚合物單劑，含羥磺酸基團(tuán)的阻垢效果優(yōu)于其它類型效果，主要是因聚合物中的磺酸基團(tuán)是強(qiáng)極性基團(tuán)，有較強(qiáng)的分散作用。但對(duì)阻磷酸鈣的情況與阻碳酸鈣明顯不同，1、4和7三類幾乎沒有阻磷酸鈣的作用，其它六類在低濃度下阻垢效果很差，隨濃度升高，阻垢效果明顯增加，如第2、3、8和9四類。這種現(xiàn)象說明阻磷酸鈣的作用機(jī)理與阻碳酸鈣的作用機(jī)理是不相同的。王京等[3]認(rèn)為：阻垢劑對(duì)阻碳酸鈣垢主要靠增溶和致畸，使碳酸鈣不易形成晶體和晶體增大。但對(duì)阻磷酸鈣不同，由于磷酸鈣溶度積極小，極易形成晶體，阻垢劑對(duì)磷酸鈣的增溶作用微不足道，只有那些能夠分散已經(jīng)形成晶體的阻垢分散劑，才能顯示阻止磷酸鈣形成水垢的作用，因此，對(duì)磷酸鈣起作用主要靠藥劑的分散能力。在一般條件下，含羥基、磺酸基的聚合物有較好的分散作用，因而表3-2現(xiàn)出較好的阻磷酸鈣的效果。
4.2濁度對(duì)阻垢效果的影響
表3-3是濁度對(duì)9類藥劑阻碳酸鈣垢和阻磷酸鈣垢效果影響的結(jié)果。表3-3數(shù)據(jù)說明，濁度對(duì)第3、4、和7三類藥劑的阻碳酸鈣垢效果基本無影響，對(duì)第5、6、8和9四類藥劑阻碳酸鈣垢效果有負(fù)面影響，且隨濁度增加，這些藥劑阻碳酸鈣垢效果下降，但對(duì)第1和2兩類藥劑阻碳酸鈣垢效果有增效作用，隨濁度升高阻碳酸鈣垢效果有所增加。比較這些差異可以看出，單劑的阻碳酸鈣垢效果受濁度的影響較小，多數(shù)復(fù)合劑阻碳酸鈣垢效果受濁度的影響較大；濁度對(duì)阻磷酸鈣垢效果的影響大于阻碳酸鈣垢效果，如第2、3、8和9四類藥劑，阻磷酸鈣垢效果隨濁度的增加而大幅度下降，在使用時(shí)應(yīng)控制循環(huán)水的濁度在10 mg/L以內(nèi)。這個(gè)現(xiàn)象也說明藥劑的阻碳酸鈣主要是增溶和致畸作用，阻磷酸鈣垢主要是分散作用。
4.3鐵離子對(duì)阻垢效果的影響
循環(huán)水中常常因金屬腐蝕使鐵離子濃度增加，特別是使用強(qiáng)腐蝕性水質(zhì)的循環(huán)水系統(tǒng)和有物料泄漏系統(tǒng)，鐵離子濃度有時(shí)高達(dá)5 mg/L。鐵離子對(duì)不同類型藥劑的阻垢分散效果如表3-4所示。表3-4數(shù)據(jù)表明：鐵離子除對(duì)第4和9兩類藥劑阻碳酸鈣垢效果的影響很小外，對(duì)其它七類藥劑阻碳酸鈣垢的影響巨大，且隨鐵離子濃度增加，阻碳酸鈣垢效果大幅度下降；鐵離子對(duì)所有的九類藥劑的阻磷酸鈣垢均有巨大影響，隨鐵離子濃度增加，阻磷酸鈣垢的效果大幅度下降。這些結(jié)果說明循環(huán)水中鐵離子對(duì)阻垢分散作用是一種十分有害的離子，在使用中應(yīng)盡可能控制鐵離子濃度小于1 mg/L。
4.4鈣硬和堿度對(duì)阻垢效果的影響
人們?cè)谒幚韺?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，水中鈣硬和堿度對(duì)阻垢分散劑的效果影響巨大。表3-5是鈣硬和堿度對(duì)不同類型藥劑的阻垢分散效果影響結(jié)果。表3-5結(jié)果很清楚地表明，水中鈣硬和堿度對(duì)各類藥劑的阻碳酸鈣垢效果影響很大。隨鈣硬和堿度的增加，阻垢率下降，但影響程度是不相同的。對(duì)前四類藥劑阻碳酸鈣垢效果的影響較大，說明這四類藥劑不宜在較高鈣硬和堿度的水中使用。對(duì)后四類藥劑的阻碳酸鈣垢效果影響較小，說明這四類藥劑可以在高硬度和堿度水中使用。
與阻碳酸鈣相比，水中鈣硬和堿度對(duì)藥劑阻磷酸鈣垢效果的影響更大。如除對(duì)第8和9兩類藥劑阻磷酸鈣垢效果影響相對(duì)較小外，對(duì)其它七類藥劑，當(dāng)鈣硬和堿度增加1倍，這些藥劑對(duì)磷酸鈣垢幾乎完全失去阻垢作用。
4.5殺菌劑對(duì)阻垢效果的影響
殺菌劑對(duì)緩蝕阻垢劑阻碳酸鈣和阻磷酸鈣的影響如表3-6所示。殺菌劑1對(duì)第3、5和9三類藥劑的阻碳酸鈣有明顯的負(fù)面影響，對(duì)其它六類藥劑影響很小；對(duì)第2和3兩類藥劑的阻磷酸鈣有明顯的負(fù)面影響，但對(duì)其它七類藥劑有增效作用，隨殺菌劑1的加入，阻磷酸鈣效果增加。殺菌劑2對(duì)第2、4、5、8和9五類藥劑阻碳酸鈣有負(fù)面作用，對(duì)其它四類藥劑的阻碳酸鈣均有增效作用；對(duì)第1類藥劑阻磷酸鈣有增效作用，但對(duì)其它八類藥均有很大的負(fù)面作用，隨殺菌劑2的加入，藥劑的阻垢分散作用明顯下降。殺菌劑3除對(duì)第6類藥劑阻碳酸鈣作用無影響外，對(duì)其它八類藥劑阻碳鈣作用均有不同程度的影響；對(duì)藥劑阻磷酸鈣作用的影響與阻碳酸鈣不同，除對(duì)第1、2類藥劑阻磷酸鈣作用稍有負(fù)面影響外，對(duì)其它七類藥劑的阻磷酸鈣均有大幅度的增效作用。殺菌劑4除對(duì)第1和9兩類藥劑阻碳酸鈣有明顯的負(fù)面作用外，對(duì)其它七類藥劑的阻碳酸鈣影響較小；除對(duì)第3和9兩類藥劑阻磷酸鈣有負(fù)面作用外，對(duì)其它七類均有較大的增效作用。
從這些現(xiàn)象可以看出，不同類型的殺菌劑對(duì)不同類型的藥劑效果影響是不相同的，但總體上看，殺菌劑對(duì)阻磷酸鈣的影響大于阻碳酸鈣。
⑴藥劑自身濃度是顯著影響阻垢分散效果的因素之一。對(duì)阻碳酸鈣的影響與阻磷酸鈣不同，對(duì)阻磷酸鈣存在最低濃度，只有藥劑的濃度超過這個(gè)最低濃度，藥劑才有阻磷酸鈣的作用。
⑵濁度對(duì)藥劑阻垢分散效果均有不同程度的影響，但對(duì)阻磷酸鈣的影響更大，隨濁度增加，阻磷酸鈣的效果大幅度下降。
⑶鐵離子對(duì)藥劑阻垢分散作用影響明顯，無論是對(duì)阻碳酸鈣還是阻磷酸鈣，都是隨鐵離子濃度的增加，阻垢分散效果下降。
⑷鈣硬和堿度對(duì)藥劑阻碳酸鈣和阻磷酸鈣作用影響巨大，隨鈣硬和堿度的增加，阻垢分散效果下降。
⑸殺菌劑對(duì)不同藥劑的阻垢分散效果有不同的影響，氧化型殺菌劑對(duì)多數(shù)藥劑的阻磷酸鈣有增效作用，非氧化型殺菌劑對(duì)不同類型藥劑的影響視藥劑類型而定，有增效作用，也有對(duì)抗作用。
[1] 梁海燕，路繽．聚合物阻垢分散劑研究進(jìn)展[J]．化學(xué)工程師，2002，46(1)：40-41．
[2] 李本高，余正齊．影響循環(huán)水處理劑阻垢分散效果的主要因素[J]．工業(yè)用水與廢水．2004，31(4)：4-6．
[3] 王京．常用阻垢劑結(jié)構(gòu)分析及其阻鈣垢機(jī)理研究[D]．北京石油化工科學(xué)研究院，1998．