循环水中阻垢剂的主要作用及影响阻垢的因素 陈荣荣
环境工程课题组
摘要：
本文阐述了在循环水中加入阻垢剂的目的和重要性，并且从循环水的各个方面试验阻垢剂的阻垢效果，分析影响阻垢剂效果的主要因素。
关键词：循环水 、阻垢剂
1 前言
1.1阻垢剂在循环水系统中的作用
随着现代工业的迅速发展，工业用水量占工农业总用水量的比重逐年提高。水资源短缺和水污染已成为世界上一个日益受关注的问题。如何节水、节能、节材和保护环境是极其严峻的任务。循环冷却水处理药剂就是在这样的背景下发展起来的。冷却水在使用时不断循环和浓缩，水中的矿物质含量也会不断增加，从而引起设备管道结垢、腐蚀。污垢的存在不会影响传热效率，还会产生垢下腐蚀。因此，循环水中防垢十分重要。目前，在工业循环冷却水处理过程中，大多采用投加化学药剂的方法控制污垢的形成。
水资源贫乏一直是我国面临的一大难题，尤其是近年来随着我国工业生产的迅速发展，工业用水量急剧上升。如果将直流冷却水改为循环冷却水，即可节约95%以上的水量(以浓缩倍2.0计)[1]。但是用循环水取代直流冷却水后，随着冷却水在使用时的不断循环和浓缩，水中的矿物质含量会不断增加，又从冷却塔带入大量溶解氧、尘土、孢子和细菌，水质变坏，以致给整个冷却水系统带来了比采用直流冷却水时严重得多的腐蚀、结垢、菌藻和粘泥等问题。解决这些问题的有效方法是在循环冷却水中添加阻垢剂。因此，在循环水中加入阻垢剂是极其重要的。
阻垢剂主要是指能够防止水垢和污垢产生或抑制其沉积生长的化学类试剂，是工业水处理中必不可少的元素，可以用来延长设备寿命并保证设备安全运行。目前，随着科学技术的发展，阻垢剂的研究也在不断地深入并日趋成熟，其特点及功能在日趋完善的同时，种类亦在不断增加。
1.2在循环水系统中加入阻垢剂的目的
在通常情况下，碳钢、不锈钢、铜和铜合金在循环冷却水中主要发生的是溶解氧产生的电化学腐蚀，此外，由于水质组成的差异，运行工况条件的特殊，过水金属表面状况不同，除了溶解氧造成的全面腐蚀外，还存在着点腐蚀、缝隙腐蚀、垢下腐蚀、磨蚀、电偶腐蚀。
使用缓蚀剂的目的，一是，利用缓蚀剂的阴、阳特性，替代金属参与阴、阳极反应，从而改变金属在水中腐蚀的速度；二是，利用缓蚀剂分了量大，在空间产生遮蔽效应，间接地阻碍电极反应的进行；三是，利用缓蚀剂在金属表面形成各种形式的膜状覆盖物抑制金属的腐蚀。
冷却水中的污垢很少以单一物质的形式存在，往往以水垢、悬浮物、腐蚀产物和生物粘泥夹杂在一起沉积下来而成，污垢在金属表面的形成，产生污垢热阻，使换热系数急剧减小，大大降低换热器工作效率。加入阻垢剂后，能够阻止垢在金属表面形成和长厚。其阻垢原理，一是，阻垢剂与水中的钙镁高价金属离了或由它们组成盐或氧化物的粒了发生作用(离了交换、鳌合、络合、增溶)，阻碍了它们向金属表面的沉积；二是，阻垢剂通过吸附、架桥等絮凝作用，把水中固体颗粒了悬浮在水中，阻止其集聚、沉降。
2 试验设计、方法和材料
2.1 水质与药剂
水质：北京自来水钙硬 100mg/L，碱度135mg/L。
药剂：水处理剂全部取自循环水现场。
2.2 试验方法
分析方法：试验用水处理剂的主要成分分析采用瑞士Buuk公司生产的300M核磁共振仪(NMR)。
阻垢方法：阻碳酸钙垢按照中石化《冷却水分析和试验方法》中的401法。
阻磷酸钙垢按照中石化《冷却水分析和试验方法》中的402法。
3试验结果
3.1分散阻垢剂的分类
阻垢分散剂的分类：对取自现场的35个国内外水处理剂样品，首先进行理化指标分析，进行初步分类，再用核磁共振和离子色谱对主要成分和结构进行鉴定，归结为9种类型，具体如表3-1所示。第1类至第3类为共聚物型阻垢分散剂，第4类至第9类均为复合型缓蚀阻垢剂；进一步比较可以看出，第4类至第6类主要成分是单元高分子聚合物，第7类至第9类均含多元高分子共聚物[2]。
表3-1归类样品的主要成分
 3.2药品浓度对分散阻垢效果的影响
表3-2不同类型药剂在不同浓度下的阻垢率
  3.3浊度对分散阻垢效果的影响
表3-3不同浊度下药剂的阻垢分散效果
 3.4铁离子对分散阻垢效果的影响
表3-4 铁离子对药剂的阻垢分散效果的影响%
 3.5钙硬和碱度对分散阻垢效果的影响
不同钙硬和碱度水的阻垢率(%)
  表3-5钙硬和碱度对不同类型药剂阻垢分散效果的影响%
说明：A水硬度和碱度分别为100 mg/L和135 mg/L；B水硬度和碱度分别为150mg/L和203mg/L；C水硬度和碱度分别为200mg/L和270 mg/L；D水硬度和碱度分别为250 mg/L和250 mg/L。
3.6杀菌剂对分散阻垢效果的影响
表3-6杀菌剂对药剂阻垢分散效果的影响
 说明：杀菌剂1的主要成分是异噻唑啉酮；杀菌剂2的主要成分是聚季铵盐；杀菌剂3的主要成分是次氯酸盐；杀菌剂4的主要成分是二硫氰基甲烷
4 结果讨论
4.1药品浓度对阻垢效果的影响
表3-2是药剂在各自推荐药剂浓度范围的阻垢分散效果。表3-2数据说明：9种不同类型药剂在3个浓度条件下对碳酸钙均有阻垢效果。在相同浓度下，复合剂的阻垢率大于单剂的阻垢率，主要是复合剂中的其它组分和聚合物之间存在协同作用。在一般条件下，HEDP与聚合物存在明显的协同效果。对聚合物单剂，含羟磺酸基团的阻垢效果优于其它类型效果，主要是因聚合物中的磺酸基团是强极性基团，有较强的分散作用。但对阻磷酸钙的情况与阻碳酸钙明显不同，1、4和7三类几乎没有阻磷酸钙的作用，其它六类在低浓度下阻垢效果很差，随浓度升高，阻垢效果明显增加，如第2、3、8和9四类。这种现象说明阻磷酸钙的作用机理与阻碳酸钙的作用机理是不相同的。王京等[3]认为：阻垢剂对阻碳酸钙垢主要靠增溶和致畸，使碳酸钙不易形成晶体和晶体增大。但对阻磷酸钙不同，由于磷酸钙溶度积极小，极易形成晶体，阻垢剂对磷酸钙的增溶作用微不足道，只有那些能够分散已经形成晶体的阻垢分散剂，才能显示阻止磷酸钙形成水垢的作用，因此，对磷酸钙起作用主要靠药剂的分散能力。在一般条件下，含羟基、磺酸基的聚合物有较好的分散作用，因而表3-2现出较好的阻磷酸钙的效果。
4.2浊度对阻垢效果的影响
表3-3是浊度对9类药剂阻碳酸钙垢和阻磷酸钙垢效果影响的结果。表3-3数据说明，浊度对第3、4、和7三类药剂的阻碳酸钙垢效果基本无影响，对第5、6、8和9四类药剂阻碳酸钙垢效果有负面影响，且随浊度增加，这些药剂阻碳酸钙垢效果下降，但对第1和2两类药剂阻碳酸钙垢效果有增效作用，随浊度升高阻碳酸钙垢效果有所增加。比较这些差异可以看出，单剂的阻碳酸钙垢效果受浊度的影响较小，多数复合剂阻碳酸钙垢效果受浊度的影响较大；浊度对阻磷酸钙垢效果的影响大于阻碳酸钙垢效果，如第2、3、8和9四类药剂，阻磷酸钙垢效果随浊度的增加而大幅度下降，在使用时应控制循环水的浊度在10 mg/L以内。这个现象也说明药剂的阻碳酸钙主要是增溶和致畸作用，阻磷酸钙垢主要是分散作用。
4.3铁离子对阻垢效果的影响
循环水中常常因金属腐蚀使铁离子浓度增加，特别是使用强腐蚀性水质的循环水系统和有物料泄漏系统，铁离子浓度有时高达5 mg/L。铁离子对不同类型药剂的阻垢分散效果如表3-4所示。表3-4数据表明：铁离子除对第4和9两类药剂阻碳酸钙垢效果的影响很小外，对其它七类药剂阻碳酸钙垢的影响巨大，且随铁离子浓度增加，阻碳酸钙垢效果大幅度下降；铁离子对所有的九类药剂的阻磷酸钙垢均有巨大影响，随铁离子浓度增加，阻磷酸钙垢的效果大幅度下降。这些结果说明循环水中铁离子对阻垢分散作用是一种十分有害的离子，在使用中应尽可能控制铁离子浓度小于1 mg/L。
4.4钙硬和碱度对阻垢效果的影响
人们在水处理实践中发现，水中钙硬和碱度对阻垢分散剂的效果影响巨大。表3-5是钙硬和碱度对不同类型药剂的阻垢分散效果影响结果。表3-5结果很清楚地表明，水中钙硬和碱度对各类药剂的阻碳酸钙垢效果影响很大。随钙硬和碱度的增加，阻垢率下降，但影响程度是不相同的。对前四类药剂阻碳酸钙垢效果的影响较大，说明这四类药剂不宜在较高钙硬和碱度的水中使用。对后四类药剂的阻碳酸钙垢效果影响较小，说明这四类药剂可以在高硬度和碱度水中使用。
与阻碳酸钙相比，水中钙硬和碱度对药剂阻磷酸钙垢效果的影响更大。如除对第8和9两类药剂阻磷酸钙垢效果影响相对较小外，对其它七类药剂，当钙硬和碱度增加1倍，这些药剂对磷酸钙垢几乎完全失去阻垢作用。
4.5杀菌剂对阻垢效果的影响
杀菌剂对缓蚀阻垢剂阻碳酸钙和阻磷酸钙的影响如表3-6所示。杀菌剂1对第3、5和9三类药剂的阻碳酸钙有明显的负面影响，对其它六类药剂影响很小；对第2和3两类药剂的阻磷酸钙有明显的负面影响，但对其它七类药剂有增效作用，随杀菌剂1的加入，阻磷酸钙效果增加。杀菌剂2对第2、4、5、8和9五类药剂阻碳酸钙有负面作用，对其它四类药剂的阻碳酸钙均有增效作用；对第1类药剂阻磷酸钙有增效作用，但对其它八类药均有很大的负面作用，随杀菌剂2的加入，药剂的阻垢分散作用明显下降。杀菌剂3除对第6类药剂阻碳酸钙作用无影响外，对其它八类药剂阻碳钙作用均有不同程度的影响；对药剂阻磷酸钙作用的影响与阻碳酸钙不同，除对第1、2类药剂阻磷酸钙作用稍有负面影响外，对其它七类药剂的阻磷酸钙均有大幅度的增效作用。杀菌剂4除对第1和9两类药剂阻碳酸钙有明显的负面作用外，对其它七类药剂的阻碳酸钙影响较小；除对第3和9两类药剂阻磷酸钙有负面作用外，对其它七类均有较大的增效作用。
从这些现象可以看出，不同类型的杀菌剂对不同类型的药剂效果影响是不相同的，但总体上看，杀菌剂对阻磷酸钙的影响大于阻碳酸钙。
5 结论
⑴药剂自身浓度是显著影响阻垢分散效果的因素之一。对阻碳酸钙的影响与阻磷酸钙不同，对阻磷酸钙存在最低浓度，只有药剂的浓度超过这个最低浓度，药剂才有阻磷酸钙的作用。
⑵浊度对药剂阻垢分散效果均有不同程度的影响，但对阻磷酸钙的影响更大，随浊度增加，阻磷酸钙的效果大幅度下降。
⑶铁离子对药剂阻垢分散作用影响明显，无论是对阻碳酸钙还是阻磷酸钙，都是随铁离子浓度的增加，阻垢分散效果下降。
⑷钙硬和碱度对药剂阻碳酸钙和阻磷酸钙作用影响巨大，随钙硬和碱度的增加，阻垢分散效果下降。
⑸杀菌剂对不同药剂的阻垢分散效果有不同的影响，氧化型杀菌剂对多数药剂的阻磷酸钙有增效作用，非氧化型杀菌剂对不同类型药剂的影响视药剂类型而定，有增效作用，也有对抗作用。
参考文献
[1] 梁海燕，路缤．聚合物阻垢分散剂研究进展[J]．化学工程师，2002，46(1)：40-41．
[2] 李本高，余正齐．影响循环水处理剂阻垢分散效果的主要因素[J]．工业用水与废水．2004，31(4)：4-6．
[3] 王京．常用阻垢剂结构分析及其阻钙垢机理研究[D]．北京石油化工科学研究院，1998．
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