循環水中阻垢劑的主要作用及影響阻垢的因素 陳榮榮
環境工程課題組
摘要：
本文闡述了在循環水中加入阻垢劑的目的和重要性，并且從循環水的各個方面試驗阻垢劑的阻垢效果，分析影響阻垢劑效果的主要因素。
關鍵詞：循環水 、阻垢劑
1 前言
1.1阻垢劑在循環水系統中的作用
隨著現代工業的迅速發展，工業用水量占工農業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日益受關注的問題。如何節水、節能、節材和保護環境是極其嚴峻的任務。循環冷卻水處理藥劑就是在這樣的背景下發展起來的。冷卻水在使用時不斷循環和濃縮，水中的礦物質含量也會不斷增加，從而引起設備管道結垢、腐蝕。污垢的存在不會影響傳熱效率，還會產生垢下腐蝕。因此，循環水中防垢十分重要。目前，在工業循環冷卻水處理過程中，大多采用投加化學藥劑的方法控制污垢的形成。
水資源貧乏一直是我國面臨的一大難題，尤其是近年來隨著我國工業生產的迅速發展，工業用水量急劇上升。如果將直流冷卻水改為循環冷卻水，即可節約95%以上的水量(以濃縮倍2.0計)[1]。但是用循環水取代直流冷卻水后，隨著冷卻水在使用時的不斷循環和濃縮，水中的礦物質含量會不斷增加，又從冷卻塔帶入大量溶解氧、塵土、孢子和細菌，水質變壞，以致給整個冷卻水系統帶來了比采用直流冷卻水時嚴重得多的腐蝕、結垢、菌藻和粘泥等問題。解決這些問題的有效方法是在循環冷卻水中添加阻垢劑。因此，在循環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生或抑制其沉積生長的化學類試劑，是工業水處理中必不可少的元素，可以用來延長設備壽命并保證設備安全運行。目前，隨著科學技術的發展，阻垢劑的研究也在不斷地深入并日趨成熟，其特點及功能在日趨完善的同時，種類亦在不斷增加。
1.2在循環水系統中加入阻垢劑的目的
在通常情況下，碳鋼、不銹鋼、銅和銅合金在循環冷卻水中主要發生的是溶解氧產生的電化學腐蝕，此外，由于水質組成的差異，運行工況條件的特殊，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，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，在空間產生遮蔽效應，間接地阻礙電極反應的進行；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的形式存在，往往以水垢、懸浮物、腐蝕產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，產生污垢熱阻，使換熱系數急劇減小，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厚。其阻垢原理，一是，阻垢劑與水中的鈣鎂高價金屬離了或由它們組成鹽或氧化物的粒了發生作用(離了交換、鰲合、絡合、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 試驗設計、方法和材料
2.1 水質與藥劑
水質：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水現場。
2.2 試驗方法
分析方法：試驗用水處理劑的主要成分分析采用瑞士Buuk公司生產的300M核磁共振儀(NMR)。
阻垢方法：阻碳酸鈣垢按照中石化《冷卻水分析和試驗方法》中的401法。
阻磷酸鈣垢按照中石化《冷卻水分析和試驗方法》中的402法。
3試驗結果
3.1分散阻垢劑的分類
阻垢分散劑的分類：對取自現場的35個國內外水處理劑樣品，首先進行理化指標分析，進行初步分類，再用核磁共振和離子色譜對主要成分和結構進行鑒定，歸結為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類均為復合型緩蝕阻垢劑；進一步比較可以看出，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鐵離子對分散阻垢效果的影響
表3-4 鐵離子對藥劑的阻垢分散效果的影響%
 3.5鈣硬和堿度對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殺菌劑對分散阻垢效果的影響
表3-6殺菌劑對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 結果討論
4.1藥品濃度對阻垢效果的影響
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數據說明：9種不同類型藥劑在3個濃度條件下對碳酸鈣均有阻垢效果。在相同濃度下，復合劑的阻垢率大于單劑的阻垢率，主要是復合劑中的其它組分和聚合物之間存在協同作用。在一般條件下，HEDP與聚合物存在明顯的協同效果。對聚合物單劑，含羥磺酸基團的阻垢效果優于其它類型效果，主要是因聚合物中的磺酸基團是強極性基團，有較強的分散作用。但對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。這種現象說明阻磷酸鈣的作用機理與阻碳酸鈣的作用機理是不相同的。王京等[3]認為：阻垢劑對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，阻垢劑對磷酸鈣的增溶作用微不足道，只有那些能夠分散已經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現出較好的阻磷酸鈣的效果。
4.2濁度對阻垢效果的影響
表3-3是濁度對9類藥劑阻碳酸鈣垢和阻磷酸鈣垢效果影響的結果。表3-3數據說明，濁度對第3、4、和7三類藥劑的阻碳酸鈣垢效果基本無影響，對第5、6、8和9四類藥劑阻碳酸鈣垢效果有負面影響，且隨濁度增加，這些藥劑阻碳酸鈣垢效果下降，但對第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，多數復合劑阻碳酸鈣垢效果受濁度的影響較大；濁度對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，在使用時應控制循環水的濁度在10 mg/L以內。這個現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鐵離子對阻垢效果的影響
循環水中常常因金屬腐蝕使鐵離子濃度增加，特別是使用強腐蝕性水質的循環水系統和有物料泄漏系統，鐵離子濃度有時高達5 mg/L。鐵離子對不同類型藥劑的阻垢分散效果如表3-4所示。表3-4數據表明：鐵離子除對第4和9兩類藥劑阻碳酸鈣垢效果的影響很小外，對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。這些結果說明循環水中鐵離子對阻垢分散作用是一種十分有害的離子，在使用中應盡可能控制鐵離子濃度小于1 mg/L。
4.4鈣硬和堿度對阻垢效果的影響
人們在水處理實踐中發現，水中鈣硬和堿度對阻垢分散劑的效果影響巨大。表3-5是鈣硬和堿度對不同類型藥劑的阻垢分散效果影響結果。表3-5結果很清楚地表明，水中鈣硬和堿度對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，水中鈣硬和堿度對藥劑阻磷酸鈣垢效果的影響更大。如除對第8和9兩類藥劑阻磷酸鈣垢效果影響相對較小外，對其它七類藥劑，當鈣硬和堿度增加1倍，這些藥劑對磷酸鈣垢幾乎完全失去阻垢作用。
4.5殺菌劑對阻垢效果的影響
殺菌劑對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對第3、5和9三類藥劑的阻碳酸鈣有明顯的負面影響，對其它六類藥劑影響很??；對第2和3兩類藥劑的阻磷酸鈣有明顯的負面影響，但對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對第2、4、5、8和9五類藥劑阻碳酸鈣有負面作用，對其它四類藥劑的阻碳酸鈣均有增效作用；對第1類藥劑阻磷酸鈣有增效作用，但對其它八類藥均有很大的負面作用，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除對第6類藥劑阻碳酸鈣作用無影響外，對其它八類藥劑阻碳鈣作用均有不同程度的影響；對藥劑阻磷酸鈣作用的影響與阻碳酸鈣不同，除對第1、2類藥劑阻磷酸鈣作用稍有負面影響外，對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除對第1和9兩類藥劑阻碳酸鈣有明顯的負面作用外，對其它七類藥劑的阻碳酸鈣影響較??；除對第3和9兩類藥劑阻磷酸鈣有負面作用外，對其它七類均有較大的增效作用。
從這些現象可以看出，不同類型的殺菌劑對不同類型的藥劑效果影響是不相同的，但總體上看，殺菌劑對阻磷酸鈣的影響大于阻碳酸鈣。
5 結論
⑴藥劑自身濃度是顯著影響阻垢分散效果的因素之一。對阻碳酸鈣的影響與阻磷酸鈣不同，對阻磷酸鈣存在最低濃度，只有藥劑的濃度超過這個最低濃度，藥劑才有阻磷酸鈣的作用。
⑵濁度對藥劑阻垢分散效果均有不同程度的影響，但對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鐵離子對藥劑阻垢分散作用影響明顯，無論是對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殺菌劑對不同藥劑的阻垢分散效果有不同的影響，氧化型殺菌劑對多數藥劑的阻磷酸鈣有增效作用，非氧化型殺菌劑對不同類型藥劑的影響視藥劑類型而定，有增效作用，也有對抗作用。
參考文獻
[1] 梁海燕，路繽．聚合物阻垢分散劑研究進展[J]．化學工程師，2002，46(1)：40-41．
[2] 李本高，余正齊．影響循環水處理劑阻垢分散效果的主要因素[J]．工業用水與廢水．2004，31(4)：4-6．
[3] 王京．常用阻垢劑結構分析及其阻鈣垢機理研究[D]．北京石油化工科學研究院，1998．
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