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影響循環水處理劑阻垢分散效果的主要因素

近年來,不同類型的水處理劑和配方不斷涌現,為了最大限度地發揮水處理劑的作用,了解和研究水處理劑的適用條件和作用機理尤為重要。不少從事水處理技術研究和應用的技術人員對聚磷酸鹽、有機磷酸鹽和羧酸類聚合物等阻垢分散劑作過較為深入的研究,對這些阻垢分散劑的正確使用和新型阻垢分散劑的開發起到了促進作用。但是,對阻垢劑和復合緩蝕阻垢劑在使用中對阻碳酸鈣和磷酸鈣的阻垢分散性能影響因素尚缺少系統的研究,表現出同一種藥劑在不同的循環水系統或在同一個循環水系統不同的時期處理效果相差甚遠。為解釋水處理劑在實際使用中出現的一些異常現象,正確掌握水處理劑的使用條件,有必要對目前常規使用的幾種典型的水處理劑的影響因素作較為系統的研究。
    本文通過核磁共振儀(NMR)儀對國內外在中國使用的9種典型的水處理劑的主要成分進行分析,由主要成分確定藥劑類型;用靜態阻垢試驗方法研究藥劑濃度、濁度、鐵離子、鈣硬和堿度以及殺菌劑等因素對這些藥劑阻垢分散性能的影響,發現上述5個主要影響因素對不同類型藥劑的阻垢分散性能影響是不大相同的。
1試驗方法
1.1水質與藥劑
    水質:鈣硬100mg/L,堿度135mg/L。
    藥劑:水處理劑全部取自循環水現場。
1.2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。
2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。
3阻垢分散效果的影響因素
3.1藥劑濃度的影響
    藥劑濃度是影響效果的主要因素之一。表2是藥劑在各自推薦藥劑濃度范圍的阻垢分散效果。結果表明: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[4]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,因而表現出較好的阻磷酸鈣的效果。
表1 歸類樣品的主要成分
藥劑類型  主要成分
1 丙烯酸/多環芳烴磺酸鹽
2 丙烯酸/烯丙基羥丙磺酸醚
3 丙烯酸/甲基丙烯酸羥丙酯
4 聚丙烯酸/HEDP/Zn2+
5 聚丙烯酸/PBTC/Zn2+
6 聚丙烯酸/聚氧乙烯醚酸酯/Zn2+
7 丙烯酸和馬來酸酐共聚物/PBTC/Zn2+
8 丙烯酸和AMPS共聚物/HEDP/PBTC/Zn2+
9 丙烯酸和羥丙磺酸醚共聚物/HEDP/PO43-/Zn2+
表2 不同類型藥劑在不同濃度下的陰垢率 %
藥劑
類型 不同濃度時的阻垢率
 30(10) 30(10) 30(10)
 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣
1 16.2 0.0 16.8 1.2 32.6 6.0
2 51.3 6.5 55.1 90.7 69.4 93.8
3 19.8 7.7 39.0 100.0 41.2 97.9
4 76.4 2.1 78.2 4.4 79.9 7.2
5 82.3 4.9 85.7 9.1 87.6 29.6
6 83.1 39.3 85.9 38.6 86.0 39.3
7 83.6 3.4 83.7 3.3 87.1 4.5
8 87.6 27.4 93.3 93.2 94.0 95.8
9 77.8 49.7 83.0 63.8 83.5 91.1
說明:括號中的深度指第1、2、和3類藥劑深度
3.2濁度的影響
    表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10mg/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。
表3 不同濁度下藥劑的阻垢分散效果
藥劑
類型 不同濁度下的阻垢率
 0 mg/L 10mg/L 30mg/L 50mg/L
 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣
1 16.8 1.2 17.8 0.0 22.9 0.0 39.1 0.0
2 55.1 90.7 58.1 86.8 57.7 64.4 66.3 52.7
3 39.0 100.0 33.3 90.4 33.5 76.1 33.6 66.5
4 78.2 4.4 76.2 4.7 76.0 9.0 75.9 6.7
5 85.7 9.1 82.4 9.0 72.4 8.0 69.9 9.1
6 85.9 38.6 80.3 38.0 76.9 31.0 74.8 29.3
7 83.7 3.3 83.1 0.0 82.3 0.0 81.5 0.0
8 93.3 93.2 85.9 90.0 81.7 87.1 77.6 78.3
9 83.0 63.8 79.4 63.0 72.0 57.3 68.6 57.0
3.3鐵離子的影響
    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5mg/L。鐵離子對不同類型藥劑的阻垢分散效果如表4所示。表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1mg/L。
表4 鐵離子對藥劑的阻垢分散效果的影響 %
藥劑
類型 不同鐵離子含量時的阻垢率
 0 mg/L 1mg/L 3mg/L 5mg/L
 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣
1 16.8 1.2 16.3 0.0 2.4 0.0 3.0 0.0
2 55.1 90.7 31.5 0.0 21.0 0.0 8.3 0.0
3 39.0 100.0 34.8 93.2 25.6 92.6 24.1 4.0
4 78.2 4.4 78.0 4.7 78.7 5.9 75.6 6.1
5 85.7 9.1 76.4 5.9 69.3 4.0 67.8 5.0
6 85.9 38.6 76.3 38.0 44.6 32.5 37.7 23.1
7 83.7 3.3 71.6 3.6 67.0 4.1 65.3 0.0
8 93.3 93.2 91.8 87.7 89.5 87.4 87.6 66.8
9 83.0 63.8 77.0 63.0 68.7 59.9 51.7 49.8
3.4鈣硬和堿度的影響
    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。
表5 鈣硬和堿度對不同類型藥劑阻垢分散效果的影響 %
藥劑
類型 不同鈣硬和堿度水的阻垢率
 A水 B水 C水 D水
 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣
1 100.00 0.0 18.4 0.0 14.2 0.0 16.8 /
2 100.00 49.6 95.2 7.9 67.7 0.0 55.1 /
3 98.0 89.2 66.0 40.9 36.3 0.0 39.0 /
4 93.7 83.3 91.7 16.5 89.2 3.3 78.2 /
5 98.8 96.5 97.3 32.2 93.8 0.0 85.7 /
6 98.0 79.5 95.2 51.5 91.4 33.4 85.9 /
7 98.7 0.0 87.5 0.0 80.9 0.0 83.7 /
8 97.7 100.0 97.2 90.5 90.1 84.4 93.3 /
9 97.5 100.0 97.9 84.2 90.4 70.9 83.0 /
    說明:A水硬度和堿度分別為100mg/L和135mg/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270mg/L;D水硬度和堿度分別為250mg/L和250mg/L。
     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。
3.5殺菌劑的影響
    殺菌劑對緩蝕阻垢劑阻碳酸鈣和阻磷酸鈣的影響如表6所示。
表6 殺菌劑對藥劑阻垢分散效果的影響 %
藥劑
類型 不同殺菌劑時的阻垢率
 不加殺菌劑 殺菌劑1 殺菌劑2 殺菌劑3 殺菌劑4
 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣 碳酸鈣 磷酸鈣
1 16.8 1.2 15.9 2.8 16.9 1.9 9.9 2.7 13.5 2.5
2 55.1 90.7 54.5 69.8 34.4 0.7 46.8 83.9 55.6 89.6
3 39.0 100.0 34.9 93.6 44.1 0.9 36.6 98.0 37.1 96.0
4 78.2 4.4 75.4 39.5 71.6 3.2 64.7 53.3 80.8 42.9
5 85.7 9.1 77.0 25.9 83.8 4.6 80.3 42.9 81.3 24.7
6 85.9 38.6 90.5 39.5 89.3 3.2 89.9 52.9 82.3 56.5
7 83.7 3.3 83.9 5.6 86.3 2.5 65.9 4.3 82.0 4.6
8 93.3 93.2 90.1 100.0 88.8 2.5 74.1 100.0 95.2 98.8
9 83.0 63.8 60.2 73.4 78.3 4.1 76.6 79.2 69.7 55.2
    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小;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小;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碳酸鈣。
4 結 論

    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。
    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。
    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。
    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。
    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

 
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