生活飲用水阻垢劑硅磷晶阻垢性能的實(shí)驗(yàn)研究*

牛力　張鳳娥　涂保華　董良飛

（常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院　江蘇常州213100）

生活飲用水阻垢劑硅磷晶阻垢性能的實(shí)驗(yàn)研究*

牛力張鳳娥涂保華董良飛

（常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院江蘇常州213100）

采用靜態(tài)阻垢法對(duì)硅磷晶阻垢劑的阻垢性能進(jìn)行分析，通過單因素與正交試驗(yàn)探討了阻垢劑在不同加藥濃度、Ca2+濃度、溫度、pH等環(huán)境條件下的阻垢效果及最佳使用條件。結(jié)果表明：阻垢效果最佳組合為：加藥濃度2 mg/L，Ca2+濃度300 mg/L，溫度30℃，pH=8。各因素對(duì)阻垢率影響大小順序依次為：溫度＞加藥濃度＞pH＞Ca2+濃度。在此優(yōu)化組合條件下，硅磷晶阻垢率最大可達(dá)95%，用于某制藥廠生活飲用水的阻垢率可達(dá)94%，效果明顯，具有良好的阻垢性能。

硅磷晶 阻垢率 影響因素 最佳組合

0　引言

在生產(chǎn)生活中，水垢的大量形成可能會(huì)造成水管道及用水設(shè)備的阻塞。在一些熱交換設(shè)備與管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行中，會(huì)影響其正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生爆炸。另外，水垢的積聚會(huì)誘發(fā)垢下的局部腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)蝕和坑蝕，從而加速管道設(shè)備的腐蝕穿孔。通常，采用水的離子軟化處理能夠解決結(jié)垢問題，但費(fèi)用較高。投加阻垢劑仍然是解決問題的首選。

在應(yīng)用當(dāng)中，阻垢劑往往因使用環(huán)境不同，不能最大化的發(fā)揮其阻垢效率。加藥濃度、pH等條件控制不當(dāng)，可能造成成本增加，甚至影響到出水水質(zhì)。另外，應(yīng)用于工業(yè)給水系統(tǒng)的阻垢劑又往往不能直接用來處理公共建筑與生活飲用水。硅磷晶是一種新型、廉價(jià)且對(duì)人體無害的晶體型固體阻垢劑，可以在工業(yè)與生活給水系統(tǒng)中廣泛使用。為了在不同環(huán)境條件下最大化地發(fā)揮硅磷晶的阻垢作用，有效延長(zhǎng)工業(yè)及建筑管道設(shè)備的使用壽命，降低生產(chǎn)和藥劑的使用成本，擬采用靜態(tài)阻垢法，在不同影響因素條件下對(duì)硅磷晶的阻垢性能進(jìn)行研究。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)試劑

硅磷晶：Power Phos，分子式：Na［Na4（PO3）6］、氫氧化鉀、硼砂緩沖溶液、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）、鹽酸、碳酸氫鈉、鈣一羧酸指示劑。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

FA2004B電子分析天平、HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋、PHSJ-4F型pH計(jì)。

1.3實(shí)驗(yàn)水樣

（1）阻垢性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)溶液。在500 mL容量瓶中加入120 mg/L的氯化鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 mL含有6.0 mg Ca2+）和350 mg/L的碳酸氫鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 mL含有18.3 mg HCO-3），配制得到Ca2+濃度為240 mg/L，HCO-3濃度為700 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

（2）取自某市制藥廠2014年生活飲用水水樣，水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1　某市制藥廠生活飲用水水質(zhì)指標(biāo)

1.4阻垢率測(cè)定方法

依據(jù)GB/T 166—2008《水處理劑阻垢性能的測(cè)定-碳酸鈣沉積法》制備實(shí)驗(yàn)水樣并投加一定濃度的阻垢劑 ，同時(shí)做空白水樣。將實(shí)驗(yàn)水樣與空白水樣侵入30℃恒溫水浴中，放置10 h，實(shí)驗(yàn)過程中定時(shí)添加蒸餾水以保持水樣體積不變。待冷卻至室溫后過濾并取濾液25 mL，加水50 mL、氫氧化鉀5 mL、鈣-羧酸指示劑0.1 g，在pH=8.5左右用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定溶液由紫紅色變?yōu)榱了{(lán)色為終點(diǎn) ，阻垢率計(jì)算如下：

式中，η為水處理劑阻垢率；X為加入水處理劑的水樣試驗(yàn)后的鈣離子（Ca2+）濃度，mg/mL；X0為未加水處理劑的空白水樣試驗(yàn)后的鈣離子（Ca2+）濃度，mg/mL；0.24為試驗(yàn)前配制好的水樣中鈣離子（Ca2+）濃度，mg/mL。

1.5實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)1.4節(jié)阻垢率測(cè)定方法，在原實(shí)驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，分別改變加藥濃度、Ca2+濃度、溫度、pH等條件，分析各因素對(duì)硅磷晶阻垢率的影響。

2　結(jié)果與討論

2.1加藥濃度對(duì)阻垢率的影響

依據(jù)1.5節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法，改變水樣的加藥濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，阻垢率與阻垢劑濃度關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1　阻垢劑濃度對(duì)阻垢率的影響

由圖1可知，當(dāng)阻垢劑濃度為2.5 mg/L時(shí)，阻垢率可達(dá)94%；之后隨阻垢劑濃度的增大，阻垢率趨于平穩(wěn)，濃度在2.5～6.5 mg/L之間時(shí)，阻垢率均能達(dá)到85%以上，這是由于微量的聚磷酸鹽長(zhǎng)鏈陰離子可以吸附在微小的碳酸鹽晶粒上，與其中的CO2-3進(jìn)行離子置換，抑制碳酸鈣垢的生成，微量的聚磷酸鹽就能阻止CaCO3的沉淀析出，即聚磷酸鹽的“溶限效應(yīng)”。

2.2Ca2+濃度對(duì)阻垢率的影響

依2.1節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，選取阻垢劑最佳用量2.5 mg/L，測(cè)定不同Ca2+濃度對(duì)阻垢率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2　Ca2+濃度對(duì)阻垢率的影響

由圖2可以看出，在Ca2+濃度為300 mg/L時(shí)，阻垢率最大可達(dá)91%。Ca2+濃度小于300 mg/L時(shí)，阻垢率隨Ca2+濃度的增加而增大，這是因?yàn)楣枇拙У闹饕煞忠种坪透蓴_了CaCO3晶體的形成，從而有效降低其形成速度。而在Ca2+濃度大于300 mg/L時(shí)，隨著Ca2+濃度增大，阻垢率開始下降，說明阻垢劑Ca2+的絡(luò)合以及分散能力是有一定限度的；當(dāng)Ca2+濃度為500 mg/L時(shí)，阻垢率仍能達(dá)到80%左右，可見硅磷晶阻垢劑可適用于硬度較高的水質(zhì)。

2.3溫度對(duì)阻垢率的影響

依照1.5節(jié)的試驗(yàn)方法，僅改變實(shí)驗(yàn)溫度，測(cè)定溫度對(duì)硅磷晶阻垢率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3　溫度對(duì)阻垢率的影響

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，硅磷晶阻垢劑在溫度高于60℃時(shí)易碎裂，因此不適用于蒸汽鍋爐等高溫條件下的阻垢。由圖3可以看出，在30℃時(shí)阻垢率最大為92%，20～50℃時(shí)阻垢率均達(dá)到80%以上。阻垢率隨溫度的升高先增大后減小，這是由于高溫會(huì)使聚磷酸鹽在水中離解出的-O-P-O-P-鏈斷裂，失去了置換CO2-3離子的能力，且高溫會(huì)使聚磷酸鹽水解成正磷酸鹽，從而大大降低了阻垢劑的利用率和阻垢效率。

2.4pH對(duì)阻垢率的影響

圖4　pH對(duì)阻垢率的影響

依照1.5節(jié)的試驗(yàn)方法，僅改變水樣pH，測(cè)定pH對(duì)硅磷晶阻垢率的影響，結(jié)果如圖4所示。95%。但當(dāng)pH＞9時(shí)，阻垢率迅速下降。原因可能是此時(shí)溶液中OH-的濃度顯著增加，從而H+濃度減少 ，由于反應(yīng)溶液中存在HCO-3水解平衡，其大量水解促進(jìn)了CaCO3的大量生成，導(dǎo)致相應(yīng)的阻垢率大大減小。因此，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，硅磷晶在pH =7～9的中性及弱堿性水質(zhì)中阻垢效果較好。

2.5正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)硅磷晶阻垢率單因素實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果，設(shè)計(jì)了L9（34）（4因素3水平）的正交試驗(yàn)對(duì)阻垢率最佳條件進(jìn)行了探索。其中，加藥濃度選擇2 mg/L、2.5 mg/L、3 mg/L，Ca2+濃度選擇200 mg/L、300 mg/ L、400 mg/L，溫度選擇20℃、30℃、40℃，pH選擇7、8、9，具體實(shí)驗(yàn)因素及水平的設(shè)計(jì)見表2。

表2　硅磷晶阻垢率影響因素正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由圖4可以看出，隨著pH的增大，阻垢率先增大 ，后迅速下降 。在pH=8時(shí)阻垢率最高可達(dá)

按照1.4節(jié)的方法測(cè)定硅磷晶的阻垢率，試液中Ca2+濃度為240 mg/L，HCO-3濃度為700 mg/L，反應(yīng)時(shí)間為10 h。并做獨(dú)立重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)做兩組平行樣，取阻垢率平均值，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3　硅磷晶阻垢率影響因素正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，阻垢效果最佳的組合為：加藥濃度2 mg/L，Ca2+濃度300 mg/L，溫度30℃，pH= 8。根據(jù)極差分析表明，各因素對(duì)阻垢率影響從大到小依次為：溫度＞加藥濃度＞pH＞鈣離子濃度。在此優(yōu)化組合條件下，硅磷晶阻垢率最大可達(dá)95%。

2.6取樣實(shí)驗(yàn)

取自某市制藥廠2014年6月及12月生活飲用水水樣（見表1），根據(jù)正交試驗(yàn)得出的阻垢效果最佳組合，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行阻垢率的測(cè)定 ，實(shí)驗(yàn)方法同1.4節(jié)。由結(jié)果可知：6月水樣阻垢率為94%，12月水樣阻垢率為93%，阻垢效果顯著。而在實(shí)際生活與生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)具體的水質(zhì)條件及水處理量，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整硅磷晶加藥濃度，以達(dá)到最好的阻垢效果。

3　結(jié)論

（1）硅磷晶適用于pH=7～9的中性及弱堿性環(huán)境，加藥濃度在2～3 mg/L時(shí)阻垢率均在90%以上。Ca2+濃度為200～500 mg/L的較高硬度水中，硅磷晶阻垢率能達(dá)到80%以上。阻垢率的變化受溫度影響較大，30℃時(shí)阻垢率最大為92%。

（2）各因素對(duì)硅磷晶阻垢率影響從大到小依次為：溫度＞加藥濃度＞pH＞鈣離子濃度。阻垢效果最佳的組合為：加藥濃度2 mg/L，Ca2+濃度300 mg/ L，溫度30℃，pH=8。在此優(yōu)化組合條件下，硅磷晶阻垢率最大可達(dá)95%。

（3）取樣實(shí)驗(yàn)阻垢率可達(dá)94%，阻垢效果明顯。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)水處理量及水質(zhì)條件合理調(diào)整加藥濃度。

Experimental Study on Drinking Water Inhibitor Power Phos Scale Performance

NIU Li ZHANG Fenge TU Baohua DONG Liangfei
（School of Environmental and Safety Engineering，Changzhou University Changzhou，Jiangsu 213100）

The scale property of Power Phos scale inhibitor is studied by static scale method.Single factor and orthogonal experiments are carried outto discuss the effects of Power Phos dosing atdifferent concentrations，Ca2+concentration，temperature，pH and other environmental conditions and the bestconditions.The results show that the bestcombination of scale effects should be：drug concentration 2 mg/L，Ca2+concentration of 300 mg/L，temperature 30℃and pH=8.The impactof various factors on the size of the inhibition rate follows：temperature＞dosing concentration＞pH＞Ca2+concentration.Under this optimal combination of conditions，the Power Phos inhibition rate can be up to 95%.When it is used in a pharmaceutical plant，the inhibition rate of drinking water will reach up to 94%，the effect is obvious and it has good scale performance.

Power Phos scale inhibition rate influence factors best combination

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2012ZX07301-005）。

牛力 ，男，碩士，從事水污染控制方面研究。

（2015-09-15）