水處理藥劑種類及其研究現(xiàn)狀與發(fā)展概述

(河北中科永和檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，河北 石家莊 050036)

本文所述水處理藥劑是指為了工業(yè)生活污水廢水進(jìn)行處理使其達(dá)到一定質(zhì)量要求所加入的化學(xué)試劑，根據(jù)不同的目的和作用，水處理藥劑包括：阻垢劑、緩蝕劑、殺菌劑、絮凝劑、離子交換劑、清洗劑、預(yù)膜劑、消泡劑和示蹤藥劑等多種不同類型的產(chǎn)品。本文分別對(duì)水處理藥劑的作用、分類和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，并對(duì)其今后的研發(fā)方向進(jìn)行了展望。

1 阻垢劑

1.1 阻垢劑的種類

阻垢劑有多種多樣，一般按照阻垢劑研究的發(fā)展歷程和阻垢劑分子中的官能團(tuán)進(jìn)行分類，主要分為以下四大類：①天然聚合物阻垢劑，②含磷聚合物阻垢劑，③共聚物阻垢劑，④綠色新型阻垢劑。其種類、舉例及優(yōu)缺點(diǎn)說(shuō)明如表1所示。

1.2 阻垢劑的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

由表1的內(nèi)容可知，目前天然聚合物阻垢劑的使用已經(jīng)淘汰，而國(guó)內(nèi)在上世紀(jì)九十年代以前，研究重點(diǎn)為含磷聚合物阻垢劑，在這之后以共聚物阻垢劑為主。馬志等采用硫酸銨作為引發(fā)劑，在水作溶劑的條件下合成出了AA/MA/AMPS三元共聚物；荊國(guó)華等同樣在水作溶劑的條件下以過(guò)氧化物為引發(fā)劑合成出了MA/AMPS/AMPP三元共聚物；孫哲等以同樣方式采用過(guò)硫酸銨和次磷酸鹽作為引發(fā)劑，合成出了MA/AMPS/AA/POCA共聚物，該共聚物有較好的阻鈣結(jié)垢性能和一定的緩釋性；夏明珠等以AA、AMPS等為原料，合成出了一種膦基-羧基-磺酸基共聚物，該共聚物對(duì)碳酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽、硅酸鹽和鋅鹽等的沉積具有很好的阻垢效果，并且具有良好的分散性。

表1 阻垢劑種類及特點(diǎn)

由于磷元素能夠造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，開(kāi)發(fā)非磷或低磷、非氮和可降解的綠色阻垢劑已經(jīng)成為工業(yè)上水處理行業(yè)的研究方向。復(fù)合配方的阻垢劑要比單一組成的藥劑具有更好的阻垢性能，可通過(guò)開(kāi)發(fā)此類型阻垢劑來(lái)彌補(bǔ)單一藥劑的缺憾。

以任桂蘭等合成出的馬來(lái)酸酐/丙烯酸/氮川三甲叉膦酸共聚物阻垢產(chǎn)品為例，其生產(chǎn)過(guò)程采用一步合成，無(wú)需氮保，過(guò)程中無(wú)有害物質(zhì)排放。該阻垢劑產(chǎn)品具有良好的緩蝕性、阻垢性、耐高溫性、分散性、穩(wěn)定性、含磷低、無(wú)污染、復(fù)配性等優(yōu)點(diǎn)，適用于高堿、高硬、高pH水環(huán)境中，可以替代目前使用的氮川三甲叉膦酸阻垢劑。

2 緩蝕劑

2.1 緩蝕劑的種類

緩蝕劑的分類方法有很多，除了以緩蝕劑自身的化學(xué)組成分為無(wú)機(jī)和有機(jī)緩蝕劑外，也可根據(jù)上述緩蝕機(jī)理進(jìn)行分類，如根據(jù)電化腐蝕控制部位和保護(hù)膜類型進(jìn)行的分類。詳細(xì)的緩蝕劑分類及其舉例和主要用途如表2所示。

表2 緩蝕劑分類及用途

2.2 緩蝕劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

近些年來(lái)隨著有機(jī)合成技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)工作者們?cè)O(shè)計(jì)合成出很多新型結(jié)構(gòu)的低聚物、縮聚物型緩蝕劑，不僅毒性低，緩蝕效果也很好，已成功應(yīng)用于機(jī)械內(nèi)腔、精密刀具、汽車零件等領(lǐng)域。

今后緩蝕劑領(lǐng)域的研究重點(diǎn)應(yīng)是探索從植物、海水生物中分離提取和加工出新型緩蝕劑的有效成分；利用醫(yī)藥、食品和工農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品提取緩蝕劑有效成分，并進(jìn)行復(fù)配或改性；以及運(yùn)用量子化學(xué)理論進(jìn)行高效多功能環(huán)保型和低聚型緩蝕劑的合成。

3 殺菌劑

3.1 殺菌劑的種類

殺菌劑按藥劑的化學(xué)組成不同可分為氧化性殺菌劑和非氧化性殺菌劑兩大類，不同殺菌劑具有不同特點(diǎn)(詳見(jiàn)表3)。

3.2 殺菌劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

正如表3所示，水處理殺菌劑的種類多，殺菌機(jī)理、效果和用途也各不相同，甚至一些殺菌劑的作用機(jī)理還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。河北科技大學(xué)王奎濤課題組在二氧化氯作殺菌劑方面有較深入的研究，他們向現(xiàn)有殺菌劑中添加適宜表面活性劑來(lái)改進(jìn)殺菌效果和殺菌劑綜合性能，二氧化氯也已經(jīng)被世衛(wèi)組織定性為SI級(jí)安全、廣譜、高效的殺菌劑，具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

今后水處理殺菌劑領(lǐng)域的發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)具備廣譜、高效、低毒、環(huán)保、性價(jià)比高等特點(diǎn)的水處理殺菌劑。合理解決環(huán)境安全和殺菌效果之間存在的矛盾問(wèn)題是該行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。目前，不溶性高分子固化類殺菌劑的研發(fā)成為熱潮，并同時(shí)開(kāi)發(fā)具有協(xié)同作用的復(fù)配型殺菌劑。此外，新型綠色環(huán)保替代品是今后開(kāi)發(fā)的方向。

表3 殺菌劑種類及優(yōu)缺點(diǎn)

4 絮凝劑

4.1 絮凝劑的種類

絮凝劑根據(jù)其組成不同主要分為以下四類：①無(wú)機(jī)絮凝劑，②有機(jī)高分子絮凝劑，③微生物絮凝劑，④復(fù)合絮凝劑。不同種類的絮凝劑范疇中又有具體的種類繁多的研究，詳見(jiàn)表4所示。

4.2 絮凝劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

除了表4中給出的各種絮凝劑研究種類和產(chǎn)品之外，河北勝爾邦環(huán)?？萍加邢薰军h酉勝博士團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的三元復(fù)合型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑——YS系列高效絮凝劑，作為凈水劑其生產(chǎn)工藝為國(guó)內(nèi)前沿，為高新科技產(chǎn)品，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該絮凝劑產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，是傳統(tǒng)絮凝劑最適宜的更新?lián)Q代品。

對(duì)于絮凝劑的研究，今后的發(fā)展方向重點(diǎn)有如下兩方面：第一，微生物絮凝劑以其獨(dú)特的生物優(yōu)勢(shì)具有廣闊開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景，找尋廉價(jià)易得的絮凝劑產(chǎn)生菌培養(yǎng)底物，以期降低絮凝劑的生產(chǎn)成本；第二，在考慮成本的前提下，加大復(fù)合絮凝劑的應(yīng)用推廣力度，開(kāi)展低毒、無(wú)毒、高生態(tài)安全復(fù)合絮凝劑的研究，減少二次污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

表4 絮凝劑種類及產(chǎn)品列舉

5 離子交換劑

離子交換劑主要分為無(wú)機(jī)的和有機(jī)的離子交換劑，無(wú)機(jī)離子交換劑研究較早，而目前研究和使用較多的是有機(jī)離子交換劑，大多為合成樹(shù)脂，帶有能夠交換離子的活性基團(tuán)(官能團(tuán))，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于不溶性高分子化合物，通常呈球形顆粒狀，使用后可再生。離子交換劑的分類如表5所示。

表5 離子交換劑分類及舉例

離子交換樹(shù)脂在今后發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題是其強(qiáng)度與壽命的研究，以期開(kāi)發(fā)出成本低、耐用性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能耐反復(fù)再生的產(chǎn)品。

6 清洗劑

清洗劑種類繁多，首先可根據(jù)其組成物質(zhì)分為無(wú)機(jī)清洗劑和有機(jī)清洗劑兩大類。而根據(jù)所針對(duì)的設(shè)備材質(zhì)不同和具體污垢不同，清洗劑又分為：酸洗劑、氨洗劑、堿洗劑和溶劑型清洗劑四類。

酸洗劑一般包括鹽酸、硫酸、氨基磺酸、氫氟酸、檸檬酸、羥基醋酸、甲酸、草酸、乙二胺四醋酸等，越強(qiáng)的酸對(duì)水垢的溶解效果就越好，但要考慮對(duì)設(shè)備的損傷。氨洗劑通常選用1～3%的氨水，通常還要向其中加入過(guò)硫酸銨、過(guò)碳酸銨、亞硝酸鈉等氧化劑配合使用，以提高氨洗效率。堿洗劑通常包括苛性鈉、純堿、磷酸鈉、亞硫酸鈉、聯(lián)氨等，同樣的，為了提高堿洗效率往往需要再加入一定量表面活性劑和雙氧水。溶劑型清洗劑以前多采用汽油，現(xiàn)在改為有機(jī)氯化物、有機(jī)氟化物，此類清洗劑操作方便，穩(wěn)定性好，可循環(huán)使用。

7 預(yù)膜劑

預(yù)膜處理是使碳鋼等金屬設(shè)備表面免遭腐蝕的重要手段之一。目前生產(chǎn)和使用較多的預(yù)膜劑主要有：聚磷酸鹽/鋅鹽預(yù)膜劑、有機(jī)清洗預(yù)膜劑、表面活性劑-聚磷酸鹽清洗預(yù)膜劑等。預(yù)膜劑使用后，設(shè)備在正常操作過(guò)程中應(yīng)伴隨使用緩蝕劑，這樣可起到維持、修補(bǔ)保護(hù)膜，節(jié)約藥劑費(fèi)用的作用。

8 消泡劑

8.1 消泡劑的分類

消泡劑有油型、溶液型、乳液型、粉末型和復(fù)合型幾種，各種消泡劑均應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①消泡作用強(qiáng)，用量少；②不改變加入體系的基本性質(zhì)；③表面張力小；④與表面的平衡性好；⑤擴(kuò)散和滲透性好；⑥耐熱性好；⑦化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易氧化；⑧氣體溶解和透過(guò)性好；⑨在起泡性溶液中溶解度?。虎鉄o(wú)生理活性，安全性高。同時(shí)具備上述十余種特性的消泡劑是不存在的，一種消泡劑只能對(duì)特定一種或幾種體系起作用。各種消泡劑及使用領(lǐng)域如表6所示。

8.2 消泡劑的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

聚醚類改性硅油消泡劑在國(guó)內(nèi)仍處于研發(fā)階段，產(chǎn)品稀缺。此種消泡劑可迅速溶解于水中，既可以單獨(dú)使用，又可以與其它水處理劑復(fù)配使用。聚醚類消泡劑穩(wěn)定性好，不易發(fā)生破乳漂油現(xiàn)象，不產(chǎn)生沉淀，是消泡劑領(lǐng)域的新品種，亦是消泡劑研發(fā)的方向。

9 示蹤藥劑

示蹤藥劑(tracer agent)是為了觀測(cè)和研究某物質(zhì)在特定過(guò)程中行蹤和性質(zhì)而加入的一種標(biāo)記物質(zhì)，該標(biāo)記物應(yīng)在過(guò)程中與被示劑物完全相同或差別極小，對(duì)體系不產(chǎn)生顯著影響，且容易被探測(cè)。示蹤劑的使用可對(duì)處理后的水質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)水處理系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)與控制，具有很好的應(yīng)用前景。

10 展 望

水處理藥劑的種類繁多，產(chǎn)品各異，雖然目前來(lái)看我國(guó)水處理藥劑行業(yè)與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距，但外國(guó)水處理研發(fā)與市場(chǎng)趨于飽和的現(xiàn)狀也是我國(guó)在該方面研究和發(fā)展的機(jī)遇，相信我國(guó)水處理藥劑在研發(fā)和市場(chǎng)方面在面對(duì)巨大挑戰(zhàn)同時(shí)一定會(huì)有更大的進(jìn)展。

表6 消泡劑種類及用途