羧酸基型阻垢劑在紡織廠空調噴淋水系統(tǒng)中的性能研究

馬婧潔 顏蘇芊 苗苗 楊進崗

摘 要：針對紡織廠噴淋水的水質特點，自主合成羧酸基型阻垢劑，并研究其在紡織廠空調噴淋水系統(tǒng)的實際性能。采用電鏡掃描和模擬噴淋水系統(tǒng)的方法，發(fā)現(xiàn)該阻垢劑有較大的比表面積，在與垢體發(fā)生碰撞時能夠進行較好的物理化學吸附，阻礙垢體的形成;當投加的阻垢劑質量濃度為5 mg/L時，其動態(tài)性能達到最佳，隨著運行時間增長，噴淋水的水質總硬度有所上升，后趨于穩(wěn)定，鈣硬度先上升后小幅下降，總堿度、電導率在運行初期，呈現(xiàn)急劇上升趨勢，后較穩(wěn)定，pH值隨運行時間上下起伏;對比常用的yc2655型阻垢劑，該阻垢劑能有效控制噴淋水的總堿度和電導率，避免發(fā)生腐蝕。

關鍵詞：紡織廠;噴淋水;阻垢劑;動態(tài)性能;硬度

Abstract：Based on the water quality characteristics of spray water in textile mills， carboxylic acid scale inhibitors were synthesized， and their practical performances in air conditioning spray water system in textile mills were studied. Studies with scanning electron microscopy and simulating spray water system showed that the scale inhibitor had a large specific surface area， and performed well in physical and chemical adsorption at the time of colliding with scale to hinder the formation of scale. The scale inhibitor could achieve the best dynamic performance if the mass concentration reached 5 mg/L. The total hardness of spray water increased with the passage of time， and then tended to be stable. Calcium hardness increased first and then decreased slightly. Total alkalinity and conductivity increased sharply at the beginning of operation， and then tended to stabilize. pH value fluctuated during operation. Compared with common yc2655 scale inhibitor， the synthesized scale inhibitor can control the total alkalinity and conductivity of spray water effectively， and avoid corrosion.

Key words：textile mill; spray water; scale inhibitor; dynamic performance; hardness

紡織行業(yè)屬于一個高能耗的行業(yè)，其生產成本日漸提高，導致企業(yè)利潤嚴重下降[1]。其中空調能耗占紡織企業(yè)的動力消耗比重相當大，其設備用電量約占企業(yè)總用電量的20%～30%，用水量更高，甚至占到了總用水量的60%～70%[2]。紡織空調中的噴淋水系統(tǒng)，在長期循環(huán)使用的過程中，噴淋水中的各種離子和礦物質濃度增加，且水中帶有飛花、短纖維等，常常會引起管路、設備結垢和腐蝕等問題，使得噴淋水系統(tǒng)運行效率下降，嚴重時還會導致生產事故的發(fā)生，給企業(yè)帶來損失[3-4]。

目前國內對紡織空調噴淋水系統(tǒng)進行治理，一般采用轉籠過濾器和砂石過濾水池，能夠去除水中的大顆粒物及飛花纖維等，但對于一些易導致結垢和腐蝕問題的離子，還需通過化學方法進行處理。通過對國內外研究現(xiàn)狀的了解，投加阻垢劑的方法可有效實現(xiàn)對紡織噴淋水的處理，解決噴淋水的水質問題，從而獲得適合車間需求的生產用水[5-8]。

本研究對自主研發(fā)的羧酸基型阻垢劑進行表征說明，將該阻垢劑投加于咸陽地區(qū)紡織廠空調噴淋水中，通過測定總硬度、鈣硬度、總堿度、電導率及pH值，對該阻垢劑的動態(tài)性能作出評價，并與常用的yc2655型阻垢劑對比分析，為解決噴淋水系統(tǒng)的結垢、腐蝕問題提供參考。

1 羧酸基型阻垢劑的合成與表征

1.1 羧酸基型阻垢劑的合成

根據(jù)紡織廠噴淋水的特點，通過自由基溶液共聚合反應合成含有羧酸基、磺酸基、羥基、酯基的共聚物阻垢劑，即羧酸基型阻垢劑。羧酸基型阻垢劑的合成步驟如下：

a）將13.01 g衣康酸、4.12 g烯丙基磺酸鈉、2.8 mL甲基丙烯酸羥乙酯、2.01 g叔丁醇，于200 mL蒸餾水中溶解，置于三口燒瓶中;

b）稱取過硫酸銨于100 mL蒸餾水中溶解，置于恒壓滴液漏斗中;

c）開啟恒溫水浴，升溫至90 ℃，打開磁力攪拌器加入轉子，當溫度達到90 ℃時，架上回流冷凝管，恒溫勻速滴加過硫酸銨，控制滴加速度，在2 h內滴完;

d）滴加完畢后使反應釜中物料維持溫度在90 ℃，保溫2 h;

e）冷卻至室溫后出料，制得淡黃色的透明液體，即為羧酸基型阻垢劑溶液。

1.2 羧酸基型阻垢劑的表征

就阻垢劑而言，含磷阻垢劑的使用由于磷的存在而受到了一定限制，聚天冬氨酸作為一種環(huán)境友好型綠色阻垢劑，其合成成本高且制作工藝復雜，綜合使用性不高。因此，對提純后呈白色粉末狀的羧酸基型阻垢劑進行電鏡掃描，如圖1所示。

由圖1可以看出，羧酸基型阻垢劑的比表面積較大，有利于阻垢劑充分、完全地吸附在垢體上，使得在微晶表面形成雙電子層且?guī)в胸撾姾?。隨著微晶表面負電荷密度的增大，使得微晶粒子間的排斥力變大，能夠減少微晶間的碰撞，阻礙垢體的形成。

為進一步說明羧酸基型阻垢劑的效果，對咸陽某紡織廠噴淋水系統(tǒng)中管壁上的垢體進行采樣，圖2、圖3分別為加入阻垢劑前、后垢體的SEM圖。

圖2中，未加入羧酸基型阻垢劑的垢體表面光滑完整，主要是因晶體在生長過程中按照一定的晶格排列，使其呈立方體結構，且結構致密、堅硬。圖3中，加入羧酸基型阻垢劑后的垢體結構發(fā)生了破壞，因晶體的生長受到了阻垢劑的嚴重干擾，發(fā)生了畸變，呈畸形扭曲的狀態(tài)且質地較為疏散。由于羧酸基型阻垢劑能夠吸附在垢體上，致使結垢晶體間的排斥力變大，無法形成致密、堅硬的垢層，破壞晶體的生長速度，降低了垢體生成的概率。同時，羧酸基型阻垢劑能與成垢離子相結合，形成較為穩(wěn)定的螯合物，并且增大成垢鹽類的溶解度，將成垢離子穩(wěn)定在水中，避免形成垢體。

2 實驗臺的搭建

紡織空調系統(tǒng)主要由風窗、風機、噴水室、風道等設備組成，其中，噴水室又稱噴淋室，具體工作流程為：空氣依次進入一級噴淋室和兩級噴淋室，冷水則先進入兩級噴淋室，從兩級噴淋室水池中抽出后，進入一級噴淋室完成噴淋。另外，噴水方式大多采用雙排對噴形式，水霧覆蓋斷面較大，即增大空氣與水的接觸時間，提高換熱效率。

根據(jù)紡織噴淋水系統(tǒng)的構成及工作原理，準備管材、水泵及塑料膜等搭建實驗臺，進行噴淋水的循環(huán)模擬，如圖4所示。

實驗臺由一個容積為45 L的水箱、一臺潛水泵、噴淋排管、一個噴嘴、支架及塑料膜組成。其中，水泵參數(shù)為：功率0.37 kW，揚程20 m，流量5 m3/h，管網(wǎng)均采用UPVC材料管道，內徑為Φ40，噴嘴采用孔徑5 mm、噴水量0.5 m3/h的靶式撞擊流噴嘴。

3 動態(tài)性能的分析

對咸陽地區(qū)紡織廠噴淋水取樣，通過實驗臺模擬噴淋水系統(tǒng)的循環(huán)，探究羧酸基型阻垢劑的動態(tài)性能。根據(jù)實驗臺水箱容積及噴嘴噴水量，計算得到循環(huán)周期為5.4 min，連續(xù)實驗10 d，期間進行阻垢劑質量濃度的調節(jié)（0、1、3、5、7、9 mg/L）。

參照GB/T 29044—2012《采暖空調系統(tǒng)水質》中對循環(huán)水系統(tǒng)水質的要求，選擇總硬度、鈣硬度、總堿度、電導率、pH值5項指標作為關鍵性指標，來較全面地反映噴淋水的水質問題，表1為各指標的規(guī)范值。

3.1 總硬度

水硬度是表明水質情況的一個重要指標，總硬度指水中鈣、鎂等離子的總濃度，硬度與紡織空調噴淋水系統(tǒng)的運行有關，是形成水垢及影響空調噴淋效果的主要因素，不同運行時間下噴淋水總硬度變化如圖5所示。

投加羧酸基型阻垢劑后，噴淋水的總硬度隨運行時間呈現(xiàn)波動變化，整體上先小幅增長，后趨于穩(wěn)定。由于運行時間的累積，羧酸基型阻垢劑與噴淋水的螯合作用不斷加強，在運行過程中釋放出游離態(tài)的結垢離子，易達到阻垢的效果，因此使得總硬度上升。當阻垢劑與噴淋水充分反應完畢，總硬度不再上升，基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)。當阻垢劑投加質量濃度為5 mg/L時，噴淋水的總硬度達到最大，此時阻垢劑的性能最好。

3.2 鈣硬度

鈣硬度指水中鈣離子的含量，與紡織空調噴淋水系統(tǒng)的運行有關，是形成水垢及影響空調噴淋效果的主要因素，不同運行時間下噴淋水鈣硬度變化如圖6所示。

噴淋水鈣硬度先上升后小幅下降，阻垢劑與噴淋水的螯合作用先增強后減弱，釋放出的鈣離子的數(shù)量慢慢減少，當鈣硬度增長到一定程度后阻垢作用失效，鈣硬度下降。阻垢劑投加質量濃度為5 mg/L時，噴淋水的鈣硬度變化大于其他情況，表明該質量濃度下羧酸基型阻垢劑對噴淋水的阻垢效果更好，能在噴淋水系統(tǒng)運行過程中分散、釋放更多的鈣離子，以達到阻止鈣垢的形成。

3.3 總堿度

總堿度反映的是水中能與酸發(fā)生反應的物質的量，例如氫氧根、碳酸鹽、重碳酸鹽及一些弱酸鹽類和氨等，水中常見的堿性物質，都能與酸反應，能夠表明水系統(tǒng)的結垢傾向，同時也可作為輔助指標，反映設備、管道等的腐蝕情況，不同運行時間下噴淋水總堿度變化如圖7所示。

噴淋水的總堿度在整體上隨著時間的增長呈現(xiàn)變化，前3 d的上升速率較快，后趨于平穩(wěn)狀態(tài)，有小幅波動。隨著投加質量濃度的增大，總堿度有所上升，在達到5 mg/L時，總堿度得到一定控制，隨著阻垢劑與噴淋水的充分反應，總堿度有所上升?？偟膩碚f，羧酸基型阻垢劑對噴淋水總堿度的影響較大，阻垢劑與噴淋水的反應，使得總堿度在整個運行過程中一直符合規(guī)范。

3.4 電導率

電導率反映了水中含鹽量的多少，是水的純凈程度的一個重要指標，當水中有沉淀析出即結垢現(xiàn)象嚴重時，電導率值會急劇下降。同時，電導率的大小與腐蝕性息息相關，電導率越大，腐蝕性越強，不同運行時間下噴淋水電導率變化如圖8所示。

噴淋水的電導率隨時間發(fā)生變化，運行初期呈現(xiàn)大幅增長的趨勢，中后期電導率基本趨于穩(wěn)定，有小幅波動。在阻垢劑投加質量濃度為5 mg/L時，噴淋水電導率小于其他質量濃度，電導率在一定程度上得到了控制，不再大幅上升，基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)。

3.5 pH值

pH值（也稱氫離子濃度指數(shù)）反映水溶液酸堿性的強弱，可作為紡織空調噴淋水系統(tǒng)中腐蝕程度的一個指標，不同運行時間下噴淋水pH值變化如圖9所示。

投加羧酸基型阻垢劑后，噴淋水的pH值隨著噴淋水的不斷蒸發(fā)濃縮有小幅增長，并且隨著阻垢 劑投加質量濃度的增加而上升。投加阻垢劑后，pH值在循環(huán)過程中始終符合規(guī)范。

4 與常用阻垢劑的對比分析

目前紡織企業(yè)常用yc2655型阻垢劑改善空調噴淋水水質，將羧酸基型阻垢劑與yc2655型阻垢劑進行對比實驗。當阻垢劑投加質量濃度為5 mg/L時，噴淋水水質趨于穩(wěn)定時的各項指標如表2所示。

當噴淋水水質趨于穩(wěn)定時，投加了羧酸基型阻垢劑的噴淋水總硬度和鈣硬度均大于投加了yc2655型阻垢劑的噴淋水，說明羧酸基型阻垢劑能在噴淋水系統(tǒng)運行過程中分散、釋放更多的結垢離子，以達到阻止水垢形成的目的。與此同時，噴淋水的總堿度和電導率有小幅上漲，但均符合表1中有關規(guī)范標準，而投加了yc2655型阻垢劑的噴淋水的總堿度和電導率高于規(guī)范值，引發(fā)或加重管道及設備的腐蝕可能性增大。

5 結 論

通過對自主研發(fā)的羧酸基型阻垢劑進行表征分析，并搭建實驗臺探究其在紡織噴淋水系統(tǒng)運行的動態(tài)性能，得到如下結論：

a）該阻垢劑有較大的比表面積，在與垢體發(fā)生碰撞時能夠較好進行物理化學吸附及改變垢體的結構形態(tài)，從而抑制垢體的生長、沉積，具有良好的阻垢性能，且其合成成本較低，具有一定優(yōu)勢。

b）探究不同投加量下羧酸基型阻垢劑的動態(tài)性能，當羧酸基型阻垢劑質量濃度為5 mg/L時，阻垢劑動態(tài)性能最佳，噴淋水水質得到較大改善。

c）投加羧酸基型阻垢劑后的一段時間內，噴淋水總硬度有所上升，后趨于穩(wěn)定;鈣硬度先上升后小幅下降;總堿度、電導率在運行初期呈現(xiàn)急劇上升趨勢，后較穩(wěn)定;pH值隨運行時間上下波動。

d）相比較于市面上常見的yc2655型阻垢劑，羧酸基型阻垢劑的阻垢效果更加顯著，而且能將噴淋水的總堿度、電導率控制在規(guī)范標準內，避免發(fā)生管道及設備的腐蝕問題。

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