節(jié)水劑在工業(yè)循環(huán)水中的應(yīng)用研究

曾 暉，王義珍， 劉海峰，陳宏霖，李 瑞

(1.中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.中山大學(xué)廣東新材料產(chǎn)業(yè)基地聯(lián)合研究中心，廣東 佛山 528244；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510640；4.廣州綠眾水務(wù)工程管理有限公司，廣東 廣州 510165)

0 引言

我國是一個(gè)缺水國家，作為水資源短缺型國家，面臨的水安全態(tài)勢(shì)越來越嚴(yán)峻[1-3]。在此形勢(shì)下科學(xué)合理用水非常必要，可以通過技術(shù)強(qiáng)化用水管理，改進(jìn)工業(yè)和生活用水方式，提高水資源利用率，避免造成水資源的浪費(fèi)。

水資源保護(hù)是中國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的主要工作內(nèi)容之一，節(jié)約用水是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施，有助于高效利用水資源，提高科學(xué)用水，合理用水，保障城市經(jīng)濟(jì)和建設(shè)可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

值得注意的是，目前中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水量不斷增多，一是農(nóng)業(yè)用水量成倍增長(zhǎng)[6-7]；二是珠三角、江浙地區(qū)、京津地區(qū)已成為我國工業(yè)比較集中的綜合性工業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，存在有大批大型、特大型和耗水量大的工業(yè)企業(yè)，對(duì)水資源供應(yīng)要求更加明顯，這就使得工業(yè)節(jié)水技術(shù)發(fā)展迫在眉睫[8]。

在工業(yè)生產(chǎn)中需要用到大量的冷卻水塔，循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)損失是整個(gè)系統(tǒng)中各項(xiàng)水損失最大的一項(xiàng)，循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水工作的開展不僅可以節(jié)約大量的水資源，還可以減少污水排放量，保護(hù)環(huán)境[9-10]。目前，工業(yè)節(jié)水方法主要采用的是優(yōu)化工業(yè)設(shè)備，例如優(yōu)化換熱流程和換熱器組合，發(fā)展新型高效換熱器，或者增加水回收設(shè)備，這種處理方法設(shè)備投資高，運(yùn)行能耗高，便捷性差[11-13]。

針對(duì)上述問題，在水相中加入一種節(jié)水劑，利用分子間相互作用力的增強(qiáng)，降低水分的揮發(fā)是一個(gè)有效的途徑，本文研究了一種高分子和多元醇為主的工業(yè)節(jié)水劑，并試驗(yàn)?zāi)M了其在冷卻水條件下的節(jié)水效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

FA2004分析天平；YP30001B電子天平；101-1S型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；壁掛式水泵過濾器；磁力加熱攪拌器；培養(yǎng)箱。

1.2 節(jié)水劑及其水溶液的配制

節(jié)水劑：由多元醇和疏水劑、抗氧添加劑、殺菌防腐劑及殺菌防霉劑等功能添加劑組成。首先將約占總用量40%左右的多元醇和規(guī)定量的各功能添加劑加入到燒杯中，加熱攪拌至全部物質(zhì)溶解，再加入剩余量的多元醇，混合均勻即得。

0.1%節(jié)水劑水溶液：準(zhǔn)確稱取1.0 g節(jié)水劑原液至1 000 mL，用去離子水稀釋至刻度。

0.01%節(jié)水劑水溶液：準(zhǔn)確移取0.1%節(jié)水劑水溶液100～1 000 mL容量瓶中，用去離子水稀釋至刻度。

1.3 節(jié)水劑穩(wěn)定性測(cè)試

把配制好的節(jié)水劑原液分裝于3個(gè)100 mL透明玻璃瓶中，分別置于室溫、冰箱冷藏室和干燥箱中，冰箱冷藏室溫度控制在4 ℃±2 ℃，干燥箱溫度控制在40 ℃±2 ℃，每周取出觀察1次，考察1個(gè)月內(nèi)樣品在3種環(huán)境條件下的狀態(tài)變化：外觀顏色是否發(fā)生變化及是否有結(jié)晶析出。

0.1%節(jié)水劑水溶液和0.01%節(jié)水劑水溶液按同樣方法進(jìn)行測(cè)試。

1.4 節(jié)水劑節(jié)水性能測(cè)試

1.4.1 含0.1%節(jié)水劑的自來水節(jié)水性能測(cè)試

測(cè)試方法：把盛裝自來水的容器暴露在空氣中，并使水體循環(huán)流動(dòng)，每天測(cè)試水蒸發(fā)重量，對(duì)添加節(jié)水劑和未添加節(jié)水劑的自來水蒸發(fā)量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

稱取2.0 g節(jié)水劑原液至3 L玻璃燒杯中，往燒杯中加入2 kg自來水，記錄所加水重量，使配成含有0.1%節(jié)水劑的水溶液。在燒杯口上放一壁掛瀑布式水泵過濾器，水流調(diào)節(jié)旋鈕開到最大，接通電源使水在燒杯內(nèi)不間斷循環(huán)流動(dòng)。每天相同時(shí)間點(diǎn)稱量記錄燒杯、水溶液和過濾器總重量，并計(jì)算循環(huán)水面每天的蒸發(fā)量。

空白對(duì)照：另取一燒杯加入2 kg自來水，不加節(jié)水劑，按上述相同方法進(jìn)行測(cè)試。注意測(cè)試時(shí)2個(gè)樣品要一起放于同一實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，日照、溫濕度、空氣流動(dòng)等環(huán)境條件須保持一致。

1.4.2 含0.01%節(jié)水劑的自來水節(jié)水性能測(cè)試

在自來水中添加0.01%的節(jié)水劑，按1.3.1相同方法進(jìn)行測(cè)試。

1.5 節(jié)水劑抑菌性能測(cè)試

細(xì)菌懸液制備：取試驗(yàn)菌(金黃色葡萄球菌/大腸桿菌)營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面新鮮培養(yǎng)物(18～24 h)3.0～5.0 mL加入斜面試管內(nèi)，反復(fù)吹吸，以使細(xì)菌懸浮均勻。

抑菌性能測(cè)試：取無菌試管，加入0.1%節(jié)水劑水溶液4.5 mL，再加入0.5 mL菌懸液，混勻并放置24 h。分別吸取混合均勻的懸液1.0 mL加于3個(gè)無菌平皿內(nèi)，將營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基傾注于已加入樣液的平皿中，每平皿15～20 mL。待瓊脂凝固后，翻轉(zhuǎn)平皿，使底向上，置36 ℃±1 ℃溫箱內(nèi)培養(yǎng)48 h觀察結(jié)果。同時(shí)以未加節(jié)水劑溶液的培養(yǎng)基作為陽性對(duì)照。

0.01%節(jié)水劑水溶液按相同方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

配制好的節(jié)水劑原液為淺黃色略帶粘稠狀液體，在室溫4 ℃±2 ℃和40 ℃±2 ℃ 3種條件下各存放1個(gè)月，期間每周取出觀察1次，均未發(fā)現(xiàn)外觀顏色有明顯變化，也未發(fā)現(xiàn)有結(jié)晶析出。0.1%節(jié)水劑水溶液和0.01%節(jié)水劑水溶液均為無色透明溶液，在測(cè)試期間未發(fā)現(xiàn)外觀顏色發(fā)生變化及無結(jié)晶析出。結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求：外觀顏色無變化，無結(jié)晶析出)

2.2 節(jié)水性能測(cè)試結(jié)果

把添加0.1%和0.01%節(jié)水劑的自來水及空白自來水暴露在空氣中，并使水體循環(huán)流動(dòng)，1周內(nèi)每天測(cè)試水面蒸發(fā)損失重量。添加0.1%節(jié)水劑的自來水及空白自來水蒸發(fā)損失測(cè)試結(jié)果見表2，結(jié)果對(duì)比圖見圖1和圖2；添加0.01%節(jié)水劑的自來水及空白自來水蒸發(fā)損失測(cè)試結(jié)果見表3，結(jié)果對(duì)比圖見圖3和圖4。

圖1 單日水蒸發(fā)量結(jié)果對(duì)比 圖2 累計(jì)水蒸發(fā)量結(jié)果對(duì)比

圖3 單日水蒸發(fā)量結(jié)果對(duì)比 圖4 累計(jì)水蒸發(fā)量結(jié)果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果顯示，添加節(jié)水劑的自來水蒸發(fā)量明顯低于未添加節(jié)水劑的自來水蒸發(fā)量，添加0.1%和0.01%節(jié)水劑的自來水1周內(nèi)蒸發(fā)量分別平均減少32.3%和26.8%。水蒸發(fā)量減少的原理是利用節(jié)水劑中所含疏水劑溶于水又能在水中成膜的特性，使流動(dòng)水表面疏水膜持續(xù)得到補(bǔ)充保持完整，從而有效抑制水的蒸發(fā)。

表2 水蒸發(fā)量測(cè)試結(jié)果(自來水vs添加0.1%節(jié)水劑的自來水)

表3 水蒸發(fā)量測(cè)試結(jié)果(自來水vs添加0.01%節(jié)水劑的自來水)

2.3 抑菌性能測(cè)試結(jié)果

0.1%節(jié)水劑水溶液能顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長(zhǎng)，表現(xiàn)出較好的抑菌活性；0.01%節(jié)水劑水溶液則對(duì)金黃色葡萄球菌可以有效抑制其生長(zhǎng)，但對(duì)大腸桿菌的抑殺效果不是太好，其原因是0.01%節(jié)水劑水溶液中的殺菌劑濃度低于大腸桿菌的最低抑制濃度，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 抑菌性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語

所制備的節(jié)水劑能性能穩(wěn)定，在循環(huán)水蒸發(fā)試驗(yàn)中，加入0.1%和0.01%的節(jié)水劑，可使水蒸發(fā)量平均減少32.3%和26.8%，有效降低流動(dòng)水面的蒸發(fā)損失，節(jié)水效果顯著，同時(shí)節(jié)水劑在適宜濃度下還可以有效抑制水中細(xì)菌的繁殖，延長(zhǎng)設(shè)備管道的使用壽命，降低維護(hù)保養(yǎng)成本。該節(jié)水劑使用簡(jiǎn)便且使用量少，使用過程中無需增加及更換系統(tǒng)設(shè)備，在循環(huán)冷卻水節(jié)水方面有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。