水處理阻垢劑的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

張蓬勃 王保剛

摘要：文章主要講述水處理阻垢劑的研發(fā)背景和意義，阻垢劑的作用和分類，阻垢劑從單劑到聚合物再到復合劑的發(fā)展歷史過程，以及目前國內外阻垢劑的研究現(xiàn)狀。

關鍵詞：阻垢劑 ?膦酸鹽 ?聚合物

水是一切生命的源泉。水資源短缺和水質污染日益嚴重，已成為世界性的社會危機。對于任何個人、企業(yè)、國家來講，做好合理用水、節(jié)約用水，是現(xiàn)今時代的一項重要工作，同時節(jié)水對保障國民經濟可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義[1]。

節(jié)約用水的最大潛力是節(jié)約工業(yè)冷卻用水，采用循環(huán)冷卻水是節(jié)約水資源的一條重要途徑，應該盡力提高濃縮倍數(shù)，降低排污量，以提高水資源利用率。提高濃縮倍數(shù)運行是目前公認的有效節(jié)水方法[2]。但隨著濃縮倍數(shù)的提高，循環(huán)水系統(tǒng)結垢和腐蝕因子也隨著成倍上升，特別是北方一些地區(qū)因地下水質硬度堿度大，通過高濃縮倍數(shù)運行來達到節(jié)水的目的難度高。因此，開發(fā)研制水處理阻垢劑是非常必要和急需的。

隨著煤化工的發(fā)展，煤氣化工藝的興起，例如德士古煤氣化工藝，魯奇煤氣化工藝，殼牌煤氣化工藝等都離不開激冷水系統(tǒng)，回收的激冷水溫度高，含灰量大，工藝上稱為黑水，不能直接二次利用，需經過降溫，除灰工藝處理后，成為含有極少量細灰的灰水再循環(huán)利用。二次回收利用的灰水硬度大，堿度高極易在管道內結垢，清理困難，結垢嚴重時需更換設備管道，花費大量時間，人力，物力，嚴重制約生產工藝的運行，進而加速了高效水處理阻垢劑的研發(fā)。

1.阻垢劑

垢的生成一般包括原始晶種的形成、晶核的生成和晶體生長三個過程，只要能控制其中一個過程，就可達到阻垢的目的。而阻垢劑就是控制產生水垢和污垢的化學類試劑，是工業(yè)水處理中必不可少的元素，可以用來延長設備壽命并保證設備安全運行。

1.1阻垢劑的作用

不同阻垢劑在不同的水質條件下，有不同的機理，一般是通過吸附、分散、配位反應、分子間力等不同的物理和化學過程改變結垢物質的結晶規(guī)律，使結垢成分維持在溶解或懸浮狀態(tài)，提高了結垢物質的溶解度，防止垢的生成，其作用原理包括晶格畸變效應、低能效應、絡合增溶作用、凝聚和隨后的分散作用以及靜電斥力作用等五個方面，通過這五個方面的協(xié)同作用，達到阻垢的目的[3]。

1.2阻垢劑的分類

阻垢劑按照其來源分為天然聚合物阻垢劑、合成聚合物阻垢劑和復配型阻垢劑[4]。

⑴天然聚合物阻垢劑：早期使用的天然高分子阻垢劑有木質素、單寧、腐殖酸鈉、淀粉及纖維素等，由于它們在水處理中投加量大、費用高、雜質含量高、耐溫性能差，因而目前很少使用?，F(xiàn)在用的大多為磺化木質素和殼聚糖，通過改性，大大提高了其阻垢性能。

⑵合成聚合物阻垢劑：該類阻垢劑是通過人工聚合獲得的，又分為聚羧酸類聚合物阻垢劑、磺酸類聚合物阻垢劑、有機膦酸聚合物阻垢劑和新型聚合物阻垢劑等四種。聚合物的阻垢作用機理目前尚有分歧，比較一致的有以下三種：

①增溶作用：聚合物溶于水后發(fā)生電離，生成帶負電的分子鏈，它與Ca2+形成可溶于水的絡合物或螯合物，從而使無機鹽溶解度增加，起到阻垢作用。

②靜電斥力作用：聚合物溶于水后吸附在無機鹽的微晶上，使微粒間斥力增加，聚結受阻，處于良好的分散狀態(tài)，從而防止或減少垢的形成。

③晶體畸變作用：聚合物吸附在無機鹽晶核或微晶上，占據(jù)了一定位置，阻礙和破壞了無機鹽晶體的正常生長，減慢了晶體的增長速度，從而減少鹽垢的形成[5]。

⑶復配型聚合物阻垢劑：該類阻垢劑是同時使用兩種或兩種以上的阻垢劑，在藥劑總量不變的情況下，其效果比單獨使用任何一種藥劑時高得多，這就是阻垢劑之間的協(xié)同效應。利用其協(xié)同效應，可提高藥劑的使用效率。

1.3阻垢劑的發(fā)展歷史

20世紀60年代：使用的阻垢分散劑主要是木質素磺酸鈉等，它們有一定的阻垢作用，但遠遠滿足不了生產對阻垢性能的要求。

20世紀70年代：主要使用聚丙烯酸鈉類聚合物，同時將具有優(yōu)良緩蝕性能的有機 如HEDP、ATMP和EDTMP等作為阻垢分散劑使用，顯示出良好的阻垢效果;20世紀70年代后期，多元羧酸共聚物阻垢分散劑開始大量出現(xiàn)，使阻垢分散劑上了一個新的臺階[6]。Betz實驗室發(fā)明了由丙烯酸（AA）和丙烯酸-2-羥基丙酯（HPA）共聚而成的聚合物阻垢劑。該阻垢劑可以很好地抑制冷卻水系統(tǒng)中的碳酸鈣、硅酸鎂等垢物沉積，并對氧化鐵有很好的分散作用。

20世紀80年代：隨著環(huán)境對排污的限制和循環(huán)水濃縮倍數(shù)的提高，各種高性能的共聚物阻垢分散劑不斷出現(xiàn)，尤其是含磺酸、膦酸和其它官能團的共聚物，因其優(yōu)良的性能引起普遍關注。這些含多官能團的多元共聚物的出現(xiàn)，使水處理技術進入了一個新的時代。80年代中期，國內丙烯酸/丙烯酸甲酯共聚物開發(fā)成功，奠定了我國水溶性聚合物水處理劑的基礎。韓應琳、刁月民等以丙烯酸、磺酸、丙烯酸羥丙酯為原料，過硫酸銨為引發(fā)劑制備了一系列三元共聚物，并研究了其阻垢分散性能，結果表明，羧基含量越高的共聚物對碳酸鈣垢的阻垢性能越好;羥丙酯基含量高的共聚物對磷酸鈣垢的阻垢性能好;磺酸基團的存在可以提高共聚物的阻垢分散性能[7]。

20世紀90年代：具有特種結構和特種性能的阻垢分散劑開始出現(xiàn)。如二乙烯三胺五甲叉膦酸（PAPEMP）是一種新型的阻垢分散劑，與傳統(tǒng)的阻垢分散劑相比對鈣的容忍度大幅度提高，適合超高硬度堿度水質處理。

1.4阻垢劑的研究現(xiàn)狀

近年來，人們對聚合物結構及阻垢機理的研究發(fā)現(xiàn)，聚合物的結構與阻垢性能關系極為密切。聚合物中的羧基是阻碳酸鈣、硫酸鈣垢的主要官能團，而羥基（-OH）、酰胺基（-CONH2）等對阻磷酸鈣垢有益，特別是磺酸基（-SO3H）對磷酸鈣垢有良好的抑制能力，能有效分散金屬氧化物、穩(wěn)定鋅和有機磷酸。因此人們可以通過選擇官能團、設計單體摩爾比和分子量的控制等來制備特殊工況條件下的專用聚合物，出現(xiàn)了能抑制碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣垢的共聚物，同時也出現(xiàn)了抑制鋅垢、鐵垢、硅垢和其他污垢的共聚物。

聚合物阻垢劑在水處理系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，隨著含羧基、酯基、磺酸基、膦?；?、酰胺基等官能團的單體的引入，提高了聚合物的多功能性，使得聚合物能有效地抑制水垢的形成，分散腐蝕產物和懸浮顆粒，同時能很好地穩(wěn)定有機磷酸鹽、鋅鹽、磷酸鹽等緩蝕劑組分 。常用的共聚物阻垢劑有以下幾類：

①聚甲基丙烯酸 ?聚甲基丙烯酸由甲基丙烯酸單體聚合而成。聚甲基丙烯酸的阻垢和分散性能與聚丙烯酸相似，其耐溫性較好，但價格昂貴，一般不如聚丙烯酸那樣使用廣泛。

②丙烯酸與丙烯酸酯共聚物 ?丙烯酸與丙烯酸酯共聚物是由兩種單體共聚而成。它對磷酸鈣和氫氧化鋅有良好的抑制和分散作用，常與聚磷酸鹽、膦酸酯和鋅鹽等藥劑復配使用。

結束語

目前，國內外比較常見的阻垢劑大多數(shù)是多功能、復合型，兼有抗氧、分散、金屬減活等多種效用。與單一藥劑相比，復合水處理藥劑具有：各種藥劑之間存在協(xié)同效應，可同時控制多種金屬材料的腐蝕，可同時控制腐蝕與結垢的發(fā)生，簡化加藥手續(xù)等一系列優(yōu)點。

參考文獻

[1]梁秀文.石化企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)水運行與管理[J].工業(yè)水處理，2003，23（11）：18-20.

[2]張利強，李本高.石化行業(yè)用水現(xiàn)狀及展望[J].石油化工腐蝕與防護，2004，21（4）：27.

[3]李永剛，肖錦.水處理劑阻垢性質研究[J].工業(yè)水處理，1994，14（6）：18-20.

[4]錢軍民，李旭祥，黃海燕.國內聚合物阻垢劑的研究[J].精細石油化工進展，2001，1（1）：25-29.

[5]閆巖.含磺酸鹽共聚物作為阻垢分散劑的技術現(xiàn)狀[J].工業(yè)水處理，1993，13（4）：7.