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(fù)合劑的發(fā)展歷史過(guò)程，以及目前國(guó)內(nèi)外阻垢劑的研究現(xiàn)狀。

關(guān)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(zhì)污染日益嚴(yán)重，已成為世界性的社會(huì)危機(jī)。對(duì)于任何個(gè)人、企業(yè)、國(guó)家來(lái)講，做好合理用水、節(jié)約用水，是現(xiàn)今時(shí)代的一項(xiàng)重要工作，同時(shí)節(jié)水對(duì)保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(yùn)行是目前公認(rèn)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(jié)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(zhì)硬度堿度大，通過(guò)高濃縮倍數(shù)運(yùn)行來(lái)達(dá)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(jīng)過(guò)降溫，除灰工藝處理后，成為含有極少量細(xì)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(nèi)結(jié)垢，清理困難，結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)需更換設(shè)備管道，花費(fèi)大量時(shí)間，人力，物力，嚴(yán)重制約生產(chǎn)工藝的運(yùn)行，進(jìn)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(zhǎng)三個(gè)過(guò)程，只要能控制其中一個(gè)過(guò)程，就可達(dá)到阻垢的目的。而阻垢劑就是控制產(chǎn)生水垢和污垢的化學(xué)類試劑，是工業(yè)水處理中必不可少的元素，可以用來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備壽命并保證設(shè)備安全運(yùn)行。

1.1阻垢劑的作用

不同阻垢劑在不同的水質(zhì)條件下，有不同的機(jī)理，一般是通過(guò)吸附、分散、配位反應(yīng)、分子間力等不同的物理和化學(xué)過(guò)程改變結(jié)垢物質(zhì)的結(jié)晶規(guī)律，使結(jié)垢成分維持在溶解或懸浮狀態(tài)，提高了結(jié)垢物質(zhì)的溶解度，防止垢的生成，其作用原理包括晶格畸變效應(yīng)、低能效應(yīng)、絡(luò)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(gè)方面，通過(guò)這五個(gè)方面的協(xié)同作用，達(dá)到阻垢的目的[3]。

1.2阻垢劑的分類

阻垢劑按照其來(lái)源分為天然聚合物阻垢劑、合成聚合物阻垢劑和復(fù)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(zhì)素、單寧、腐殖酸鈉、淀粉及纖維素等，由于它們?cè)谒幚碇型都恿看蟆①M(fèi)用高、雜質(zhì)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(zhì)素和殼聚糖，通過(guò)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(guò)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(jī)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(jī)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(fù)電的分子鏈，它與Ca2+形成可溶于水的絡(luò)合物或螯合物，從而使無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)鹽的微晶上，使微粒間斥力增加，聚結(jié)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(wú)機(jī)鹽晶核或微晶上，占據(jù)了一定位置，阻礙和破壞了無(wú)機(jī)鹽晶體的正常生長(zhǎng)，減慢了晶體的增長(zhǎng)速度，從而減少鹽垢的形成[5]。

⑶復(fù)配型聚合物阻垢劑：該類阻垢劑是同時(shí)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(dú)使用任何一種藥劑時(shí)高得多，這就是阻垢劑之間的協(xié)同效應(yīng)。利用其協(xié)同效應(yīng)，可提高藥劑的使用效率。

1.3阻垢劑的發(fā)展歷史

20世紀(jì)60年代：使用的阻垢分散劑主要是木質(zhì)素磺酸鈉等，它們有一定的阻垢作用，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)對(duì)阻垢性能的要求。

20世紀(jì)70年代：主要使用聚丙烯酸鈉類聚合物，同時(shí)將具有優(yōu)良緩蝕性能的有機(jī) 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(jì)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(gè)新的臺(tái)階[6]。Betz實(shí)驗(yàn)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(duì)氧化鐵有很好的分散作用。

20世紀(jì)80年代：隨著環(huán)境對(duì)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(tuán)的共聚物，因其優(yōu)良的性能引起普遍關(guān)注。這些含多官能團(tuán)的多元共聚物的出現(xiàn)，使水處理技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。80年代中期，國(guó)內(nèi)丙烯酸/丙烯酸甲酯共聚物開發(fā)成功，奠定了我國(guó)水溶性聚合物水處理劑的基礎(chǔ)。韓應(yīng)琳、刁月民等以丙烯酸、磺酸、丙烯酸羥丙酯為原料，過(guò)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(jié)果表明，羧基含量越高的共聚物對(duì)碳酸鈣垢的阻垢性能越好;羥丙酯基含量高的共聚物對(duì)磷酸鈣垢的阻垢性能好;磺酸基團(tuán)的存在可以提高共聚物的阻垢分散性能[7]。

20世紀(jì)90年代：具有特種結(jié)構(gòu)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(duì)鈣的容忍度大幅度提高，適合超高硬度堿度水質(zhì)處理。

1.4阻垢劑的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，人們對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)及阻垢機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，聚合物的結(jié)構(gòu)與阻垢性能關(guān)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(tuán)，而羥基（-OH）、酰胺基（-CONH2）等對(duì)阻磷酸鈣垢有益，特別是磺酸基（-SO3H）對(duì)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(jī)磷酸。因此人們可以通過(guò)選擇官能團(tuán)、設(shè)計(jì)單體摩爾比和分子量的控制等來(lái)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(shí)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(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨著含羧基、酯基、磺酸基、膦?；?、酰胺基等官能團(tuán)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(chǎn)物和懸浮顆粒，同時(shí)能很好地穩(wěn)定有機(jī)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(jià)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(duì)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(fù)配使用。

結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外比較常見的阻垢劑大多數(shù)是多功能、復(fù)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(fù)合水處理藥劑具有：各種藥劑之間存在協(xié)同效應(yīng)，可同時(shí)控制多種金屬材料的腐蝕，可同時(shí)控制腐蝕與結(jié)垢的發(fā)生，簡(jiǎn)化加藥手續(xù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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