無磷環保緩蝕阻垢劑研究應用

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摘要：根據某化工廠循環冷卻水的水質及工況特點，通過一系列實驗，開發出適合現場應用的以新型羧酸類共聚物為主劑，包含PESA及其他助劑的無磷環保緩蝕阻垢劑，并在現場應用中取得了優異效果。

關鍵詞：水處理藥劑；無磷；阻垢；緩蝕

20世紀20年代初，水處理藥劑開始在工業中使用，循環冷卻水處理技術已得到將近100年的發展，在技術上已經形成了較成熟的磷系水處理技術。然而隨著環境問題的突出，國家對磷排放標準的限制越來越嚴格，水處理藥劑的無磷化已成為必然趨勢。以鉬酸鹽、鎢酸鹽、新型合成藥劑以及硅酸鹽為主緩蝕劑的水處理配方取得了一定進展，但由于藥劑成本太高或者只能適用于特殊條件，這些技術中的大多數未獲得大規模應用[1]，因此開發低成本的高效無磷水處理藥劑，已成為科研院所和應用企業所面臨的迫切需求。天津某化工企業是我國綜合性大型氯堿企業之一，處于行業領先地位。為了實現企業的可持續發展，開發無磷緩蝕阻垢劑已成為企業發展的必然要求。該公司某分廠循環水系統有3套獨立循環冷卻水系統，循環水總量20000m3•h-1，率先采用了新開發的系列無磷水處理藥劑，并在現場應用中取得了非常好的效果。

1循環冷卻水系統工況

循環冷卻水采用中水回用水作為循環冷卻水系統的補充水，其水質主要指標如表1所示。可以看出，補充水的總硬度（鈣與鎂之和）只有4.19mg•L-1，相對于高硬度水質，結垢的問題有一定的改善，但由于循環冷卻水是在系統中循環利用，尤其是在高濃縮倍數條件下，結垢問題仍然不可忽視。由于循環水與空氣接觸后，會帶入空氣中的一些雜質，因此對水處理藥劑的分散作用提出了更高的要求。與此同時，補充水中的腐蝕性離子如氯離子的含量相對較高，在高濃縮倍數運行的情況下，根據水質RSI指數可以判定，該水質有嚴重的腐蝕傾向，我們稱之為“低硬高氯嚴重腐蝕性水”。筆者根據該水質及工況條件，開發了新型的以羧酸類共聚物及PESA為主劑，包含了其他助劑的新型無磷環保水處理藥劑。該技術可以保證系統在高濃縮倍數（6~7倍）條件下運行，且排污量非常小，接近“零”排污。

2靜態阻垢實驗

靜態阻垢實驗裝置如圖1所示。實驗用水采用廠方提供的原水，水浴鍋的溫度準確控制在(80±1)℃，錐形瓶的容積為500mL，裝有橡膠塞，橡膠塞上配裝了直徑為5mm、長度約為200mm的玻璃管。實驗過程中，約2h要向水浴鍋中補充1次自來水，以免燒壞水浴鍋。阻碳酸阻垢性能的評價方法根據GB/T16632−2008《水處理劑阻垢性能的測定碳酸鈣沉積法》，在80℃下恒溫10h后，以鈣黃綠素為指示劑，用EDTA標準溶液滴定濾液中鈣離子的含量。阻垢率按式(1)計算。計算出的阻垢率結果見表2，可以看出阻垢率均在95%以上，說明該藥劑具有良好的阻垢效果。

3旋轉掛片腐蝕實驗

腐蝕實驗采用旋轉掛片法[2]進行，實驗水質同靜態腐蝕實驗，采用RCC-Ⅱ型旋轉掛片腐蝕試驗儀。實驗裝置如圖2所示，實驗溫度控制為(45±1)℃，實驗試片的線速度控制為0.35m•s-1，實驗時間96h，試片材質：碳鋼(20#)、銅(HSn70-1A)、不銹鋼(316L)。腐蝕率通過實驗前后試片的失重數據進行計算，實驗結果見表3。從表3可以看出，20#碳鋼的腐蝕率遠遠小于國家標準（0.075mm•a-1）,銅和不銹鋼的腐蝕率同樣是遠遠小于國家標準（0.005mm•a-1），由此可以判定該藥劑具有良好的緩蝕效果。

4電化學腐蝕實驗

腐蝕極化曲線是對金屬腐蝕機理的重要分析工具之一，因此我們進行了極化曲線測試，水處理藥劑的極化曲線測試結果如圖3所示。從圖中可以發現，隨著緩蝕劑濃度增加，陽極曲線的斜率增大，即陽極的極化電流受到抑制，可以判斷該藥劑為陽極型的緩蝕劑[3]。

5動態模擬實驗

動態模擬實驗裝置流程圖如圖4所示。利用動態模擬實驗[4]對無磷水處理藥劑進行中試實驗，依據污垢熱阻值和腐蝕率評價水處理藥劑的效果。實驗用水為之前的實驗用水，換熱管采用D10mm×1mm×495mm，腐蝕試件為銅HSn70-1A、1.補水槽；2.集水池；3.冷卻塔；4.電動風門；5.填料；6.軸流風機；7.浮球閥；8.塔底測溫元件；9.水泵；10.電動調節閥和流量傳感器；11.轉子流量計；12.入口測溫元件；13.模擬換熱器；14.試驗管；15.出口測溫元件；16,17.掛片筒；18.排污閥和流量計；19.電加熱器；20.電熱蒸汽爐；21.冷凝器碳鋼20#和不銹鋼316L，管內流速2m•s-1，進水溫度(32±2)℃，加熱蒸汽溫度為(100±0.3)℃，濃縮倍數為6.0~7.0，pH值為自然平衡，實驗時間15d。實驗結果分別見表4和表5。從實驗結果可以看出，在動態模擬實驗中，20#碳鋼的腐蝕率遠遠小于國家標準（0.075mm•a-1）,銅和不銹鋼的腐蝕率也遠遠小于國家標準（0.005mm•a-1），污垢熱阻值均小于國家標準，因此可以判定該藥劑具有良好的緩蝕阻垢效果。

6生物降解性

生物降解性是指有機物在微生物的作用下轉化為代謝物等其他一些小分子物質，并產生二氧化碳和水。水處理藥劑的環保性能可通過生物降解性來檢驗，即水處理藥劑由微生物分解為一些小分子物質，并且產生二氧化碳和水等對環境無害的物質，是綠色水處理劑的重要研究方向[5]。生物降解率的實驗結果見表6，可以看出，藥劑在第12d的生物降解率達到51.0%，第20d的生物降解率達到64.9%，說明藥劑具有非常好的生物降解性能，符合綠色環保的要求。

7現場應用效果

新的阻垢劑在現場循環水系統使用半年以來，現場掛片的腐蝕速率合格率達到100%，取得了良好的緩蝕阻垢效果。現場的阻垢處理效果同樣良好，觀察換熱設備后可以發現，設備表面光滑，無結垢現象。冷卻塔塔壁及填料的表面干凈無明顯異物，證明循環水系統的微生物控制效果優異。從以上實驗可以看出，該水處理藥劑具有非常好的緩蝕阻垢效果，各項指標達到甚至優于國家標準，此外還具有易生物降解的特點，屬于綠色環保型緩蝕阻垢劑。現場應用效果優異，完全能夠達到現場應用的要求，可以替代傳統的磷系水處理藥劑。

參考文獻：

[2]HG/T2159−1991，水處理劑緩蝕性能的測定旋轉掛片法[S].

[3]陶蕾，鄭書忠，秦立娟，等.電化學測試技術在緩蝕劑緩蝕行為研究中的應用[J].工業水處理，2010，30(8)：1-5.

[4]HG/T2160-1991，冷卻水動態模擬試驗方法[S].

[5]王大勇.聚天冬氨酸及其衍生物的合成與性能研究[D].荊州：長江大學，2012.

作者：郭勇 楊喻 李紅兵 單位：天津市職業大學