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        水處理阻垢劑的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀

        2021-03-24 05:26:17張蓬勃王保剛
        科學(xué)與生活 2021年29期
        關(guān)鍵詞:聚合物

        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,通過高濃縮倍數(shù)運(yùn)行來達(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)過程,只要能控制其中一個(gè)過程,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,一般是通過吸附、分散、配位反應(yīng)、分子間力等不同的物理和化學(xué)過程改變結(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?、費(fèi)用高、雜質(zhì)含量高、耐溫性能差,因而目前很少使用。現(xiàn)在用的大多為磺化木質(zhì)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(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:聚合物吸附在無機(jī)鹽晶核或微晶上,占據(jù)了一定位置,阻礙和破壞了無機(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,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。因此人們可以通過選擇官能團(tuán)、設(shè)計(jì)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(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)用越來越廣泛,隨著含羧基、酯基、磺酸基、膦酰基、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

        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)

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

        [2]張利強(qiáng),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(hù),2004,21(4):27.

        [3]李永剛,肖錦.水處理劑阻垢性質(zhì)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(guó)內(nèi)聚合物阻垢劑的研究[J].精細(xì)石油化工進(jìn)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(shù)現(xiàn)狀[J].工業(yè)水處理,1993,13(4):7.

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