石 博，靳貴銘，顏蘇芊，馮 瑞，楊進崗

(1.西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.陜煤集團神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 神木 719300； 3.咸陽紡織集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

紡織廠空調(diào)采用循環(huán)水噴淋系統(tǒng)來處理空氣，噴淋系統(tǒng)運行時，循環(huán)水不斷蒸發(fā)，使得循環(huán)水的硬度與堿度升高，造成設(shè)備及管道結(jié)垢，使得管道阻力增加，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率下降[1-2]。目前，紡織行業(yè)常用的水處理方法主要有化學(xué)方法和物理方法?；瘜W(xué)方法是通過加入阻垢劑對循環(huán)水中離子進行處理該方法利用阻垢劑對結(jié)垢離子的螯合作用以及對結(jié)垢晶體的晶格扭曲作用達到阻垢目的[3]。物理方法是利用機械、磁場、電場等方法對設(shè)備中的結(jié)垢物進行處理，使結(jié)垢物無法附著在設(shè)備壁上，對循環(huán)水中的花毛、雜質(zhì)進行過濾去除[4-6]。

本文采用化學(xué)方法對水質(zhì)進行處理，選取3種阻垢劑對咸陽某紡織廠噴淋水系統(tǒng)進行阻垢率測試，得出最佳阻垢劑和該阻垢劑的最佳阻垢質(zhì)量濃度，將其應(yīng)用于紡織廠噴淋水系統(tǒng)中，通過實驗測試的各項指標(biāo)計算水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)，并對結(jié)果進行方差分析，得到其主要影響因素。

1 阻垢劑的選取

目前常用的阻垢劑有天然聚合物阻垢劑、合成聚合物阻垢劑等。根據(jù)阻垢劑的性價比及對無增塑劑聚氯乙烯(UPVC)、鍍鋅管、不銹鋼等材料無腐蝕等因素，選擇下面3種阻垢劑進行實驗研究。聚環(huán)氧琥珀酸(PESA，相對分子質(zhì)量400～1 500)阻垢性能優(yōu)異，對水中Ca2+、Mg2+等主要成垢金屬離子有很強的絡(luò)合能力，能有效防止這些離子與成垢陰離子結(jié)合生成水垢,對沉積物有著很好的抑制和消除作用[7]；聚天冬氨酸(PASP，相對分子質(zhì)量為1 000～5000)作為水處理的新型綠色化學(xué)品，從原料制備到最終產(chǎn)品都是對環(huán)境無害的水處理藥劑[8]，對空調(diào)噴淋水系統(tǒng)的水垢形成有很好的抑制作用；聚丙烯酸(PAA，相對分子質(zhì)量800～1 200)性價比較高、用藥量較低，被廣泛應(yīng)用于循環(huán)水的阻垢，且阻垢效果較好[9-11]。

2 阻垢劑質(zhì)量濃度對阻垢率的影響

2.1 阻垢率的測定

實驗選取PESA型、PASP型、PAA型聚羧酸類阻垢劑(南通永樂化工有限公司)，參照GB/T 16632—2019《水處理劑阻垢性能的測定碳酸鈣沉積法》，采用燒杯、量筒、玻璃棒、移液管、電子天平、SD150 PH/EC/DO多參數(shù)測定儀(羅威邦公司)進行阻垢率的測定，測試水樣取用咸陽某紡織廠空調(diào)室運行3個月的循環(huán)水。

阻垢率的計算式[12]為：

(1)

式中：η為阻垢率，%；V0為試驗水樣未加阻垢劑靜置24 h后消耗乙二胺四乙酸(EDTA)的量，mL；V1為試驗水樣加入阻垢劑靜置24 h后消耗EDTA的量，mL；V2為試驗水樣未加入阻垢劑未靜置消耗EDTA的量，mL。

2.2 不同阻垢劑質(zhì)量濃度對阻垢率的影響

取紡織廠空調(diào)室運行3個月的循環(huán)水，水的溫度為21℃，阻垢劑配置質(zhì)量濃度在3～15mg/L范圍內(nèi)變化。表1示出3種阻垢劑在不同質(zhì)量濃度時的阻垢率。

表1 3種阻垢劑在不同質(zhì)量濃度下的阻垢率Tab.1 Scale inhibition rates of the three scale inhibitors at different concentrations

由表1可以看出：隨著阻垢劑質(zhì)量濃度的增大，阻垢率先呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢，當(dāng)阻垢劑質(zhì)量濃度小于10 mg/L時，PASP阻垢效果最好，在阻垢劑質(zhì)量濃度為15 mg/L時，PESA的阻垢效果明顯優(yōu)于其他2種阻垢劑，當(dāng)阻垢劑質(zhì)量濃度高于15 mg/L時，阻垢率呈現(xiàn)下降趨勢。此外還可發(fā)現(xiàn)，PESA質(zhì)量濃度為15 mg/L時，阻垢率達到了90.14%，明顯高于PASP(83.11%)和PAA(79.34%)的阻垢率。所以在紡織空調(diào)噴淋水系統(tǒng)中優(yōu)先選用阻垢劑PESA。

3 阻垢劑對水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)的顯著性分析

3.1 水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)

水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)IR是衡量水質(zhì)是否結(jié)垢的重要指標(biāo)。在運行過程中，損失水量需要不斷進行補充，隨著水量的不斷積累，噴淋循環(huán)水中各種指標(biāo)的濃度均會增大，如硬度(CA)、堿度(TA)、溶解性固體總量(TDS)等，明顯影響系統(tǒng)中的水垢沉積。對咸陽某紡織廠水質(zhì)進行測試分析，通過計算CaCO3在水中呈飽和狀態(tài)時的pH值(記作pHS)以及IR來反映噴淋水水質(zhì)狀態(tài)[13-16]。

運用經(jīng)驗公式計算pHS，見式(2)[17]:

1.84e(0.547-0.006 37+3.58×10-6t2)

(2)

式中：CA為Ca2+含量，mg/L；TA為碳酸鹽堿度，以CaCO3計，mg/L；TDS為總?cè)芙庑怨腆w量，mg/L；t為水的華氏溫度，℉；

水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)IR計算式見式(3):

IR=2pHS-pH

(3)

式中：pH為水的酸堿度。

穩(wěn)定指數(shù)與水質(zhì)特性關(guān)系如下[18]：IR<5.0時嚴(yán)重結(jié)垢，5.0≤IR<6.0時輕度結(jié)垢，6.0≤IR<7.0時基本穩(wěn)定，7.0≤IR<7.5時輕微腐蝕，7.5≤IR<9.0時較嚴(yán)重腐蝕，IR≥9.0時嚴(yán)重腐蝕。據(jù)上述特性關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在未加入阻垢劑之前測試水質(zhì)屬于嚴(yán)重結(jié)垢范圍，加入阻垢劑后屬于輕度結(jié)垢范圍，從而對咸陽某紡織廠噴淋水系統(tǒng)循環(huán)水進行未加PESA和加入PESA分別進行實驗，測試其水質(zhì)各項指標(biāo)并進行回歸分析，判斷出水質(zhì)各項指標(biāo)對IR的影響是否顯著[19]。

3.2 未加阻垢劑對IR的分析

3.2.1 實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及其顯著性分析

實驗溫度為21℃，對未加入阻垢劑的循環(huán)水進行實驗測試，并根據(jù)公式(2)(3)得出pHS,從而計算出IR，相應(yīng)計算結(jié)果見表2。

表2 未加阻垢劑測試的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of test without scale inhibitor

由表2可見：隨著循環(huán)時間的不斷延長，噴淋循環(huán)水的硬度(CA)、堿度(TA)、溶解性固體總量(TDS)均逐漸增大，從水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)IR可以看出系統(tǒng)中的水垢沉積越來越多。對表2數(shù)據(jù)利用Excel進行多元線性回歸分析[20-21]，得出在未加入阻垢劑時所對應(yīng)的分析結(jié)果見表3。如表3所示，Sig.F表示F檢驗中回歸方程不顯著的概率。因為表3中Sig.F=0.048 102 9<0.05，所以該回歸方程顯著，得出因變量水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)IR與循環(huán)水的硬度、堿度、溶解性固體總量3個變量之間有顯著的線性關(guān)系。

表3 未加阻垢劑對IR顯著性分析結(jié)果Tab.3 Significant analysis results of IR without scale inhibitor

3.2.2 實驗數(shù)據(jù)分析及影響因素的主次順序

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)得出硬度、堿度、溶解性固體和IR有顯著的關(guān)系，對3個影響指標(biāo)進行分析并判斷影響的主次順序，結(jié)果如表4所示。

表4 未加阻垢劑對IR方差分析結(jié)果Tab.4 Results of IR variance analysis without scale inhibitor

由表4可知，如果回歸方程是Y=a+b1x1+b2x2+b3x3，即TDS為x1、CA為x2、TA為x3，根據(jù)表中項目列表示回歸系數(shù)，可知a=5.771，b1=-0.001，b2=-0.012，b3=0.002，回歸方程的近似表達式為Y=5.771-0.001x1-0.012x2+0.002x3。根據(jù)表格中“t-Stat”絕對值的大小，判斷因素的主次順序，得到溶解性固體總量(TDS)對于水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)的影響高于鈣硬度和堿硬度。

3.3 加入阻垢劑對IR的回歸分析

3.3.1 實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及其顯著性分析

實驗溫度為21℃，在不同的阻垢劑質(zhì)量濃度下對空調(diào)噴淋水系統(tǒng)運行3個月的循環(huán)水進行測試并相應(yīng)計算結(jié)果見表5。

表5 加入不同質(zhì)量濃度阻垢劑的實驗數(shù)據(jù)Tab.5 Experimental data of adding different concentrations of scale inhibitors

給循環(huán)水中加入阻垢劑后，隨著阻垢劑質(zhì)量濃度的不斷增大，噴淋循環(huán)水的硬度(CA)先變大后變小、堿度(TA)呈現(xiàn)不斷變大趨勢、溶解性固體總量(TDS)含量先變小后增大，水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)也呈現(xiàn)先減小后增大。對表5數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，得出在不同阻垢劑質(zhì)量濃度對IR的顯著性，分析結(jié)果見表6。

表6 不同阻垢劑質(zhì)量濃度對IR的顯著性分析結(jié)果Tab.6 Significant analysis results of different scale inhibitor concentrations on IR

Sig.F表示F檢驗中回歸方程不顯著的概率。表6中Sig.F=0.024893958<0.05，該回歸方程顯著，得出因變量水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)IR與阻垢劑的質(zhì)量濃度、循環(huán)水的硬度和堿度、溶解性固體總量4個變量之間有顯著的線性關(guān)系。

3.3.2 實驗數(shù)據(jù)分析及影響因素的主次順序

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)得出阻垢劑質(zhì)量濃度、循環(huán)水的硬度和堿度、溶解性固體總量和IR有顯著的關(guān)系，對4個影響指標(biāo)進行分析并判斷影響的主次順序，結(jié)果如表7所示。

表7 不同阻垢劑質(zhì)量濃度對IR的方差分析結(jié)果Tab.7 Variance analysis results of IR with different scale inhibitor concentrations

由表7可知，如果回歸方程是Y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4，即阻垢劑質(zhì)量濃度為x1、TDS為x2、CA為x3、TA為x4，根據(jù)表格中項目列，可知a=5.946，b1=-0.058，b2=0.001，b3=-0.006，b4=-0.001，所以回歸方程的近似表達式為Y=5.946-0.058x1+0.001x2-0.006x3-0.001x4，根據(jù)表格中“t-Stat”絕對值的大小，判斷因素的主次順序，得到阻垢劑質(zhì)量濃度對于水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)的影響高于溶解性固體總量、鈣硬度和堿硬度。

4 結(jié) 論

本文研究了聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)、聚丙烯酸(PAA)3種阻垢劑在不同的質(zhì)量濃度下對紡織空調(diào)噴淋水系統(tǒng)中碳酸鈣、硫酸鈣、碳酸鎂等的抑制作用。通過對不同質(zhì)量濃度下實驗數(shù)據(jù)的分析可以得出，PESA的抑制效果最好，在其質(zhì)量濃度為15 mg/L時阻垢效果為90.14%；PASP、PAA這2種阻垢劑在質(zhì)量濃度為15 mg/L時的阻垢率分別為83.11%和79.34%，阻垢效果則明顯低于PESA的阻垢效率。通過研究未加入PESA和加入PESA對水質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)IR的影響，得出：未加入阻垢劑時TDS對IR的影響最大，加入阻垢劑后對IR影響最為顯著的則是阻垢劑質(zhì)量濃度。由于3種阻垢劑的價格相當(dāng)且PESA的經(jīng)濟性稍優(yōu)于其他2種，所以在紡織空調(diào)噴淋水系統(tǒng)中優(yōu)先選用PESA。