無(wú)磷環(huán)保緩蝕阻垢劑研究應(yīng)用

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摘要：根據(jù)某化工廠循環(huán)冷卻水的水質(zhì)及工況特點(diǎn)，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的以新型羧酸類共聚物為主劑，包含PESA及其他助劑的無(wú)磷環(huán)保緩蝕阻垢劑，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了優(yōu)異效果。

關(guān)鍵詞：水處理藥劑；無(wú)磷；阻垢；緩蝕

20世紀(jì)20年代初，水處理藥劑開始在工業(yè)中使用，循環(huán)冷卻水處理技術(shù)已得到將近100年的發(fā)展，在技術(shù)上已經(jīng)形成了較成熟的磷系水處理技術(shù)。然而隨著環(huán)境問(wèn)題的突出，國(guó)家對(duì)磷排放標(biāo)準(zhǔn)的限制越來(lái)越嚴(yán)格，水處理藥劑的無(wú)磷化已成為必然趨勢(shì)。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(jìn)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(shù)中的大多數(shù)未獲得大規(guī)模應(yīng)用[1]，因此開發(fā)低成本的高效無(wú)磷水處理藥劑，已成為科研院所和應(yīng)用企業(yè)所面臨的迫切需求。天津某化工企業(yè)是我國(guó)綜合性大型氯堿企業(yè)之一，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)無(wú)磷緩蝕阻垢劑已成為企業(yè)發(fā)展的必然要求。該公司某分廠循環(huán)水系統(tǒng)有3套獨(dú)立循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，循環(huán)水總量20000m3•h-1，率先采用了新開發(fā)的系列無(wú)磷水處理藥劑，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了非常好的效果。

1循環(huán)冷卻水系統(tǒng)工況

循環(huán)冷卻水采用中水回用水作為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水，其水質(zhì)主要指標(biāo)如表1所示?？梢钥闯觯a(bǔ)充水的總硬度（鈣與鎂之和）只有4.19mg•L-1，相對(duì)于高硬度水質(zhì)，結(jié)垢的問(wèn)題有一定的改善，但由于循環(huán)冷卻水是在系統(tǒng)中循環(huán)利用，尤其是在高濃縮倍數(shù)條件下，結(jié)垢問(wèn)題仍然不可忽視。由于循環(huán)水與空氣接觸后，會(huì)帶入空氣中的一些雜質(zhì)，因此對(duì)水處理藥劑的分散作用提出了更高的要求。與此同時(shí)，補(bǔ)充水中的腐蝕性離子如氯離子的含量相對(duì)較高，在高濃縮倍數(shù)運(yùn)行的情況下，根據(jù)水質(zhì)RSI指數(shù)可以判定，該水質(zhì)有嚴(yán)重的腐蝕傾向，我們稱之為“低硬高氯嚴(yán)重腐蝕性水”。筆者根據(jù)該水質(zhì)及工況條件，開發(fā)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(wú)磷環(huán)保水處理藥劑。該技術(shù)可以保證系統(tǒng)在高濃縮倍數(shù)（6~7倍）條件下運(yùn)行，且排污量非常小，接近“零”排污。

2靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)

靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用水采用廠方提供的原水，水浴鍋的溫度準(zhǔn)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(zhǎng)度約為200mm的玻璃管。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，約2h要向水浴鍋中補(bǔ)充1次自來(lái)水，以免燒壞水浴鍋。阻碳酸阻垢性能的評(píng)價(jià)方法根據(jù)GB/T16632−2008《水處理劑阻垢性能的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定濾液中鈣離子的含量。阻垢率按式(1)計(jì)算。計(jì)算出的阻垢率結(jié)果見表2，可以看出阻垢率均在95%以上，說(shuō)明該藥劑具有良好的阻垢效果。

3旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)

腐蝕實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)掛片法[2]進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)水質(zhì)同靜態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)，采用RCC-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)溫度控制為(45±1)℃，實(shí)驗(yàn)試片的線速度控制為0.35m•s-1，實(shí)驗(yàn)時(shí)間96h，試片材質(zhì)：碳鋼(20#)、銅(HSn70-1A)、不銹鋼(316L)。腐蝕率通過(guò)實(shí)驗(yàn)前后試片的失重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3可以看出，20#碳鋼的腐蝕率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.075mm•a-1）,銅和不銹鋼的腐蝕率同樣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（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(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)

腐蝕極化曲線是對(duì)金屬腐蝕機(jī)理的重要分析工具之一，因此我們進(jìn)行了極化曲線測(cè)試，水處理藥劑的極化曲線測(cè)試結(jié)果如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著緩蝕劑濃度增加，陽(yáng)極曲線的斜率增大，即陽(yáng)極的極化電流受到抑制，可以判斷該藥劑為陽(yáng)極型的緩蝕劑[3]。

5動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖4所示。利用動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)[4]對(duì)無(wú)磷水處理藥劑進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，依據(jù)污垢熱阻值和腐蝕率評(píng)價(jià)水處理藥劑的效果。實(shí)驗(yàn)用水為之前的實(shí)驗(yàn)用水，換熱管采用D10mm×1mm×495mm，腐蝕試件為銅HSn70-1A、1.補(bǔ)水槽；2.集水池；3.冷卻塔；4.電動(dòng)風(fēng)門；5.填料；6.軸流風(fēng)機(jī)；7.浮球閥；8.塔底測(cè)溫元件；9.水泵；10.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和流量傳感器；11.轉(zhuǎn)子流量計(jì)；12.入口測(cè)溫元件；13.模擬換熱器；14.試驗(yàn)管；15.出口測(cè)溫元件；16,17.掛片筒；18.排污閥和流量計(jì)；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(nèi)流速2m•s-1，進(jìn)水溫度(32±2)℃，加熱蒸汽溫度為(100±0.3)℃，濃縮倍數(shù)為6.0~7.0，pH值為自然平衡，實(shí)驗(yàn)時(shí)間15d。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表4和表5。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)中，20#碳鋼的腐蝕率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.075mm•a-1）,銅和不銹鋼的腐蝕率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（0.005mm•a-1），污垢熱阻值均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)物在微生物的作用下轉(zhuǎn)化為代謝物等其他一些小分子物質(zhì)，并產(chǎn)生二氧化碳和水。水處理藥劑的環(huán)保性能可通過(guò)生物降解性來(lái)檢驗(yàn)，即水處理藥劑由微生物分解為一些小分子物質(zhì)，并且產(chǎn)生二氧化碳和水等對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)，是綠色水處理劑的重要研究方向[5]。生物降解率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6，可以看出，藥劑在第12d的生物降解率達(dá)到51.0%，第20d的生物降解率達(dá)到64.9%，說(shuō)明藥劑具有非常好的生物降解性能，符合綠色環(huán)保的要求。

7現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

新的阻垢劑在現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水系統(tǒng)使用半年以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)掛片的腐蝕速率合格率達(dá)到100%，取得了良好的緩蝕阻垢效果。現(xiàn)場(chǎng)的阻垢處理效果同樣良好，觀察換熱設(shè)備后可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)備表面光滑，無(wú)結(jié)垢現(xiàn)象。冷卻塔塔壁及填料的表面干凈無(wú)明顯異物，證明循環(huán)水系統(tǒng)的微生物控制效果優(yōu)異。從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，該水處理藥劑具有非常好的緩蝕阻垢效果，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，此外還具有易生物降解的特點(diǎn)，屬于綠色環(huán)保型緩蝕阻垢劑。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果優(yōu)異，完全能夠達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求，可以替代傳統(tǒng)的磷系水處理藥劑。

參考文獻(xiàn)：

[2]HG/T2159−1991，水處理劑緩蝕性能的測(cè)定旋轉(zhuǎn)掛片法[S].

[3]陶蕾，鄭書忠，秦立娟，等.電化學(xué)測(cè)試技術(shù)在緩蝕劑緩蝕行為研究中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2010，30(8)：1-5.

[4]HG/T2160-1991，冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)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(zhǎng)江大學(xué)，2012.

作者：郭勇 楊喻 李紅兵 單位：天津市職業(yè)大學(xué)