阻垢原理

阻垢剂分类

阻垢剂可按照多种方法进行分类。

根据使用效能，阻垢剂可分为普通阻垢剂和高效阻垢剂。普通阻垢剂用于浓缩倍率低一些的应用场合；而高效阻垢剂则用于浓缩倍率很高的应用场合，比如RO/NF系统，浓缩倍率常常达到4倍甚至更高，浓缩后的水极不稳定，有很强的结垢倾向。因此，膜系统一般推荐使用高效阻垢剂，在膜系统中使用普通阻垢剂经实践证明很不安全。

高效阻垢剂根据pH值的不同，又可分为酸性和碱性阻垢剂。无论是酸性还是碱性，其阻垢效率的高低，取决于阻垢剂本体对水中结垢离子有效的螯合增溶作用、晶格畸变作用以及吸附与分散作用。阻垢剂溶液呈酸性或碱性，是本体在水溶液中以有机酸或其钠盐形式表现的结果。它的酸碱性并不决定其阻垢性能的好坏。至于碱性阻垢剂能改变给水的pH值，将给水的LSI值提高，造成CaCO3结垢的说法，有夸大之虞。这是因为反渗透系统的投加量非常小，一般控制值为2~3mg/L（以标准液计），而水中含有大量HCO3－物质，实属典型的缓冲溶液，如此小的剂量不可能明显改变原水的pH值，不足为虑。而某些碱性阻垢剂成分更稳定，阻垢性能更好。

阻垢原理

无机垢的形成过程可分为下面3个步骤：

● 形成过饱和溶液；

● 生成晶核；

● 晶核成长，形成晶体。

这3个步骤中有一个遭到破坏，结垢过程即被减缓或抑制。阻垢剂的作用就是有效阻止这些步骤中的一个或几个，以达到阻垢目的。阻垢剂干扰晶体生长的机理有如下几种说法：

1．螯合增溶作用

螯合增溶作用是指阻垢剂与水中Ca2＋、Mg2＋、Sr2＋、Ba2＋等高价金属离子络合成稳定的水溶性螯合物，使水中游离态钙、镁离子的浓度相应降低，这样就好像使CaCO3等物质的溶解度增大了，本来会析出溶液的CaCO3等物质实际上没有形成沉淀。

所谓阈限效应阻垢是指只需向溶液中加入少量的阻垢剂，就能稳定溶液中大量的结垢离子，它们之间不存在严格的化学计量关系，当阻垢剂的量增至过大时，其稳定阻垢作用并无明显改进。

2．晶格畸变作用

晶体正常形成的过程是微粒子（离子、原子或分子）根据特定的晶格方式进行十分有规则的排列，从而形成外形规则、熔点固定、致密坚固的物质结构。所谓晶格畸变是指在晶体生长的过程中，常常会由于晶体外界的一些原因，而使得晶体存在空位、错位等缺陷或形成镶嵌构造等畸变，其结果使同一晶体的各个晶面发育不等。晶体中这种局部组分的差异会导致晶体内部的应力，晶体本身与镶嵌物质膨胀系数的不同也会导致应力。这些应力使晶体不稳定。当环境发生某些变化时，大晶体便会碎裂成小晶体。

阻垢剂分子由于吸附在位于晶体活性生长点的晶格点阵上，使晶体不能按照晶格排列正常生长，使晶体发生畸变，使晶体的内部应力增大导致晶体破裂，从而防止微晶沉积成垢，达到阻垢目的。其过程见下图所示：

晶体生长过程阻垢剂对晶体生长的影响

3．吸附与分散作用

阻垢分散剂属于阴离子有机化合物，可因物理化学吸附作用而吸附于胶体颗粒及微晶粒子上，在颗粒表面形成新的双电层，改变颗粒表面原来的电荷状况。于是，因同性电荷相排斥而使它们稳定地分散在水体中。

结垢倾向计算

对于一定水质的给水，在反渗透系统运行过程中是否会发生结垢，是否应该选用阻垢剂以及选用何种阻垢剂对给水进行处理？要准确地回答这些问题，就需要对反渗透系统浓水进行结垢倾向计算。所谓结垢倾向计算，是指对特定结垢对象，选用特定的结垢判断标准，并对标准所涉各种参数进行计算，从而判断水中有无可能形成污垢的过程。

根据结垢种类的不同，结垢倾向计算一般分为三类：

一是CaCO3结垢倾向计算；

二是CaSO4、BaSO4、SrSO4、CaF2结垢倾向计算；

三是SiO2结垢倾向计算。

式中：pH——运行温度下，水的实际pH值

pHs——CaCO3饱和时，水的pH值

判断水中CaCO3结垢倾向的依据：

● 未加阻垢剂情况

若LSI<0，则有CaCO3溶解倾向；

若LSI>0，则有CaCO3结垢倾向。

● 加阻垢剂情况

TJ Treat® 100阻垢/分散剂控制LSI≤3.2，不会产生CaCO3结垢倾向；

TJ Treat® 200阻垢/分散剂控制LSI≤3.5，不会产生CaCO3结垢倾向。

pHs的计算方法如下：

式中：A——与水中溶解固体含量有关的常数

[TDS]——总溶解固体含量（mg/L）

B——与水的温度有关的常数

t ——水温（℃）

C——与水中钙硬度有关的常数

D——与水中全碱度有关的常数

[AlK]——碱度（mg/L，以CaCO3计）

①浓水pHs计算

以下符号所表达的含义为计算浓水侧LSI值所需而设定：

CF：反渗透装置浓缩倍数

Y：反渗透系统回收率（以小数点表示）

f：下标（表示给水）

b：下标（表示浓水）

[TDS]f：给水总溶解固体含量（mg/L）

[TDS]b：浓水总溶解固体含量（mg/L）

[Ca2＋]f：给水钙浓度（mg/L，以CaCO3计）

[Ca2＋]b：浓水钙浓度（mg/L，以CaCO3计）

[AlK] f：给水碱度（mg/L，以CaCO3计）

[AlK] b：浓水碱度（mg/L，以CaCO3计）

pH f：给水pH值

pH b：浓水pH值

CPR：浓差极化值，其值为

式中Cs为膜表面盐浓度，Cb为主体水盐浓度

表3 A、B、C、D系数换算表

总溶解固体mg/L

A 温度℃

B 钙硬度或M-碱度（以CaCO3计）mg/L C或D 钙硬度或M-碱度（以CaCO3计）mg/L C或D

45 0.07 0 2.60 10 1.00 130 2.11

60 0.08 2 2.54 12 1.08 140 2.15

80 0.09 4 2.49 14 1.15 150 2.18

105 0.10 6 2.44 16 1.20 160 2.20

140 0.11 8 2.39 18 1.26 170 2.23

175 0.12 10 2.34 20 1.30 180 2.26

220 0.13 15 2.21 25 1.40 190 2.28

275 0.14 20 2.09 30 1.48 200 2.30

340 0.15 25 1.98 35 1.54 250 2.40

420 0.16 30 1.88 40 1.60 300 2.48

520 0.17 35 1.79 45 1.65 350 2.54

640 0.18 40 1.71 50 1.70 400 2.60

800 0.19 45 1.63 55 1.74 450 2.65

1000 0.20 50 1.55 60 1.78 500 2.70

1250 0.21 55 1.48 65 1.81 550 2.74

1650 0.22 60 1.40 70 1.85 600 2.78

2200 0.23 65 1.33 75 1.88 650 2.81

3100 0.24 70 1.27 80 1.90 700 2.85

≥ 4000 0.25 80 1.16 85 1.93 750 2.88

≤ 13000 90 1.95 800 2.90

95 1.98 850 2.93

100 2.00 900 2.95

105 2.02

110 2.04

120 2.08

在考虑浓差极化的情况下，CF与反渗透系统回收率Y有如下关系：

CF

根据经验膜表面盐浓度一般高于主体水盐浓度的20％，因此浓差极化比值：

CPR 故

CF

● 浓水侧钙浓度计算：

由[Ca2＋]b查表3可得出C值；

● 浓水侧总溶解固体含量计算：

由[TDS]b值查表3可得出A值；

● 浓水水温取进入反渗透装置前的水温，查表3可得出B值；

● 浓水侧碱度计算：