阻垢剂的阻垢机理及性能评定

阻垢剂的阻垢机理及性能评定

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程云章1,翟祥华2,3,葛红花2,包伯荣3

(1.上海医疗器械高等专科学校,上海,200093;

2.上海电力学院环境工程系,上海,200090;

3.上海大学化学系,上海,200436)

摘　要:较详细地介绍了目前循环冷却水常用阻垢剂的阻垢机理,包括晶格畸变、络合增溶、凝聚与分散、再生—自解脱膜假说、双电层作用机理等。同时介绍了评定阻垢剂的方法如静态阻垢法、动态模拟法、临界pH 法、鼓泡法、极限碳酸盐硬度、浊度测定法、钙离子选择电极电位分析法、玻璃电极法、恒定组分技术以及电化学方法的原理、特点和适用范围。关键词:阻垢剂;阻垢机理;评定方法

中图分类号:T K 26411 文献标识码:B 文章编号:100129529(2003)0720014205

Sca le i nh ib itory m echan is m of sca le i nh ib itor and its perfor mance eva lua tion

CH EN G Y un 2z hang 1,ZH A I X iang 2hua 2,3,GE H ong 2hua 2,B A O B o 2rong

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(1.Pharm aceu tical Engineering R esearch Group of ShanghaiM edical

In strum en tati on Co llege ,Shanghai 200093,Ch ina ;

2.Environm en t Engineering D ep t .of Shanghai E lectric Pow er In stitu te ,Shanghai 200090,Ch ina ;

3.D ep t .of Chem istry of ShanghaiU n iv .,Shanghai 200436,Ch ina )

Abstract :T he scale inh ib ito ry m echan is m s of scale inh ib ito r ,w h ich is often u sed in circu lating coo ling w ater w ere in troduced in detail ,including m echan is m s of crystal lattice aberrati on ,increased so lub ility by comp lex 2ing ,coagu lati on and dispersi on ,regenerati on and self 2ex tricati on p resum e ,and doub le electrical layer effect etc .T he m ethods of perfo rm ance assess m en t of scale inh ib ito r ,such as static state scale inh ib iti on m ethod ,dynam ic si m u lati on m ethod ,critical pH m ethod ,bubb ling m ethod ,critical carbonate hardness ,tu rb idity m easu rem en t ,calcium i on selective electrode po ten tial analysis ,glass electrode analysis ,con stan t compo si 2ti on techno logy and the electrochem ical m ethod w ere all described .T he p rinci p le ,featu re and app licati on scope of the above m ethods w ere also discu ssed .

Key words :scale inh ib ito r ;scale inh ib ito ry m echan is m ;assess m en t m ethod

3上海市高等学校科学技术发展基金(编号:020K 01)及上海市教委重点培育学科基金资助项目。

工业循环冷却水系统为了尽量节约水资源而提高浓缩倍数,但却加快了一些难溶钙盐的沉淀趋势,使结垢问题更加严重。结垢会降低传热效率,阻塞水流,产生垢下腐蚀,从而增加了设备的清洗频率,因此有效抑制结垢是保持冷却水系统良好状态的关键。目前国内外循环冷却水系统普遍采用阻垢剂,以延缓无机垢的生成。阻垢剂的发展经历了从最初的天然有机物到无机聚磷酸盐,直至现在的全有机配方聚合物的过程。随着全球

环境问题的日益严重,阻垢剂也正在向无毒无害的无磷、低磷新型高效的环境友好型绿色阻垢剂的方向发展[1]。阻垢剂发展的一个关键是掌握准确有效的评价方法、研究其总体性能及其分子结构等对垢形成基本过程的影响。

随着阻垢剂的不断开发,出现了许多新的有效评定阻垢性能的方法。本文对人们普遍认同的阻垢剂的阻垢机理及几种传统的阻垢剂评定方法及其发展作了综述。

1　常用阻垢剂的阻垢机理

目前循环冷却水系统中常用的阻垢剂有:聚

丙烯酸类、膦酸类、膦羧酸类和有机磷酸脂类等。

阻垢剂的阻垢机理比较复杂,随着沉淀过程动力学、成垢预测模型和各种阻垢技术的大量研究,使成垢机理的研究和结垢的控制有了很大的进展[2-5]。一般认为成垢物质和溶液之间存在着动态平衡,阻垢剂能够吸附到成垢物质上,并影响垢的生长和溶解的动态平衡。阻垢剂的阻垢机理[1]主要有以下几种:

(1)晶格畸变[6,7]

碳酸钙微晶成长时按照一定的晶格排列,结晶致密而坚硬。加入阻垢剂后,阻垢剂吸附在晶体上并掺杂在晶格的点阵中,对无机垢的结晶形成了干扰,,或使大晶体内部的应力增大,从而使晶体易于破裂,阻碍了垢的生长。

(2)络合增溶[6,7]

络合增溶作用是阻垢剂在水中能够与钙镁离子形成稳定的可溶性螯合物,将更多的钙镁离子稳定在水中,从而增大了钙镁盐的溶解度,抑制了垢的沉积。

(3)凝聚与分散[6,7]

阴离子型阻垢剂,在水中解离生成的阴离子在与碳酸钙微晶碰撞时,会发生物理化学吸附现象,使微晶粒的表面形成双电层,使之带负电。因阻垢剂的链状结构可吸附多个相同电荷的微晶,静电斥力可阻止微晶相互碰撞,从而避免了大晶体的形成。在吸附产物碰到其它阻垢剂分子时,将已吸附的晶体转移过去,出现晶粒均匀分散现象,从而阻碍了晶粒间和晶粒与金属表面的碰撞,减少了溶液中的晶核数,将碳酸钙稳定在溶液中。

(4)再生—自解脱膜假说[8]

聚丙烯酸类阻垢剂能在金属传热面上形成一种与无机晶体颗粒共同沉淀的膜,当这种膜增加到一定厚度后,在传热面上破裂,并带一定大小的垢层离开传热面。由于这种膜的不断形成和破裂,使垢层的生长受到抑制。

(5)双电层作用机理[9]等

认为对有机膦酸盐类阻垢制的作用是由于阻垢剂在生长晶核附近的扩散边界层内富集,形成双电层并阻碍垢离子或分子簇在金属表面凝结。

上述的几种机理是目前人们普遍认同的推测,对于阻垢剂的阻垢机理还有待于进一步研究。利用扫描电镜可以观察晶体的成核、生长、聚集和吸附,还可以表征垢的沉淀过程中微粒大小、形态、和频率[10]。在相同实验条件下,可以研究不同阻垢剂对晶体的生长、碳酸钙的成核频率、生长速率以及微粒形态的影响。利用原子显微镜研究阻垢剂存在时碳酸钙晶体的生长,可以看出阻垢剂对生长的抑制作用是由于其有限吸附进入晶体表面步边缘、坎坷等活性生长点[11]。x—衍射观测法是研究晶体生长的一种有效方法。从垢样的x—衍射图,通过比较衍射强度、衍射角变化及晶轴等参数,可以判断阻垢剂存在前后垢样的细碎程度、晶体的畸变程度及晶系的变化,这就从微观上解释了晶体生长的抑制过程[12]。

2　评定阻垢剂阻垢性能的常用方法

(1)静态阻垢法[13]

是目前广泛使用的方法,其原理为:配制一定体积、浓度的含Ca2+、M g2+硬水,加入等当量的C02-3或SO2-4溶液。在一定温度和pH条件下,经过一定时间,使碳酸钙或硫酸钙沉淀完全。然后,用已知浓度的ED TA溶液测定水中的剩余硬度,得到用作比较的空白试验值。在同样组成的溶液中,加入一定量的阻垢剂,测定其剩余硬度值。所得数值与空白值相比即为阻垢率。水中剩余硬度值越大,则阻垢效果越好。

静态法设备简单,试验周期短,可同时进行大批量筛选,但操作时控制条件不同,对测试结果有很大影响。同时也存在许多缺点:①它只能反映水体中无机垢沉淀量,不能反映出垢的形态、粘着性和结晶特性,也不能用这一方法来测试污泥。②虽然可以在较高的温度下进行测试,但该温度为水体温度而非传热面温度。③测试方法中未考虑像流速、腐蚀、表面状态等对结垢有明显影响的因素及微生物等的拖曳效应。

因此,静态法只能用于初步筛选,陈文谨[14]等在该法的应用中,比较了不同的实验药品及操作方法对阻垢率测定的影响,提出了一个不易受各种条件变化干扰、重现性好、可信度高的实验方案。

(2)动态模拟法[13,15]

用监测污垢的动态法评价阻垢剂性能对于阻