中等硬度水緩蝕阻垢劑TH-628的性能及應用研究

賀茂才，田忠偉，任澤旭，高燦柱

（1.山東省泰和水處理有限公司，山東 棗莊277100；2.山東大學 環境科學與工程學院，山東 濟南250100）

我國水資源極度匱乏，人均占有率僅為世界平均水平的四分之一，而且水資源時空分布不勻。而近年來，隨著我國經濟的快速發展，工業用水量日益增長，水資源短缺和水污染問題日益顯現，節約用水已成為我國可持續發展的必然趨勢。其中對占工業用水量70%～80%的冷卻水進行濃縮循環使用是一項節水、節能、減排、降耗的有效措施[1，2]。

目前，國內工業循環冷卻水處理設計規范要求濃縮倍數一般不小于3倍。而對于長江流域、秦嶺淮河流域、西南地區、華北地區和東北地區的補充水經濃縮3倍后其水質多為中等硬度水，所以中等硬度水的使用區域和行業非常廣泛。因此，為解決中等硬度循環水的腐蝕和結垢問題，滿足市場的應用需要，同時使產品的應用更有針對性，本課題組經多次試驗和現場應用，研制了中等硬度水緩蝕阻垢劑TH-628，并實現了大規模工業化生產、銷售并應用于工業循環冷卻水系統[2-4]。而目前文獻中關于中等硬度水的性能和應用研究鮮有報道，因此，本課題組對中等硬度水緩蝕阻垢劑TH-628的性能和應用進行了深入研究。

本文通過試驗分別考察了不同藥劑濃度下TH-628、ATMP和HEDP的靜態CaCO3阻垢率（國標GB/T 16632-2008），通過與ATMP和HEDP的對比，來說明TH-628優異的阻垢性能[5]。此外，通過梯度濃縮試驗考察了在不結垢的情況下，TH-628對中等硬度水所能達到的最高鈣硬加總堿之和。此外，還參照GB/T 18175-2000標準分別考察了TH-628對碳鋼和銅材質的緩蝕效果[6]。結果說明：與ATMP和HEDP相比，TH-628對中等硬度水具有較優異的阻垢效果，同時對碳鋼、銅材質具有良好的緩蝕作用，符合GB50050-2007標準要求。

此外，通過在東北一家電廠進行了現場應用，證明TH-628在中等硬度循環冷卻水中具有良好的阻垢和緩蝕效果。系統運行6個月后，電廠循環水系統運行良好，循環水管道及凝汽器管壁未發現明顯的結垢和腐蝕現象。

此外，HEDP、ATMP等常規有機膦緩蝕阻垢劑因其含磷量高（以磷元素計分別為30.1%、31.1%），已很難適應環保要求。而TH-628的含磷量僅為ATMP或HEDP含磷量的二分之一，而緩蝕和阻垢性能更優異，符合目前水處理藥劑的綠色環保的發展方向[7，8]。

1 阻垢劑的組成

中等硬度水緩蝕阻垢劑TH-628主要由多種有機膦羧酸、聚羧酸、含磺酸鹽共聚物、緩蝕劑等物質組成，對水中的碳酸鈣、磷酸鈣等均有很好的螯合分散作用，利用有機膦酸鹽和緩蝕劑在金屬表面形成的保護膜起到緩蝕作用對碳鋼、銅具有良好的緩蝕效果[4，7]。中等硬度水緩蝕阻垢劑TH-628主要用于循環冷卻水系統的緩蝕阻垢，如電廠、化工廠、中央空調等循環冷卻水系統。其阻垢力強、緩蝕效果好，可實現高濃縮倍率下運行。

2 實驗部分

2.1 材料與儀器

試 驗 用 NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgSO4、NaCl、EDTA-Na2、四硼酸鈉、濃HCl等試劑均為分析級；水為蒸餾水；阻垢緩蝕劑TH-628（30%）、ATMP（50%）和HEDP（50%）均為山東省泰和水處理有限公司產品。

預膜試驗儀器（江蘇高郵儀器廠）；RCC-I型旋轉掛片腐蝕測定儀。

2.2 試驗方法

TH-628、ATMP和HEDP的靜態CaCO3阻垢試驗參考GB/T 16632-2008《水處理劑阻垢性能的測定-碳酸鈣沉積法》，通過投加一系列濃度的TH-628、ATMP和HEDP，來考察相同濃度下3種藥劑的阻垢效果。

TH-628梯度濃縮試驗：考察TH-628能使中等硬度水質所能達到的最高鈣硬和總堿度，試驗方法見2.4.1。

緩蝕試驗為旋轉掛片法，方法參照GB/T18175-2000《水處理劑緩蝕性能測定－旋轉掛片法》；掛片分別為A3碳鋼、銅材質兩種；將已稱量的金屬試片分別掛入加緩蝕劑的試驗介質中，在規定條件下浸泡到一定的時間，然后取出試片，經清洗干燥處理后稱量，根據試片的質量損失分別計算出腐蝕速率。

2.3 阻垢試驗

2.3.1 靜態 CaCO3阻垢試驗 TH-628、ATMP和HEDP的靜態CaCO3阻垢試驗采用GB/T 16632-2008《水處理劑阻垢性能的測定-碳酸鈣沉積法》。考察相同加藥濃度下3種藥劑的阻垢率，其加藥梯度分別為1、2、3、4、5mg·L-1（干基），實驗結果見表1。

表1 補充水水質分析（mg·L-1）Tab.1 Water quality analysis of feeding water

根據表1的結果可知，3種產品中，TH-628的靜態阻碳酸鈣垢性能最好，在同一加藥濃度下均高于HEDP和ATMP的靜態阻垢率。此外TH-628的磷含量最低，僅為HEDP或ATMP的二分之一，符合低磷環保的要求。之后通過梯度濃縮試驗進一步評價TH-628的阻垢效果。

圖1 靜態阻垢試驗結果Fig.1 Results of static scale inhibition test

2.4 梯度濃縮阻垢試驗

由于TH-628在標準GB/T 16632-2008下的阻CaCO3垢效果較好，為了進一步考察TH-628對中等硬度循環水的阻垢效果，進行了梯度濃縮阻垢試驗，可以進一步考察在TH-628存在下，體系所能達到的最大鈣硬總堿值。因此，用東北地區一家電廠的補充水進行了試驗。

2.4.1 試驗方法 將數份1L的補充水（水質如表1所示）分別置于2L的燒杯中，每份中加入TH-628藥劑（以補充水計 10mg·L-1，干基），不斷濃縮，定期取樣測剩余水質量，計算濃縮倍數并化驗水質，直至水樣中出現較多沉淀并且鈣硬總堿之和出現大幅下降后停止。通過鈣硬總堿之和的最高值評價藥劑的阻垢效果，其峰值越高，即達到的最高鈣硬總堿之和越高，其對水質的有效阻垢上限越高。

實驗條件：恒溫水浴40℃；藥劑為TH-628（以補充水計 10mg·L-1，干基）；水樣為 THK-LN-086補充水（水質分析見表1）。

2.4.2 試驗結果 通過表1的水質分析可知，此補充水為低硬水，經3倍循環濃縮后，水質會達到中硬水或硬水，易結垢[4]，實驗結果見圖2。

圖2 阻垢試驗結果Fig.2 Results of scale inhibition test

由圖2可見，經濃縮試驗，在濃縮至超過4倍后，體系開始出現少量結垢，此時體系的鈣硬度達到 345.7mg·L-1，鈣硬加總堿度值為 890.83mg·L-1。這說明在高堿的中硬水或硬水中，通過不斷濃縮，在系統不結垢的情況下，TH-628可以使補充水達到較高的濃縮倍數，完全符合GB50050-2007要求。

由于體系中TH-628的阻垢、分散作用，水中有少量結垢不會對循環水造成影響。因此，隨著濃縮倍數的提高，體系的最高鈣硬加堿度值還會上升。試驗結果顯示鈣硬加總堿值在濃縮倍數為4.23倍時達到最高，為936.65mg·L-1。達到最大值之后，隨濃縮和結垢的不斷進行，TH-628的阻垢和分散效果下降，導致其鈣硬和總堿之和急劇下降，則停止濃縮試驗。因此，TH-628可以有效控制此硬水濃縮到3.5倍以上，并維持循環水系統的正常運轉。

2.5 緩蝕試驗

參照GB/T 18175-2000《水處理劑緩蝕性能測定－旋轉掛片法》，分別進行碳鋼和銅材質掛片腐蝕試驗。

試驗條件：溫度（50±1）℃，旋轉掛片，試片材質為A3碳鋼和銅材質，面積為28cm2，轉速90r·min-1，試片不經預膜處理，試驗時間72h，試驗水為按照循環水的配水。

2.5.1 緩蝕試驗 TH-628對循環水的配水的緩蝕性能試驗，按循環水的配水一次性加藥15mg·L-1（干基），其水質指標如表2。

表2 配水水質分析（mg·L-1）Tab.2 Detection results of preparing water

由表2可見，該水質是中等硬度水，易結垢，且容易引起垢下腐蝕[4]。其緩蝕試驗結果如表3所示：TH-628對碳鋼、銅材質的腐蝕速率分別為0.0446、0.0017mm·a-1，完全符合國家標準GB50050-2007的要求（碳鋼＜0.075mm·a-1，銅材質＜0.005mm·a-1），并且其腐蝕速率遠低于國家標準要求。此結果說明：對于中等硬度水質，TH-628對碳鋼、銅材質均具有良好的緩蝕效果。

3 現場應用

水處理藥劑的使用效果和循環水的現場運行條件密切相關。由于TH-628藥劑對中等硬度水的阻垢和緩蝕效果明顯。因此，在遼寧一家電廠進行了現場應用，該廠補充水水質分析結果見表1，循環冷卻水濃縮3～3.5倍。

對系統投加TH-628，并經過長時間的現場監測，循環水加藥量為40mg·L-1，循環水中有機磷控制在約 3.0～4.0mg·L-1之間，實驗結果見表3。

表3 TH-628對碳鋼和銅的緩蝕試驗結果Tab.3 Corrosion results of TH-628 for carbon steel and copper

表4 TH-628對碳鋼的緩蝕試驗結果Tab.4 Corrosion results of TH-628 for carbon steel on site

結果顯示（表4）：運行6個月，電廠運行情況良好。檢修發現循環水管道及凝汽器管壁狀況良好，循環水池懸掛的掛片表面光滑，無明顯腐蝕和結垢現象，其腐蝕速率為 0.0490mm·a-1，符合GB50050-2007的標準要求（碳鋼＜0.075mm·a-1）。

4 結論

（1）對比中等硬度水緩蝕阻垢劑TH-628與ATMP和HEDP在相同藥劑濃度下的阻CaCO3效率。結果說明：投加相同的藥劑量，TH-628的阻碳酸鈣效率均高于ATMP和HEDP，TH-628藥劑濃度為5mg·L-1時的CaCO3阻垢率為66.4%。

（2）梯度濃縮試驗結果說明TH-628能使濃縮后的循環水的鈣硬總堿之和達到900mg·L-1以上，使補充水濃縮3倍以上，達到中硬或硬水而不結垢，符合GB50050-2007《工業循環冷卻水處理設計規范》要求。

（3）通過TH-628緩蝕性能試驗說明TH-628對中等硬度水中的碳鋼、銅材質具有良好的緩蝕效果，其腐蝕速率分別為 0.0446、0.0017mm·a-1，均符合GB50050-2007要求。

（4）通過在東北地區一電廠的現場應用6個月，證明TH-628對中等硬度循環水系統具有良好的緩蝕和阻垢效果，其腐蝕速率為0.0490mm·a-1，符合GB50050-2007的標準要求。這對于解決使用區域和行業非常廣泛的中等硬度水的腐蝕和結垢問題，具有重要的經濟和環境效益。

［1］任樹梅.水資源保護［M］.北京:中國水利水電出版社,2003.

［2］鄭書忠.循環冷卻水水質及水處理劑標準應用指南［M］.北京:化學工業出版社,2003.

［3］GB50050-2007《工業循環冷卻水處理設計規范》［S］.中華人民共和國建設部,北京:中國計劃出版社出版,2008:

［4］周本省.工業水處理技術（第二版）［M］.北京:化學工業出版社,2002.

［5］GB/T16632-2008《水處理劑阻垢性能的測定》［S］.中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局/中國國家標準化委員會,北京:中國標準出版社出版,2008.1-3.

［6］GB/T18175-2000《水處理劑緩蝕性能的測定-旋轉掛片法》［S］.國家質量技術監督局,北京2000.7-12.

［7］鮑其鼐.我國循環冷卻水處理30年［J］.工業水處理,2010,30（12）:6-14.

［8］鄭書忠.我國工業冷卻循環水發展現狀與展望［C］.2009中國水處理技術研討會論文集,桂林,2009.1-9.