不同極限黏度無磷聚合物在含余氯循環(huán)水中的應(yīng)用

馮 婕，酈和生，胡艷華

(中國石油化工股份有限公司北京化工研究院，北京102500)

隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)和環(huán)境法規(guī)的日趨嚴(yán)格，環(huán)保部門對磷的使用已開始限制［1-2］，對水處理劑中磷含量的限制也越來越嚴(yán)格，近幾年國內(nèi)外開發(fā)出很多無磷的綠色阻垢緩蝕劑，其阻垢緩蝕性能優(yōu)良，正在逐漸取代原有含磷阻垢分散劑［3-5］。但是目前工業(yè)上主要通過投加氧化性殺菌劑來控制循環(huán)水細(xì)菌數(shù)量，最常見的有強(qiáng)氯精、優(yōu)氯凈等，投加這些殺菌劑時，水中需要保持一定濃度的余氯才能起到殺菌效果，而余氯對水中的水處理劑具有一定的氧化分解作用，新開發(fā)的無磷阻垢緩蝕劑需要具有一定的抗氧化性，在高余氯的循環(huán)水中仍具有較好的緩蝕阻垢性才能完全替代原有含磷藥劑，且聚合物極限黏度不同其性能也不同［6］。本文通過改變實驗條件合成了不同極限黏度的無磷聚合物AA/AMPS/HPA，并對不同極限黏度的 AA/AMPS/HPA在含余氯的不同水質(zhì)中的穩(wěn)鋅鹽、穩(wěn)磷酸鈣和緩蝕的性能進(jìn)行了研究。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備及主要藥劑

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、分光光度計、自控恒溫水浴鍋、四口燒瓶、溫度計、回流冷凝裝置、恒壓滴液漏斗、烏氏黏度計和恒溫干燥箱。

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸羥丙酯(HPA)和強(qiáng)氯精為工業(yè)品級;丙烯酸(AA)、過硫酸銨、焦亞硫酸鈉和其他分析試劑均為分析純級。

1.2 AA/AMPS/HPA聚合物的合成

在裝有回流冷卻器、溫度計、恒壓滴液漏斗和磁力攪拌器的四口燒瓶中加入一定量的水和還原劑，升溫并攪拌;當(dāng)水溫達(dá)到一定值時，開始滴加AA，AMPS和HPA的單體混合溶液和氧化劑的水溶液，嚴(yán)格控制滴加速度，使瓶中溫度保持在一定范圍內(nèi);滴加完畢后繼續(xù)保持一定溫度反應(yīng)一段時間，冷卻得到聚合物AA/AMPS/HPA。

1.3 聚合物阻垢性能評價實驗方法

參照《冷卻水分析和試驗方法》第402和403條規(guī)定，分別評價藥劑對Ca3(PO4)2和鋅鹽的阻垢性能。

1.4 聚合物在含余氯循環(huán)水中性能的評價方法

實驗選取極限黏度分別為0.0803，0.0994，0.1157，0.1347，0.1572，0.1770，0.2290 dL/g 的無磷聚合物AA/AMPS/HPA進(jìn)行實驗。室溫下，取8個30 L敞口塑料桶，分別投加15 L配置實驗用水，其中Ca2+質(zhì)量濃度1000 mg/L，Zn2+質(zhì)量濃度6 mg/L，PO43－質(zhì)量濃度6 mg/L，余氯質(zhì)量濃度2 mg/L，堿度分三個階段投加，初始堿度值為100 mg/L，實驗進(jìn)行至第22 d，補(bǔ)加堿度至280 mg/L，至第46 d，補(bǔ)加堿度至900 mg/L。在1～7號實驗桶中按極限黏度由小到大分別投加無磷聚合物AA/AMPS/HPA2 mg/L，8號桶為空白實驗。每天通過補(bǔ)加強(qiáng)氯精使水中余氯保持在1～2 mg/L，每天檢測PO43－和Zn2+的含量和pH值，并調(diào)節(jié)pH值與初始水樣相同，直到水中PO43－和Zn2+質(zhì)量濃度低于2 mg/L，才停止實驗。每天取樣前補(bǔ)充蒸發(fā)水量。

1.5 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

參照《循環(huán)冷卻水分析與監(jiān)測方法》對Ca2+、堿度、PO43－和Zn2+和余氯進(jìn)行分析。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 AA/AMPS/HPA的穩(wěn)鋅和穩(wěn)磷性能

通過實驗室容量瓶法對不同極限黏度AA/AMPS/HPA穩(wěn)鋅和穩(wěn)磷的性能進(jìn)行研究，實驗結(jié)果見表1。

表1 不同極限黏度AA/AMPS/HPA的阻垢性能Table 1 Scale inhibitors property of AA/AMPS/HPA with different limiting viscosity

從表1看出不同極限黏度的AA/AMPS/HPA對鋅鹽和Ca3(PO4)2均具有較好的阻垢效果，且不同極限黏度的聚合物阻垢效果相差不大。雖然有一些聚合物的極限黏度已超出國標(biāo)要求的范圍(0.055～0.100 dL/g)，對鋅鹽和Ca3(PO4)2的阻垢性能仍然較好。

2.2 AA/AMPS/HPA穩(wěn)鋅性能

通過以上配水實驗研究不同極限黏度無磷聚合物AA/AMPS/HPA對Zn2+的穩(wěn)定效果，實驗中Zn2+含量的變化見圖1。

圖1 在含余氯配水中不同極限黏度AA/AMPS/HPA對Zn2+的穩(wěn)定效果Fig.1 Stabilities of AA/AMPS/HPA with different limiting viscosity to Zn2+in high residual chlorine water

從圖1可以看出隨著實驗時間的延長，溶液中Zn2+含量逐漸降低，余氯使該聚合物的穩(wěn)鋅性能稍有降低但影響不大;堿度低于280 mg/L的條件下，Zn2+含量降低緩慢，基本在5 mg/L左右，此時該聚合物穩(wěn)鋅效果較好;當(dāng)堿度增加至900 mg/L時，Zn2+含量急劇下降，此時該聚合物的穩(wěn)鋅效果較差，隨著鈣堿離子的大量沉積Zn2+也大量沉積，實驗結(jié)束時水中Zn2+質(zhì)量濃度基本低于3 mg/L。由此可知配水中堿度對Zn2+的沉積影響較大。該聚合物極限黏度不同穩(wěn)鋅效果相差不大，極限黏度低于0.12 dL/g時穩(wěn)鋅性能稍好。

2.3 AA/AMPS/HPA穩(wěn)磷性能

通過以上配水實驗研究不同極限黏度無磷聚合物AA/AMPS/HPA的穩(wěn)定的性能，實驗中PO43－含量的變化如圖2所示。從圖2可以看出在實驗初始階段PO43－含量快速減少，其原因可能是溶液中余氯對該聚合物對PO43－的穩(wěn)定性能有一定影響;之后PO43－的變化規(guī)律與Zn2+的變化規(guī)律基本一致，隨著實驗時間的延長，堿度低于280 mg/L時溶液中PO43－基本恒定，約為5 mg/L，此時該聚合物的阻磷酸鈣垢效果較好且比較穩(wěn)定;當(dāng)堿度增加至900 mg/L時，PO43－含量急劇下降，此時該聚合物的阻垢效果較差，PO43－大量沉積，實驗結(jié)束時PO43－質(zhì)量濃度均低于3.5 mg/L;該聚合物極限黏度不同阻磷效果相差不大，極限黏度低于0.12 dL/g時效果稍好。

2.4 AA/AMPS/HPA緩蝕性能

同時在實驗配水中進(jìn)行腐蝕掛片實驗，每個水樣中分別懸掛碳鋼、黃銅和不銹鋼試片，并按聚合物極限黏度從小到大分別投加2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 mg/L 苯并三氮唑，空白實驗投加5 mg/L苯并三氮唑進(jìn)行實驗。三種試片腐蝕實驗結(jié)果見圖3。

圖2 在含余氯配水中不同極限黏度AA/AMPS/HPA對PO43－的穩(wěn)定效果Fig.2 Stabilities of AA/AMPS/HPA with different limiting viscosity to PO43－in high residual chlorine water

圖3 在含余氯配水中不同極限黏度AA/AMPS/HPA的緩蝕性能Fig.3 Corrosion inhibition property of AA/AMPS/HPA with different limiting viscosity in high residual chlorine water

從圖3可以看出該水質(zhì)條件下不銹鋼基本沒有腐蝕，無論是否投加聚合物不銹鋼腐蝕速率均為0;該水質(zhì)條件下投加苯并三氮唑緩蝕劑后黃銅也基本沒有腐蝕，且苯并三氮唑的投加量選擇2 mg/L即可;該水質(zhì)對碳鋼的腐蝕較為嚴(yán)重，未投加無磷聚合物AA/AMPS/HPA時碳鋼腐蝕速率高達(dá)0.06 mm/a，投加無磷聚合物AA/AMPS/HPA后腐蝕速率明顯降低，且極限黏度低于0.12 dL/g的聚合物對碳鋼的緩蝕效果較好，腐蝕速率約為0.035 mm/a。

3 結(jié)論

無磷聚合物AA/AMPS/HPA在Ca2+質(zhì)量濃度1000 mg/L、堿度280 mg/L時對 Zn2+和穩(wěn)定效果較好;在Ca2+質(zhì)量濃度1000 mg/L、堿度900 mg/L時穩(wěn)定效果較差;

余氯對無磷聚合物AA/AMPS/HPA穩(wěn)鋅和穩(wěn)磷性能影響不大;

無磷聚合物AA/AMPS/HPA對碳鋼有一定的緩蝕作用;

不同極限黏度的無磷聚合物AA/AMPS/HPA對鋅鹽和Ca3(PO4)2均具有較好的阻垢效果，當(dāng)其極限黏度低于0.12 dL/g時在含余氯配水中阻垢和緩蝕效果稍好。

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