污水回用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中使用的無磷阻垢緩蝕劑研究

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(1.安徽省藍(lán)天能源環(huán)保科技有限公司,安徽 合肥 231603；2.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230000；3.合肥市工業(yè)水處理劑工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230000)

為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，很多企業(yè)已經(jīng)將污水處理后又回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，這樣既可減少排污費(fèi)用，又可節(jié)省大量新鮮水，對(duì)保護(hù)水資源具有重要意義。但處理后的污水濁度高，有機(jī)物、無機(jī)鹽、氯離子等含量高，用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時(shí)，容易造成系統(tǒng)結(jié)垢和設(shè)備腐蝕[1]。為解決上述問題，一般需在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中添加阻垢緩蝕劑。目前常用的阻垢緩蝕劑為有機(jī)膦系藥劑，但有機(jī)膦類藥劑不能有效地抑制磷酸鈣垢和鋅垢的形成，也不能解決氧化鐵沉淀問題，且本身易形成有機(jī)膦酸垢。因?yàn)榱妆旧硪矔?huì)對(duì)環(huán)境造成污染，環(huán)保部門已經(jīng)對(duì)磷的使用作出了限制[2]。以某科技有限公司自主研發(fā)的高分子量聚馬來酸酐為主要原料，通過添加分散劑、增效劑、緩蝕劑等組分開發(fā)出了一種無磷阻垢緩蝕劑，經(jīng)過阻垢試驗(yàn)、極限碳酸鹽試驗(yàn)、緩蝕試驗(yàn)，證明該劑是適合在污水回用作補(bǔ)水的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中使用的高效阻垢緩蝕劑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料和儀器

主要材料：Q235A碳鋼(Ⅰ型)試片、304不銹鋼(Ⅰ型)試片、H62黃銅(Ⅰ型)試片、聚馬來酸酐(某公司自主研發(fā))、葡萄糖酸鈉，EDTA(乙二胺四乙酸)、檸檬酸鈉、聚環(huán)氧琥珀酸、馬來酸-丙烯酸共聚物、甲基苯并三氮唑、苯并三氮唑、二乙基二硫代氨基甲酸鈉(SDDTC)等化合物，這些物質(zhì)均為環(huán)境友好型產(chǎn)品，可用于高堿度、高硬度水質(zhì)中。另外，購買了1號(hào)含磷阻垢緩蝕劑和2號(hào)低磷阻垢緩蝕劑作為試驗(yàn)的對(duì)比藥劑。

主要儀器：DDS-IIA型電導(dǎo)率儀、PHC-3C型pH計(jì)、ME204E電子天平、ZJ型浸漬腐蝕試驗(yàn)儀和JJ-1型精密增力電動(dòng)攪拌器等。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水為某火力發(fā)電廠處理后的污水出水，水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 污水水質(zhì)分析

由表1可以看出，處理后污水的pH值、電導(dǎo)率、硬度、堿度、氯離子含量,CODcr和氨氮含量數(shù)值均較高，該污水回用作循環(huán)冷卻水容易造成系統(tǒng)結(jié)垢和設(shè)備腐蝕。

1.3 試驗(yàn)方法

按照GB/T 16632—2008《水處理劑阻垢性能的測定 碳酸鈣沉積法》進(jìn)行阻垢試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)阻垢緩蝕劑的阻垢性能；采用極限碳酸鹽試驗(yàn)來評(píng)定藥劑的極限碳酸鹽濃度，判斷循環(huán)水的安全濃縮倍數(shù)；按照GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法》的規(guī)定進(jìn)行緩蝕試驗(yàn)，評(píng)價(jià)阻垢緩蝕劑的緩蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻垢試驗(yàn)

2.1.1 不同阻垢緩蝕劑阻垢性能試驗(yàn)

以高分子聚馬來酸酐為主要原料，添加葡萄糖酸鈉、EDTA(乙二胺四乙酸)、檸檬酸鈉、聚環(huán)氧琥珀酸、馬來酸-丙烯酸共聚物、甲基苯并三氮唑、苯并三氮唑和SDDTC其中的一種或幾種，配制出AH-801,AH-802,AH-803,AH-804,AH-805,AH-806六種阻垢緩蝕劑。以配制水模擬污水回用補(bǔ)水，濃縮倍數(shù)為3～5，藥劑質(zhì)量濃度為20 mg/L，80 ℃下恒溫10 h，取出冷卻至室溫后分別測量水中鈣離子的含量，計(jì)算出幾種阻垢緩蝕劑的阻垢率，結(jié)果見表2。由表2可以看出，在藥劑質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，自制阻垢緩蝕劑AH-805阻垢效果最好，濃縮倍數(shù)為3～5時(shí)，阻垢率均在92%以上。

表2 不同阻垢劑的阻垢試驗(yàn)結(jié)果

阻垢緩蝕劑AH-805以高相對(duì)分子量聚馬來酸酐為主要原料，聚馬來酸酐具有高效分散性，在水中因解離作用而顯負(fù)電性，能吸附阻垢晶體的晶核或微晶的顆粒，晶核或微晶因而帶有負(fù)電荷，并由于靜電斥力起到了分散作用，同時(shí)聚馬來酸酐會(huì)吸附到晶體的活性增長點(diǎn)進(jìn)行螯合作用，抑制了晶格向一定方向的成長。聚馬來酸酐分子中含有羧基，可以與水中的鈣離子形成穩(wěn)定的可溶性螯合物，穩(wěn)定水中更多的鈣離子，從而增加鈣鹽的溶解度并抑制鈣垢的沉積[3]，其含羧基數(shù)量越多，阻垢效果越好，即相對(duì)分子量越高，阻垢性能越好。因此，相比于1號(hào)含磷阻垢緩蝕劑，2號(hào)低磷阻垢劑，AH-805在同等濃度條件下具有更高的阻垢率，對(duì)污水回用冷卻水系統(tǒng)，可以達(dá)到更高的濃縮倍數(shù)。

2.1.2 不同濃度阻垢緩蝕劑阻垢性能研究

以配制水模擬污水回用補(bǔ)水，濃縮倍數(shù)為5， AH-805藥劑、1號(hào)藥劑、2號(hào)藥劑質(zhì)量濃度分別為15，20，25，30，35和40 mg/L時(shí)80 ℃下恒溫10 h，取出冷卻至室溫后分別測出水中鈣離子的含量，計(jì)算出幾種阻垢緩蝕劑的阻垢率，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，AH-805阻垢效果優(yōu)于1號(hào)含磷阻垢劑和2號(hào)低磷阻垢劑，且在此水況下，AH-805使用濃度更低，但阻垢率更高。

表3 不同濃度阻垢緩蝕劑的阻垢率

2.2 緩蝕試驗(yàn)

采用上述火力發(fā)電廠處理后的污水，選用AH-805阻垢緩蝕劑、1號(hào)含磷阻垢緩蝕劑、2號(hào)低磷阻垢緩蝕劑，其加入的質(zhì)量濃度分別為10，20，30和40 mg/L，試驗(yàn)分析不同藥劑對(duì)碳鋼、不銹鋼、黃銅試片的緩蝕效果，結(jié)果如表4至表6所示。

表4 碳鋼腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

從表4至表6可以看出，采用聚馬來酸酐為主要原料的自制阻垢緩蝕劑AH-805在質(zhì)量濃度20 mg/L條件下，碳鋼腐蝕速率為0.068 mm/a，不銹鋼腐蝕速率為0.003 mm/a，黃銅腐蝕速率為0.002 mm/a，均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，而外購的1號(hào)和2號(hào)藥劑只有質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40 mg/L時(shí)，碳鋼，不銹鋼，黃銅上的腐蝕速率才勉強(qiáng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，自制阻垢緩蝕劑AH-805緩蝕效果明顯優(yōu)于1號(hào)和2號(hào)產(chǎn)品。

表5 不銹鋼腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

表6 黃銅腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

AH805緩蝕效果更好是因?yàn)榫垴R來酸酐類緩蝕阻垢劑含有活性基團(tuán)—OH和—COOH等，含有對(duì)金屬有更強(qiáng)親合能力的O，N，P極性基團(tuán)，使聚合物分子具有一定的溶解度，在金屬表面吸附成膜，產(chǎn)生吸附和沉積作用，從而起到緩蝕作用。同時(shí)聚合物本身的碳鏈結(jié)構(gòu)也在金屬表面形成疏水膜，起到隔離保護(hù)作用。

3 結(jié) 論

(1)采用聚馬來酸酐為主要原料，研制出了適合在污水回用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中使用的無磷高效阻垢緩蝕劑AH-805。

(2)試驗(yàn)表明，AH-805藥劑濃度低，且阻垢效果與緩蝕效果明顯優(yōu)于1號(hào)和2號(hào)產(chǎn)品。

(3)當(dāng)AH-805藥劑質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，阻垢率達(dá)到92.1%，碳鋼腐蝕速率為0.068 mm/a，不銹鋼腐蝕速率為0.003 mm/a，黃銅腐蝕速率為0.002 mm/a，均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。