環(huán)保型水處理劑的應(yīng)用和展望

李秀峰

（河北省冶金研究院，河北 石家莊 050031）

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，我國(guó)越來越重視水資源的環(huán)保性，與此同時(shí)，我國(guó)的環(huán)保行業(yè)也得到了一定的發(fā)展。生態(tài)環(huán)境一直以來都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題，并且隨著時(shí)代發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的局勢(shì)越來越嚴(yán)峻，水體質(zhì)量在日益退化。目前環(huán)保行業(yè)針對(duì)污水排放進(jìn)行了明確的限制，并且對(duì)磷元素的排放量也進(jìn)行限制，要求磷含量要在1.0mg／L的范圍內(nèi)。于是我國(guó)的水處理劑主要朝著無磷或者低磷的方向開發(fā)與發(fā)展，避免將水體富營(yíng)養(yǎng)化，達(dá)到降低磷的排放量，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)凈化保護(hù)的作用。

1 低磷環(huán)保型水處理劑的主要成分

低磷環(huán)保型水處理劑主要以聚天冬氨酸（PASP）、膦羥基乙酸 （HPA）、聚丙烯酸類阻垢分散劑等為主要的組成成分，集合了多種材料的優(yōu)良性能，可以實(shí)現(xiàn)在具體的水處理環(huán)節(jié)中發(fā)揮顯著的性能優(yōu)勢(shì)。我國(guó)為了實(shí)現(xiàn)更有高效的實(shí)現(xiàn)水處理效果，便著重從無磷或少磷的條件下進(jìn)行研制相關(guān)的環(huán)保性除水劑。聚天冬氨酸成分中不含有磷元素，符合研制條件，并且在降解生物、螯合和分散性能方面又有著較明顯的性能優(yōu)勢(shì)［1］，不會(huì)對(duì)污水處理系統(tǒng)造成沉淀，聚天冬氨酸具有良好的熱穩(wěn)定性。膦羥基乙酸中含有較少的磷，與往常的有機(jī)多元磷酸類水處理劑相比更占有實(shí)用價(jià)值，并且膦羥基乙酸的緩蝕性能更勝一籌，屬于有機(jī)膦羧酸型水質(zhì)穩(wěn)定劑。但是通過將以上兩種材料進(jìn)行試驗(yàn)，兩者單獨(dú)使用時(shí)，并沒有獲得良好的阻垢緩蝕效果，并且在應(yīng)用的過程中消耗的成本較高。通過不斷的研究與發(fā)現(xiàn)，在兩者成分的基礎(chǔ)上摻入聚丙烯酸類阻垢分散劑，此成分的主要功能便是增加前兩者的效用，并且不會(huì)發(fā)生相互排斥的現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)試劑

為了清晰的判斷出低磷環(huán)保型水處理劑的應(yīng)用效果，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，本次試驗(yàn)用的試劑主要包括：天冬氨酸、氫氧化鈉水溶液、丙烯酸類阻垢分散劑、磷酸、亞磷酸二乙酯、乙醛等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所涉及到的主要設(shè)備包括：動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置、電動(dòng)攪拌器、旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕儀、燒杯、旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕儀等。

3 藥劑成分的制取

3.1 制取聚天冬氨酸

在制取聚天冬氨酸的過程中，事先需要合理的放置聚天冬氨酸藥物、磷酸、燒杯。選取15g聚天冬氨酸藥物，放置燒杯杯中，保證燒杯內(nèi)部干凈且無異物。將磷酸濃度控制在8%左右，隨后選取5mL量置于澆杯中。為了更好了實(shí)現(xiàn)兩者之間的反應(yīng)，需要對(duì)其進(jìn)行熱縮聚處理［2］。為了避免溫度不足而導(dǎo)致反應(yīng)效果不良，要將溫度控制在220℃～260℃。通過熱縮聚處理后，選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%～9%的氫氧化鈉水溶液。將前面的混合物溶于氫氧化鈉水溶液中，于是便形成了新混合物，隨后通過對(duì)混合物的水解，便得到酸堿度在9～10的溶解物，并呈現(xiàn)出紅棕色。此液體便是該試驗(yàn)研制出的聚天冬氨酸鹽溶液。

3.2 制取膦羥基乙酸

在制取膦羥基乙酸的過程中，需要用110g的亞磷酸二乙酯，并且將其置入準(zhǔn)備好的乙醛溶液中去。在此過程中，需要保證乙醛溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在45%～55%，并且需要220g，避免加入過量而影響試驗(yàn)效果。隨后讓混合物發(fā)生反應(yīng)，時(shí)間控制在2h左右。到了規(guī)定時(shí)間之后，需要對(duì)混合物進(jìn)行加熱處理，緩慢的將溫度提高，最高溫度控制在90～110℃，然后給予其一定的反應(yīng)時(shí)間。一般情況下，4～5 h便可以得到棕色黏稠液，此物質(zhì)便是本次試驗(yàn)得到的膦羥基乙酸溶液。

3.3 制取低磷環(huán)保型水處理劑

通過將膦羥基乙酸或聚天冬氨酸單獨(dú)應(yīng)用進(jìn)水處理中發(fā)現(xiàn)，并沒有獲得良好的反響。對(duì)污水處理溶液的要求必須具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保，并且在環(huán)保性水處理方面具備較強(qiáng)的性能。環(huán)保型水處理劑不僅遵循環(huán)保的應(yīng)用理念還需要具有顯著的阻垢緩蝕效果，提高環(huán)保行業(yè)的水處理是社會(huì)效益。于是，經(jīng)過上述將低磷環(huán)保型水處理劑的主要成分的研制，將膦羥基乙酸或聚天冬氨酸原料進(jìn)行復(fù)配處理，并滲入定量的聚丙烯酸類阻垢分散劑。為了保證各個(gè)成分的性能均可以得到良好的發(fā)揮，將其配置比例保持在1∶3∶1。在進(jìn)行拌制的過程中，應(yīng)注意攪拌速度和力度，避免有液體噴出。攪拌一段時(shí)間后，會(huì)得到一種紅棕色黏稠透明液體，該液體便是試驗(yàn)研制出膦羥基乙酸溶液。

4 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果

4.1 阻垢性能實(shí)驗(yàn)

環(huán)保型水處理劑配置完成之后，需要對(duì)其進(jìn)行效果試驗(yàn)。通過試驗(yàn)結(jié)果判斷出其阻垢性能的高低，具體使用的試驗(yàn)方法是測(cè)定碳酸鈣沉積法，為了測(cè)試在水體中的阻垢效果，實(shí)驗(yàn)室主要利用配制水進(jìn)行試驗(yàn)。水中含有定量的鈣離子成分和碳酸氫根離子成分，實(shí)驗(yàn)中對(duì)兩者成份的濃度均控制在240mg／L。為了更好的判斷出水劑的阻垢，將水質(zhì)的溫度控制在75℃，并保證此溫度經(jīng)過8～10h后，濃縮2倍。判斷其阻垢效果主要依靠鈣離子的濃度的高低判斷，此試驗(yàn)中的測(cè)定方法是EDTA絡(luò)合滴定法。

阻垢性能計(jì)算公式：

阻垢率＝ ( C2-C0)( 2C1-C0)×100%

式中，C0代表沒有在加熱濃縮后溶液中沒有加入藥劑時(shí)鈣離子含量；C1代表實(shí)驗(yàn)中配置水中鈣離子含量；C2代表是在添加藥劑后，并且經(jīng)過了加熱濃縮處理后的鈣離子含量。

低磷環(huán)保型水處理劑具有較強(qiáng)的阻垢能力，結(jié)合在實(shí)驗(yàn)中不斷增加藥劑的使用量的水體反應(yīng)來看，阻垢率隨著藥劑量的增加而增加［3］（如表1所示）。從表1中看出，將藥劑的添加量達(dá)到10mg／L，其阻垢率大于96%，相對(duì)于其他水處理藥劑要高出很多，并且符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過實(shí)驗(yàn)可以判斷出，藥劑添加量具有一個(gè)極限值，當(dāng)其超過16mg／L之后，阻垢率便會(huì)一直保持在98%以上，不會(huì)隨著發(fā)生較明顯的變化。

表1 靜態(tài)阻垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.2 緩蝕性能實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試低磷環(huán)保型水處理劑的緩蝕性能，本實(shí)驗(yàn)主要使用的是測(cè)定旋轉(zhuǎn)掛片法。同上述實(shí)驗(yàn)一樣，使用的試驗(yàn)實(shí)體均是配制水，試驗(yàn)中使用的測(cè)定材料是A3碳鋼，需要將試驗(yàn)溫度保持在50℃，試驗(yàn)時(shí)間為3d，并保證實(shí)驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速為75r／min，濃縮2倍。

緩蝕性能計(jì)算公式為：腐蝕率＝8.76×104×ΔW／A·t·D

式中，8.76×104代表常數(shù)，△W為失重量；A代表表面積；t代表反應(yīng)時(shí)間；D代表密度。

低磷環(huán)保型水處理劑的緩蝕性能可以達(dá)到國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕率隨著藥劑添加量的增加而降低［4］（如表2所示）。將藥劑投入量為8mg／L，其腐蝕率達(dá)到0.012mm／a，明顯在國(guó)家規(guī)定范圍內(nèi)。

表2 旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.3 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)便是對(duì)環(huán)保型水處理劑的綜合性能進(jìn)行的試驗(yàn)，可以充分的體現(xiàn)出環(huán)保型水處理劑的性能強(qiáng)度。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中的水樣使用的是當(dāng)?shù)氐淖詠硭哂幸欢ǖ恼鎸?shí)性和時(shí)效性，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出低磷環(huán)保型水處理劑的應(yīng)用效果。水質(zhì)條件中含有的鈣離子控制在200～500mg／L。在具體的試驗(yàn)中，保持進(jìn)水溫度控制在32℃左右，需要合理的控制進(jìn)水溫差。一般情況下，控制在10℃以內(nèi)。將鈣離子堿性程度控制在190～480mg／L。保證循環(huán)水流速1.5m／s，將此次動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在12d。需要試驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)人員要多注意觀察實(shí)時(shí)情況。藥劑的投入量為10～12mg／L，實(shí)驗(yàn)中的水質(zhì)中的總磷含量要小于0.6mg／L，試驗(yàn)結(jié)果表3所示。

表3 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷出，低磷環(huán)保型水處理劑具有顯著的阻垢緩蝕性能，并可以充分的滿足國(guó)家規(guī)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即便其濃縮倍數(shù)達(dá)到3倍，低磷環(huán)保型水處理劑仍然可以將阻垢率達(dá)到90%以上，而且腐蝕率和黏附率均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的實(shí)用效果并污水處理能力。

5 總結(jié)

通過本文的整體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低磷環(huán)保型水處理劑的各項(xiàng)性能均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，得到了顯著的試驗(yàn)效果。以天冬氨酸和膦羥基乙酸為主體，摻入聚丙烯酸類阻垢分散劑，便可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的水處理能力。其顯著的阻垢緩蝕性能在眾多種類的水處理劑中占有性能優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)于高堿、高硬、高氯及負(fù)硬度水并存的復(fù)雜水質(zhì)處理系統(tǒng)。不會(huì)存有大量的磷酸鹽沉積，保證了水處理系統(tǒng)的安全。低磷環(huán)保型水處理劑機(jī)具有良好的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)需要進(jìn)一步對(duì)此技術(shù)的研究和開發(fā)，降低生產(chǎn)成本，促使社會(huì)效益的最大化。