磁阻垢與聚羧酸類阻垢劑在紡織廠空調循環水系統中的應用效果

蘇喆 顏蘇芊 秦莉 呼慶鋒

摘 要：針對紡織廠空調循環水系統結垢嚴重的問題，基于磁阻垢技術和投加阻垢劑，通過垢樣分析發現磁化處理是通過改變晶型讓形成的鈣垢沉積性能下降，而阻垢劑是通過破壞晶體生長來抑制鈣垢量;通過靜態實驗發現，這兩種方法對于循環時間較短濃縮倍數較低的水樣抑垢效果較好，在PC2566型、YC2655型、YL505型聚羧酸類阻垢劑中，YC2655型阻垢劑抑垢效果最佳，對于已經循環一個月的循環水，磁阻垢比投加聚羧酸類阻垢劑抑垢率更高，其抑垢率高達96%;由于電導率和pH能夠反應結垢傾向，電導率和pH越小，水樣結垢傾向也就越小，因此通過檢測對比分析未經處理的水樣以及經兩種方法處理后水樣的電導率、pH隨時間變化的規律，發現磁化處理比投加阻垢劑處理的抑垢效果更好且更穩定。最終得出磁化處理比投加聚羧酸類阻垢劑能更好地解決紡織廠空調循環水系統結垢問題。

關鍵詞：紡織廠;空調循環水;磁場;阻垢劑

中圖分類號：TS108.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0169-09

Abstract： In view of the serious scaling in the air-conditioning circulating water system of textile mills， based on magnetic scale inhibition technology and dosing scale inhibitors， through analyzing scale samples， this paper finds that magnetization treatment can reduce deposition of calcium scale that has been formed by changing the crystal form， while the scale inhibitor inhibits the amount of calcium scale by destroying the growth of crystals. Through static experiments， it is found that these two methods have a better inhibiting effect on water samples with shorter circulation time and lower concentration ratio. YC2655 scale inhibitor has the best inhibiting effect among PC2566， YC2655 and YL505 polycarboxylic acid scale inhibitors. For circulating water that has been circulated for 1 month， magnetic scale inhibitor has a higher anti-scaling rate than dosing polycarboxylic acid scale inhibitor， and its anti-scaling rate is up to 96%. Electrical conductivity and pH can reflect scaling tendency， the smaller electrical conductivity and pH， the smaller scaling tendency of water samples. Therefore， through the detection and comparison of untreated water samples and water samples treated with the above two methods， by analyzing the change rules of their conductivity and pH over time， it is found that the magnetization treatment has a better and more stable anti-scaling effect than dosing scale inhibitor. Finally， it is concluded that compared with dosing polycarboxylic acid scale inhibitor， magnetic scale inhibitor can better solve the scaling of the air-conditioning circulating water system of textile mills.

Key words： textile mill; air-conditioning circulating water; magnetic field; scale inhibitor

當前，紡織廠空氣熱濕處理多是通過在噴淋室用水噴淋空氣實現的。隨著對空氣進行熱濕處理水分不斷蒸發從而使水中的易結垢離子濃度不斷增大，此外紡織廠的特殊環境導致水中的懸浮物也會增加，導致循環水系統中的設備和管道易出現結垢問題[1]，造成管道管徑縮小堵塞，影響了系統的高效使用。隨著水泵的長期運行，泵體內部的結垢現象日益加重，導致泵殼和葉輪之間縫隙減小，繼而使泵體散熱不通暢，易燒壞水泵電機。例如，對咸陽某紡織廠運行一段時間的空調噴淋水取樣，根據GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》總硬度在700～1000 mg/L屬于超高硬度水。該水樣進行檢測后發現Mg2+硬度為177 mg/L，Ca2+硬度（以CaCO3計）為708 mg/L，總硬度為885 mg/L，屬于超高硬度水極易產生水垢。

現階段對于紡織空調循環水系統采用的阻垢方法分為磁處理和投加阻垢劑兩種。磁場水處理技術作為一種物理法，具有應用方便、投資少、運行費用低、無毒無污染等特點[2]。該技術除能降低水垢的生成，還有溶垢和殺菌滅藻的功能。美國能源部于1998年開始強力推薦的工業水處理方法，其主要的技術內涵即為磁場水處理，據報道該系統完全不加藥劑，每月可控制污垢量在3 mg/cm2以內。中國磁化水及磁水器的研究始于50年代末60年代初，研制了不少的電磁防垢裝置，大多用于加熱器、蒸發器、低壓蒸汽鍋爐等，但還存在一些缺點，比如除垢效果受水質及地球磁場的影響等。20世紀60年代人們用單寧、纖維素等天然有機高分子化合物作阻垢劑，但這類物質在水中常難以降解，且容易引起水體富營養化，引起藻類滋生成生物污泥。20世紀80年代有機共聚物類阻垢劑開始得到廣泛應用，這類阻垢劑多是由人工聚合所得，有以烯酸、馬來酸單體經均聚或共聚得到的聚羧酸類阻垢劑。符嫦娥等[3]研究了不同的聚羧酸類阻垢劑對不同結垢體系的阻垢性能，結果表明聚羧酸系阻垢劑可在較低添加量時即具有較好的阻垢效果，屬于一種經濟環保型阻垢劑。本文采用永磁體和阻垢劑分別對紡織空調循環水進行阻垢處理，檢測分析兩種阻垢方式的使用效果。

2 實 驗

2.1 實驗材料與主要儀器

PC2566型、YC2655型、YL505型聚羧酸類阻垢劑（南通永樂化工有限公司）、燒杯、量筒、玻璃棒、移液管、吸耳球、鍍鋅掛片、釹鐵硼永磁體（磁場強度2500 A/m）、SD150 PH/EC/DO多參數測定儀（羅威邦公司）、掃描電子顯微鏡（SEM，德國蔡司公司）、X射線衍射儀（日本津島株式會社）。

2.2 實驗方法

本次實驗水樣分別取自咸陽某紡織廠空調噴水室連續運行一個月、兩個月、三個月的循環水，對這3種循環時間不同的水樣均按下列步驟進行實驗。取11份均為1 L的水樣，分別稱量11個同種規格鍍鋅掛片的最初重量，將這11個掛片分別懸掛在這些燒杯中，掛片完全浸入溫度為25℃水中且掛片懸掛高度一致，1組為空白實驗組;5組水樣采用不同磁場強度磁處理;其他5組水樣投加不同濃度聚羧酸類阻垢劑。掛片在靜置3 d時間取出晾曬干后稱量掛片重量，通過上述公式計算得到抑垢率。利用掛片法測抑垢率過程的圖片如圖1、圖2所示。

測定磁化處理抑垢率時設置磁場強度分別為5000、8000、11000、14000、17000 A/m，稱量掛片的結垢量結合空白組掛片結垢量（測得空白實驗組掛片結垢量G0=0.102 g）進行計算。

測定投加聚羧酸類阻垢劑的抑垢率時選取PC2566型、YC2655型、YL505型3種聚羧酸類阻垢劑分別設置質量濃度為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/L，稱量掛片的結垢量以及空白組掛片結垢量（測得空白實驗組掛片結垢量G0=0.102 g），進行計算。

2.3 測試與表征

抑垢率是用來評價抑制水垢生成的能力[4]，抑垢率越高表明抑垢能力越好，這種方法可以較為直

觀地看出掛片上的結垢情況。在25℃水溫下將鍍鋅掛片懸掛在水樣中3 d，稱量掛片實驗前后的重量，如圖3、圖4所示為使用掛片法測抑垢率實物圖。通過計算得到抑垢率，其計算方法如式（1）所示：

η/%=1-GmG0（1）

其中：G0為沒有對水進行阻垢處理時在單位掛片面積上的結垢重量，g;Gm為進行阻垢處理后單位掛片面積上的結垢重量，g。

3 結果與討論

3.1 磁阻垢與聚羧酸類阻垢劑對水垢晶相組成和微觀結構的影響

水垢的主要成分是CaCO3，其晶體有3種晶相：方解石、文石、球霰石。球霰石是CaCO3的亞穩定相，溶解度[5]較高;文石結構不穩定且疏松;方解石結構密實且質地較為堅硬，CaCO3的這3種晶相

兩兩之間可以相互轉化。紡織廠空調噴水室噴淋干管、立管和噴頭處的水垢晶相組成多為方解石，所以其水垢較為堅硬不易被水流沖刷破壞。利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對水處理前后的垢樣進行掃描，掃描得到的電鏡照片和XRD譜圖如圖5-圖10所示。

從圖5中觀察到未處理垢樣中晶體塊大小分布不均，有未聚合長大的小塊晶體存在，其晶體結構致密，表面凹凸突觸較多[6]，給更多晶體在其上附著提供了機會，易形成大塊的晶體。從圖6中觀察到其晶相組成方解石較多文石和球霰石較少。從圖7中觀察到經磁化處理后的晶體數量明顯變少其晶體多呈絮狀。將圖6、圖8對比后中看出磁化前后垢樣的衍射峰對應的角度、衍射峰的強度幾乎是一致的，磁化后晶型多為球霰石、文石，可推斷出磁處理水能有效地使硬垢轉化成軟垢即由方解石轉變為球霰石、文石，這兩種晶相不易黏附在管道及設備上，易被水流沖刷帶走，有很好的抑垢作用。從圖9中觀察到加阻垢劑的垢樣中晶體多為小塊狀。將圖6、圖10對比后可看出加阻垢劑前后XRD譜圖出現的衍射峰的峰位和峰強均有差別，其中加入YC2655阻垢劑的垢樣晶相主要還是以方解石為主，這是由于在CaCO3晶種長大過程中，阻垢劑分子會吸附并摻雜進晶體界面，直接抑制了晶體的生長，使晶種不能按照晶格排列正常生長，最終導致破裂，從而起到抑垢作用。

3.2 磁阻垢和加阻垢劑靜態實驗研究及對比分析

3.2.1 抑垢率測定

磁化處理抑垢率測定結果如表1所示，從表1中看出當磁場強度低于14000 A/m時抑垢率隨著磁場強度的增加而增加，這是由于磁場能量使水活化，且磁場強度越高水的活化程度越高，水越不容易結垢。當磁場強度超過14000 A/m后抑垢率會少許下降，這是由于磁場提供的能量過大抑制了氫鍵增加的幅度，使Ca2+和CO2-3的水合能力增強，同時Ca2+和CO2-3的活度也增強，水中Ca2+和CO2-3碰撞機會增加，從而降低了磁場的抑垢效果[7]。比較循環不同時間的循環水發現隨著循環時間的延長磁場抑垢率會產生一定幅度的降低，因此可以得出磁化處理對循環時間較短濃縮倍數較低的循環水處理效果最好，對于本次實驗循環時間最短的一個月循環水其最高抑垢率為96%，對應其磁場強度為14000 A/m。

阻垢劑抑垢率測定結果如表2所示，從表2中看出不同阻垢劑的最佳抑垢濃度不同且隨著循環時間的延長阻垢劑抑垢率會產生一定幅度的降低，因此可以得出投加阻垢劑處理對循環時間較長濃縮倍數較高的循環水處理效果不佳，對比分析發現YC2655型阻垢劑不同質量濃度對應的抑垢率均比相同狀況下其他兩種阻垢劑要高。對于循環一個月的循環水用YC2655型阻垢劑處理，其抑垢率隨著阻垢劑的質量濃度上升先升高后下降，這是由于聚合物中的-COOH基團能很好地螯合 Ca2+、Mg2+等，阻垢劑濃度越高則-COOH 基團能螯合更多的Ca2+、Mg2+等，形成溶于水的螯合物而不產生沉淀，因而使得抑垢率提高;當質量濃度超過0.20 mg/L，在極性作用下阻垢劑分子中的官能團發生凝聚效應，無機鹽與共聚物沉積從而生成沉淀，抑垢率會慢慢降低，但還是有一定的抑垢效果。投加該阻垢劑能達到的最高抑垢率為80%，對應的PC2655型阻垢劑質量濃度為0.20 mg/L。

3.2.2 水樣電導率及pH的變化分析

電導率表示的是水中含鹽量的情況，作為水純凈度的重要指標，電導率越小說明含鹽量（主要是CaCO3）就越少水越純凈，循環水在使用過程中不斷蒸發CaCO3質量濃度持續增大，而當水中鈣離子和碳酸根離子的溶度積超過Ksp會析出沉淀在管道上形成水垢從而使水中CaCO3含量達到穩定，因此電導率在循環水運行過程中，早期持續增長，后期趨于穩定，所以電導率越小就表明水越純凈結垢傾向越小[8]。另外pH反應的是溶液的酸堿程度，由于循環水在運行過程中發生Ca（HCO3）2CaCO3↓+CO2↑+ H2O，由于CO2從水中溢出會導致Ca（HCO3）2 水解程度增大易形成水垢同時使水體pH增大（CO2+ H2OH++HCO-3，CO2從水中溢出導致水中的CO2含量減少，從而導致該平衡左移，使H+減少），因此pH可以反映Ca（HCO3）2的水解程度，pH越小則表明Ca（HCO3）2水解程度越小水樣結垢傾向也就越小[9]。

本次實驗水樣取自咸陽某紡織廠空調噴淋室的自來水，設置連續9天的檢測周期，取3份均為1 L的水樣，其中一份水樣不做處理，一份水樣使用永磁體磁化處理且設置磁場強度為14000 A/m，另一份水樣中投加0.20 mg/L聚羧酸類中的YC2655型阻垢劑（該阻垢劑為中性阻垢劑不會對水樣pH產生直接影響），三份水樣水溫均為25℃且靜置。檢測這3份水樣在9 d中電導率及pH的變化，檢測結果如表3所示。

從表3中觀察到不做處理水樣的電導率和pH值先上升后在第8 d達到穩定，這是因為水樣靜置在燒杯中但還存在一定的蒸發量，在蒸發過程中含鹽量（主要是CaCO3）持續增大，而當水中鹽類物質達到飽和濃度時（主要是CaCO3濃度超過飽和濃度后會析出沉淀，水中CaCO3濃度不再增加）含鹽量也達到穩定，而當水中CaCO3濃度達到穩定時也就意味著水中Ca（HCO3）2CaCO3↓+CO2↑+ H2O達到平衡（CO2溢出和溶解達到平衡）即CO2+ H2OH++HCO-3達到平衡（H+濃度不再發生變化），因此于水樣電導率和pH值先上升后達到穩定。

經過磁化處理的水樣剛開始電導率和pH值持續增加，但在第3 d電導率穩定在5.74，pH值穩定在8.30，隨著時間的延長電導率和pH基本保持不變[10]，可以推斷出磁阻垢有抑制水樣結垢傾向增加的作用。另外投加阻垢劑的水樣剛開始電導率和pH值也是持續增加，到第5 d達到穩定，其電導率穩定在5.75，pH值穩定在8.31，故此推斷出投加阻垢劑也有抑制水樣結垢傾向增加的作用[11]。比較兩種方法在達到穩定狀態下的電導率和pH值發現，磁阻垢達到穩定時的電導率和pH值均低于投加阻垢劑達到穩定時水樣電導率和pH值，也就說明磁化處理抑制水樣結垢傾向增加的能力優于投加阻垢劑。

另外從表3中可以看出磁化處理水樣和投加阻垢劑水樣在達到穩定狀態后但還存在小范圍的數據波動[12]，而對阻垢方法進行評價時，其處理效果的穩定性也是一個重要的指標，這里可以利用方差比較這兩種方法處理水樣的穩定性。

方差S2可以用來表示數據和中心偏離的程度，方差越小說明數據波動越小越穩定。方差S2的計算公式為：

S2=1n∑ni=1（xi-x）2

式中：χ為平均數。計算得，磁化處理水樣電導率方差S21=0.00001429，投加阻垢劑水樣電導率方差S22=0.00002000，可見S21<S22;磁化處理水樣pH值方差S23=0.00001429，投加阻垢劑水樣pH值方差S24=0.00018000，可見S23<S24。

比較兩種方法的方差發現磁化處理水樣的電導率和pH值方差均小于投加阻垢劑水樣電導率和pH值的方差，這也就說明這兩種方法處理水樣的電導率和pH值均達到穩定狀態后，磁化處理比投加阻垢劑處理的抑垢效果更穩定。

對于水質的結垢傾向的判斷采用臨界pH結垢指數法[13]，其計算公式為：

pHc=pHs+2.0

pHS=9.5954+lg（0.4TDS0.10108CA×TA）+1.84exp（0.547-0.00637t+3.58×10-6t2）

式中：pHS為飽和CaCO3的pH值;pHc為臨界pH值;CA為Ca2+的質量濃度，mg/L;TA為以甲基橙為指示劑所測定水樣的總堿度，mg/L（以CaCO3計）;TDS為水樣的總溶解固體量，mg/L;t為水樣溫度，F。

pH（實際）-pHc>0，易結垢，差值越大越易結垢;pH（實際）-pHc<0，不易結垢，差值越大水質越穩定[14]。

對未經處理的水樣檢測得出水樣TDS為3812.30 mg/L、Ca2+的質量濃度（以CaCO3計）為708 mg/L、電導率為5.69 ms/cm、總硬度為885 mg/L、水溫為25℃，在前述其他水樣參數不變的情況下，根據這兩種方法處理后水樣電導率和pH值的變化，利用上述公式計算得出這三組水樣的pHc的變化并與pH（實際）進行比較，結果見表4。

從表4中看出未經處理的水樣在前8 d不易結垢，第8 d開始水樣變成易結垢水質此時水樣電導率為5.85和pH為 8.66，這也就表明對于水樣的電導率和pH是存在結垢區間的，即水樣同時滿足電導率大于等于5.85與pH≧8.66時水樣會結垢。從圖11中看出經這兩種方法處理的水樣在這9 d中始終穩定表現為不易結垢狀態即在這9 d中pH（實際）-pHc<0c，磁化處理水樣pHc與pH（實際）差值在第3 d達到穩定為0.16，投加阻垢劑水樣pHc與pH（實際）差值在第5 d達到穩定為0.13，磁化處理達到穩定后水樣pHc與pH（實際）差值比投加阻垢劑的差值更大，表明磁化處理水樣比投加阻垢劑水樣更不容易結垢。

4 結 論

針對紡織廠空調噴淋水系統出現的結垢問題，分別使用釹鐵硼永磁體磁化處理和投加聚羧酸類阻垢劑兩種阻垢方法進行靜態實驗，可以得出以下結論：

a）利用電鏡掃描和XRD分析經這兩種方法處理后分別形成的垢樣，發現兩種方法對垢樣的影響完全不同，磁化處理是通過改變晶型讓形成的鈣垢沉積性能下降，而阻垢劑是通過破壞晶體生長來抑制鈣垢量。

b）兩種方法對于循環時間較短濃縮倍數較低的水樣抑垢效果較好，在PC2566型、YC2655型、YL505型聚羧酸類阻垢劑中YC2655型阻垢劑抑垢效果最佳，另外在相同環境下兩種方法均存在最佳抑垢條件，對于循環一個月循環水當磁場強度達到14000 A/m時抑垢率最高為96%，對于循環一個月循環水當投加PC2655型阻垢劑質量濃度0.20 mg/L時抑垢率達到最高為80%。

c）通過靜態實驗比較未處理水樣、磁化處理水樣、投加阻垢劑水樣的電導率、pH的隨時間變化規律，發現兩種方法都具有抑制水樣結垢傾向增加的能力。磁化處理比投加阻垢劑處理的抑垢效果更好且更穩定。

經過綜合分析后得出利用磁場處理循環水能更好地解決紡織廠空調噴淋水結垢問題。

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