阻垢劑對紡織空調噴淋水系統(tǒng)使用效果的影響

石 博，靳貴銘，顏蘇芊，馮 瑞，楊進崗

(1.西安工程大學 城市規(guī)劃與市政工程學院，陜西 西安 710048； 2.陜煤集團神南產業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 神木 719300； 3.咸陽紡織集團有限公司，陜西 咸陽 712000)

紡織廠空調采用循環(huán)水噴淋系統(tǒng)來處理空氣，噴淋系統(tǒng)運行時，循環(huán)水不斷蒸發(fā)，使得循環(huán)水的硬度與堿度升高，造成設備及管道結垢，使得管道阻力增加，最終導致系統(tǒng)運行效率下降[1-2]。目前，紡織行業(yè)常用的水處理方法主要有化學方法和物理方法。化學方法是通過加入阻垢劑對循環(huán)水中離子進行處理該方法利用阻垢劑對結垢離子的螯合作用以及對結垢晶體的晶格扭曲作用達到阻垢目的[3]。物理方法是利用機械、磁場、電場等方法對設備中的結垢物進行處理，使結垢物無法附著在設備壁上，對循環(huán)水中的花毛、雜質進行過濾去除[4-6]。

本文采用化學方法對水質進行處理，選取3種阻垢劑對咸陽某紡織廠噴淋水系統(tǒng)進行阻垢率測試，得出最佳阻垢劑和該阻垢劑的最佳阻垢質量濃度，將其應用于紡織廠噴淋水系統(tǒng)中，通過實驗測試的各項指標計算水質穩(wěn)定指數(shù)，并對結果進行方差分析，得到其主要影響因素。

1 阻垢劑的選取

目前常用的阻垢劑有天然聚合物阻垢劑、合成聚合物阻垢劑等。根據(jù)阻垢劑的性價比及對無增塑劑聚氯乙烯(UPVC)、鍍鋅管、不銹鋼等材料無腐蝕等因素，選擇下面3種阻垢劑進行實驗研究。聚環(huán)氧琥珀酸(PESA，相對分子質量400～1 500)阻垢性能優(yōu)異，對水中Ca2+、Mg2+等主要成垢金屬離子有很強的絡合能力，能有效防止這些離子與成垢陰離子結合生成水垢,對沉積物有著很好的抑制和消除作用[7]；聚天冬氨酸(PASP，相對分子質量為1 000～5000)作為水處理的新型綠色化學品，從原料制備到最終產品都是對環(huán)境無害的水處理藥劑[8]，對空調噴淋水系統(tǒng)的水垢形成有很好的抑制作用；聚丙烯酸(PAA，相對分子質量800～1 200)性價比較高、用藥量較低，被廣泛應用于循環(huán)水的阻垢，且阻垢效果較好[9-11]。

2 阻垢劑質量濃度對阻垢率的影響

2.1 阻垢率的測定

實驗選取PESA型、PASP型、PAA型聚羧酸類阻垢劑(南通永樂化工有限公司)，參照GB/T 16632—2019《水處理劑阻垢性能的測定碳酸鈣沉積法》，采用燒杯、量筒、玻璃棒、移液管、電子天平、SD150 PH/EC/DO多參數(shù)測定儀(羅威邦公司)進行阻垢率的測定，測試水樣取用咸陽某紡織廠空調室運行3個月的循環(huán)水。

阻垢率的計算式[12]為：

(1)

式中：η為阻垢率，%；V0為試驗水樣未加阻垢劑靜置24 h后消耗乙二胺四乙酸(EDTA)的量，mL；V1為試驗水樣加入阻垢劑靜置24 h后消耗EDTA的量，mL；V2為試驗水樣未加入阻垢劑未靜置消耗EDTA的量，mL。

2.2 不同阻垢劑質量濃度對阻垢率的影響

取紡織廠空調室運行3個月的循環(huán)水，水的溫度為21℃，阻垢劑配置質量濃度在3～15mg/L范圍內變化。表1示出3種阻垢劑在不同質量濃度時的阻垢率。

表1 3種阻垢劑在不同質量濃度下的阻垢率Tab.1 Scale inhibition rates of the three scale inhibitors at different concentrations

由表1可以看出：隨著阻垢劑質量濃度的增大，阻垢率先呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢，當阻垢劑質量濃度小于10 mg/L時，PASP阻垢效果最好，在阻垢劑質量濃度為15 mg/L時，PESA的阻垢效果明顯優(yōu)于其他2種阻垢劑，當阻垢劑質量濃度高于15 mg/L時，阻垢率呈現(xiàn)下降趨勢。此外還可發(fā)現(xiàn)，PESA質量濃度為15 mg/L時，阻垢率達到了90.14%，明顯高于PASP(83.11%)和PAA(79.34%)的阻垢率。所以在紡織空調噴淋水系統(tǒng)中優(yōu)先選用阻垢劑PESA。

3 阻垢劑對水質穩(wěn)定指數(shù)的顯著性分析

3.1 水質穩(wěn)定指數(shù)

水質穩(wěn)定指數(shù)IR是衡量水質是否結垢的重要指標。在運行過程中，損失水量需要不斷進行補充，隨著水量的不斷積累，噴淋循環(huán)水中各種指標的濃度均會增大，如硬度(CA)、堿度(TA)、溶解性固體總量(TDS)等，明顯影響系統(tǒng)中的水垢沉積。對咸陽某紡織廠水質進行測試分析，通過計算CaCO3在水中呈飽和狀態(tài)時的pH值(記作pHS)以及IR來反映噴淋水水質狀態(tài)[13-16]。

運用經驗公式計算pHS，見式(2)[17]:

1.84e(0.547-0.006 37+3.58×10-6t2)

(2)

式中：CA為Ca2+含量，mg/L；TA為碳酸鹽堿度，以CaCO3計，mg/L；TDS為總溶解性固體量，mg/L；t為水的華氏溫度，℉；

水質穩(wěn)定指數(shù)IR計算式見式(3):

IR=2pHS-pH

(3)

式中：pH為水的酸堿度。

穩(wěn)定指數(shù)與水質特性關系如下[18]：IR<5.0時嚴重結垢，5.0≤IR<6.0時輕度結垢，6.0≤IR<7.0時基本穩(wěn)定，7.0≤IR<7.5時輕微腐蝕，7.5≤IR<9.0時較嚴重腐蝕，IR≥9.0時嚴重腐蝕。據(jù)上述特性關系發(fā)現(xiàn)，在未加入阻垢劑之前測試水質屬于嚴重結垢范圍，加入阻垢劑后屬于輕度結垢范圍，從而對咸陽某紡織廠噴淋水系統(tǒng)循環(huán)水進行未加PESA和加入PESA分別進行實驗，測試其水質各項指標并進行回歸分析，判斷出水質各項指標對IR的影響是否顯著[19]。

3.2 未加阻垢劑對IR的分析

3.2.1 實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及其顯著性分析

實驗溫度為21℃，對未加入阻垢劑的循環(huán)水進行實驗測試，并根據(jù)公式(2)(3)得出pHS,從而計算出IR，相應計算結果見表2。

表2 未加阻垢劑測試的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of test without scale inhibitor

由表2可見：隨著循環(huán)時間的不斷延長，噴淋循環(huán)水的硬度(CA)、堿度(TA)、溶解性固體總量(TDS)均逐漸增大，從水質穩(wěn)定指數(shù)IR可以看出系統(tǒng)中的水垢沉積越來越多。對表2數(shù)據(jù)利用Excel進行多元線性回歸分析[20-21]，得出在未加入阻垢劑時所對應的分析結果見表3。如表3所示，Sig.F表示F檢驗中回歸方程不顯著的概率。因為表3中Sig.F=0.048 102 9<0.05，所以該回歸方程顯著，得出因變量水質穩(wěn)定指數(shù)IR與循環(huán)水的硬度、堿度、溶解性固體總量3個變量之間有顯著的線性關系。

表3 未加阻垢劑對IR顯著性分析結果Tab.3 Significant analysis results of IR without scale inhibitor

3.2.2 實驗數(shù)據(jù)分析及影響因素的主次順序

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)得出硬度、堿度、溶解性固體和IR有顯著的關系，對3個影響指標進行分析并判斷影響的主次順序，結果如表4所示。

表4 未加阻垢劑對IR方差分析結果Tab.4 Results of IR variance analysis without scale inhibitor

由表4可知，如果回歸方程是Y=a+b1x1+b2x2+b3x3，即TDS為x1、CA為x2、TA為x3，根據(jù)表中項目列表示回歸系數(shù)，可知a=5.771，b1=-0.001，b2=-0.012，b3=0.002，回歸方程的近似表達式為Y=5.771-0.001x1-0.012x2+0.002x3。根據(jù)表格中“t-Stat”絕對值的大小，判斷因素的主次順序，得到溶解性固體總量(TDS)對于水質穩(wěn)定指數(shù)的影響高于鈣硬度和堿硬度。

3.3 加入阻垢劑對IR的回歸分析

3.3.1 實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律及其顯著性分析

實驗溫度為21℃，在不同的阻垢劑質量濃度下對空調噴淋水系統(tǒng)運行3個月的循環(huán)水進行測試并相應計算結果見表5。

表5 加入不同質量濃度阻垢劑的實驗數(shù)據(jù)Tab.5 Experimental data of adding different concentrations of scale inhibitors

給循環(huán)水中加入阻垢劑后，隨著阻垢劑質量濃度的不斷增大，噴淋循環(huán)水的硬度(CA)先變大后變小、堿度(TA)呈現(xiàn)不斷變大趨勢、溶解性固體總量(TDS)含量先變小后增大，水質穩(wěn)定指數(shù)也呈現(xiàn)先減小后增大。對表5數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，得出在不同阻垢劑質量濃度對IR的顯著性，分析結果見表6。

表6 不同阻垢劑質量濃度對IR的顯著性分析結果Tab.6 Significant analysis results of different scale inhibitor concentrations on IR

Sig.F表示F檢驗中回歸方程不顯著的概率。表6中Sig.F=0.024893958<0.05，該回歸方程顯著，得出因變量水質穩(wěn)定指數(shù)IR與阻垢劑的質量濃度、循環(huán)水的硬度和堿度、溶解性固體總量4個變量之間有顯著的線性關系。

3.3.2 實驗數(shù)據(jù)分析及影響因素的主次順序

根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)得出阻垢劑質量濃度、循環(huán)水的硬度和堿度、溶解性固體總量和IR有顯著的關系，對4個影響指標進行分析并判斷影響的主次順序，結果如表7所示。

表7 不同阻垢劑質量濃度對IR的方差分析結果Tab.7 Variance analysis results of IR with different scale inhibitor concentrations

由表7可知，如果回歸方程是Y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4，即阻垢劑質量濃度為x1、TDS為x2、CA為x3、TA為x4，根據(jù)表格中項目列，可知a=5.946，b1=-0.058，b2=0.001，b3=-0.006，b4=-0.001，所以回歸方程的近似表達式為Y=5.946-0.058x1+0.001x2-0.006x3-0.001x4，根據(jù)表格中“t-Stat”絕對值的大小，判斷因素的主次順序，得到阻垢劑質量濃度對于水質穩(wěn)定指數(shù)的影響高于溶解性固體總量、鈣硬度和堿硬度。

4 結 論

本文研究了聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)、聚丙烯酸(PAA)3種阻垢劑在不同的質量濃度下對紡織空調噴淋水系統(tǒng)中碳酸鈣、硫酸鈣、碳酸鎂等的抑制作用。通過對不同質量濃度下實驗數(shù)據(jù)的分析可以得出，PESA的抑制效果最好，在其質量濃度為15 mg/L時阻垢效果為90.14%；PASP、PAA這2種阻垢劑在質量濃度為15 mg/L時的阻垢率分別為83.11%和79.34%，阻垢效果則明顯低于PESA的阻垢效率。通過研究未加入PESA和加入PESA對水質穩(wěn)定指數(shù)IR的影響，得出：未加入阻垢劑時TDS對IR的影響最大，加入阻垢劑后對IR影響最為顯著的則是阻垢劑質量濃度。由于3種阻垢劑的價格相當且PESA的經濟性稍優(yōu)于其他2種，所以在紡織空調噴淋水系統(tǒng)中優(yōu)先選用PESA。