污水回用循环冷却水系统中使用的无磷阻垢缓蚀剂研究

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(1.安徽省蓝天能源环保科技有限公司,安徽 合肥 231603；2.合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230000；3.合肥市工业水处理剂工程技术研究中心，安徽 合肥 230000)

为了响应国家节能减排的号召，很多企业已经将污水处理后又回用于循环冷却水系统，这样既可减少排污费用，又可节省大量新鲜水，对保护水资源具有重要意义。但处理后的污水浊度高，有机物、无机盐、氯离子等含量高，用于循环冷却水系统时，容易造成系统结垢和设备腐蚀[1]。为解决上述问题，一般需在循环冷却水系统中添加阻垢缓蚀剂。目前常用的阻垢缓蚀剂为有机膦系药剂，但有机膦类药剂不能有效地抑制磷酸钙垢和锌垢的形成，也不能解决氧化铁沉淀问题，且本身易形成有机膦酸垢。因为磷本身也会对环境造成污染，环保部门已经对磷的使用作出了限制[2]。以某科技有限公司自主研发的高分子量聚马来酸酐为主要原料，通过添加分散剂、增效剂、缓蚀剂等组分开发出了一种无磷阻垢缓蚀剂，经过阻垢试验、极限碳酸盐试验、缓蚀试验，证明该剂是适合在污水回用作补水的循环冷却水系统中使用的高效阻垢缓蚀剂。

1 试验部分

1.1 原材料和仪器

主要材料：Q235A碳钢(Ⅰ型)试片、304不锈钢(Ⅰ型)试片、H62黄铜(Ⅰ型)试片、聚马来酸酐(某公司自主研发)、葡萄糖酸钠，EDTA(乙二胺四乙酸)、柠檬酸钠、聚环氧琥珀酸、马来酸-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钠(SDDTC)等化合物，这些物质均为环境友好型产品，可用于高碱度、高硬度水质中。另外，购买了1号含磷阻垢缓蚀剂和2号低磷阻垢缓蚀剂作为试验的对比药剂。

主要仪器：DDS-IIA型电导率仪、PHC-3C型pH计、ME204E电子天平、ZJ型浸渍腐蚀试验仪和JJ-1型精密增力电动搅拌器等。

1.2 试验用水

试验用水为某火力发电厂处理后的污水出水，水质分析结果见表1。

表1 污水水质分析

由表1可以看出，处理后污水的pH值、电导率、硬度、碱度、氯离子含量,CODcr和氨氮含量数值均较高，该污水回用作循环冷却水容易造成系统结垢和设备腐蚀。

1.3 试验方法

按照GB/T 16632—2008《水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》进行阻垢试验，以评价阻垢缓蚀剂的阻垢性能；采用极限碳酸盐试验来评定药剂的极限碳酸盐浓度，判断循环水的安全浓缩倍数；按照GB/T 18175—2014《水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法》的规定进行缓蚀试验，评价阻垢缓蚀剂的缓蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 阻垢试验

2.1.1 不同阻垢缓蚀剂阻垢性能试验

以高分子聚马来酸酐为主要原料，添加葡萄糖酸钠、EDTA(乙二胺四乙酸)、柠檬酸钠、聚环氧琥珀酸、马来酸-丙烯酸共聚物、甲基苯并三氮唑、苯并三氮唑和SDDTC其中的一种或几种，配制出AH-801,AH-802,AH-803,AH-804,AH-805,AH-806六种阻垢缓蚀剂。以配制水模拟污水回用补水，浓缩倍数为3～5，药剂质量浓度为20 mg/L，80 ℃下恒温10 h，取出冷却至室温后分别测量水中钙离子的含量，计算出几种阻垢缓蚀剂的阻垢率，结果见表2。由表2可以看出，在药剂质量浓度为20 mg/L时，自制阻垢缓蚀剂AH-805阻垢效果最好，浓缩倍数为3～5时，阻垢率均在92%以上。

表2 不同阻垢剂的阻垢试验结果

阻垢缓蚀剂AH-805以高相对分子量聚马来酸酐为主要原料，聚马来酸酐具有高效分散性，在水中因解离作用而显负电性，能吸附阻垢晶体的晶核或微晶的颗粒，晶核或微晶因而带有负电荷，并由于静电斥力起到了分散作用，同时聚马来酸酐会吸附到晶体的活性增长点进行螯合作用，抑制了晶格向一定方向的成长。聚马来酸酐分子中含有羧基，可以与水中的钙离子形成稳定的可溶性螯合物，稳定水中更多的钙离子，从而增加钙盐的溶解度并抑制钙垢的沉积[3]，其含羧基数量越多，阻垢效果越好，即相对分子量越高，阻垢性能越好。因此，相比于1号含磷阻垢缓蚀剂，2号低磷阻垢剂，AH-805在同等浓度条件下具有更高的阻垢率，对污水回用冷却水系统，可以达到更高的浓缩倍数。

2.1.2 不同浓度阻垢缓蚀剂阻垢性能研究

以配制水模拟污水回用补水，浓缩倍数为5， AH-805药剂、1号药剂、2号药剂质量浓度分别为15，20，25，30，35和40 mg/L时80 ℃下恒温10 h，取出冷却至室温后分别测出水中钙离子的含量，计算出几种阻垢缓蚀剂的阻垢率，结果见表3。

由表3可以看出，AH-805阻垢效果优于1号含磷阻垢剂和2号低磷阻垢剂，且在此水况下，AH-805使用浓度更低，但阻垢率更高。

表3 不同浓度阻垢缓蚀剂的阻垢率

2.2 缓蚀试验

采用上述火力发电厂处理后的污水，选用AH-805阻垢缓蚀剂、1号含磷阻垢缓蚀剂、2号低磷阻垢缓蚀剂，其加入的质量浓度分别为10，20，30和40 mg/L，试验分析不同药剂对碳钢、不锈钢、黄铜试片的缓蚀效果，结果如表4至表6所示。

表4 碳钢腐蚀试验结果

从表4至表6可以看出，采用聚马来酸酐为主要原料的自制阻垢缓蚀剂AH-805在质量浓度20 mg/L条件下，碳钢腐蚀速率为0.068 mm/a，不锈钢腐蚀速率为0.003 mm/a，黄铜腐蚀速率为0.002 mm/a，均优于标准规定值，而外购的1号和2号药剂只有质量分数达到40 mg/L时，碳钢，不锈钢，黄铜上的腐蚀速率才勉强满足国家标准要求，自制阻垢缓蚀剂AH-805缓蚀效果明显优于1号和2号产品。

表5 不锈钢腐蚀试验结果

表6 黄铜腐蚀试验结果

AH805缓蚀效果更好是因为聚马来酸酐类缓蚀阻垢剂含有活性基团—OH和—COOH等，含有对金属有更强亲合能力的O，N，P极性基团，使聚合物分子具有一定的溶解度，在金属表面吸附成膜，产生吸附和沉积作用，从而起到缓蚀作用。同时聚合物本身的碳链结构也在金属表面形成疏水膜，起到隔离保护作用。

3 结 论

(1)采用聚马来酸酐为主要原料，研制出了适合在污水回用循环冷却水系统中使用的无磷高效阻垢缓蚀剂AH-805。

(2)试验表明，AH-805药剂浓度低，且阻垢效果与缓蚀效果明显优于1号和2号产品。

(3)当AH-805药剂质量浓度为20 mg/L时，阻垢率达到92.1%，碳钢腐蚀速率为0.068 mm/a，不锈钢腐蚀速率为0.003 mm/a，黄铜腐蚀速率为0.002 mm/a，均优于国家标准。