摘要：近年来，人们提出了“绿色阻垢剂”的概念。开发具有高阻垢性、良好生物降解性和无毒性的环保型阻垢剂是二十一世纪水处理剂的发展方向。聚羧酸作为一种环保型阻垢剂，已逐渐成为人们关注的焦点，聚羧酸阻垢剂在电厂有取代磷酸阻垢剂的趋势。二氧化氯对聚羧酸阻垢剂的影响值得研究。聚羧酸阻垢剂比磷酸体系具有更好的发展前景。聚磷酸盐通常会被强氧化物质分解成正磷，而正态磷容易产生磷酸钙垢，并可以增加水体的营养，有利于微生物的繁殖，对于一种环境友好的阻垢剂而言，聚羧酸类阻垢剂更具有较大发展前景。
关键词：二氧化氯；聚羧酸类阻垢剂；阻垢效果
一、概述
共聚物阻垢剂是1970年中后期开始发展起来的一种新型的水处理剂。该共聚物阻垢剂不仅对碳酸钙垢有很好的抑制能力，而且对磷酸钙垢有独特的抑制作用。聚羧酸类阻垢剂是一种高效阻垢剂，其研究正变得越来越热。虽然电厂循环水阻垢新技术研究二氧化氯对阻垢作用研究的学者不多，但对二氧化氯和多氯阻垢剂的研究已经很好地建立起来。二氧化氯的杀菌能力以及氧化能力仍是本研究的重点。
二、主要研究内容
选用两种具有代表性的聚羧酸阻垢剂，研究了二氧化氯对阻垢效果的影响。主要研究内容如下：（1）以模拟水样为实验介质。选择聚天冬氨酸和水解聚马来酸酐作为代表性聚羧酸阻垢剂，确定了它们在模拟水样中的最佳用量。（2）以阻垢剂的阻垢率为评价标准。研究了二氧化氯对两种阻垢剂在不同工作条件（包括最佳用量、二氧化氯浓度、pH值、温度、时间等）阻垢效果的影响。
2.1 阻垢剂最佳投用量的确定
水样a中 钙离子（Ca2+）浓度为 500mg/L，水样b中碳酸氢根（HCO3-）浓度为1000mg/L。分别取水样a、水样b 各 50毫升，然后向水样a、水样b加入一定量的阻垢剂，在 70℃下水浴半个小时，并在 70℃下恒温应15小时；当聚天冬氨酸（PASP）和 水解聚马来酸酐（HPMA）的用量不同时，考察二者对 CaCO3（碳酸钙）阻垢效果，如图 1 所示。
图1 阻垢剂用量对阻垢效果图
从图中可以看出，在相同的环境条件下，随着阻垢剂浓度的增加，阻垢率增大，阻垢效果增大。在相同的环境条件下，相同阻垢剂浓度的水解聚马来酸酐（HPMA）的阻垢率高于聚天冬氨酸（PASP）的阻垢率。说明水解聚马来酸酐（HPMA）的阻垢效果好。
聚天冬氨酸（PASP）的阻垢率随着阻垢剂浓度增加而先一直在上升，但最后趋向平稳。分析表明，这可能是由于模拟水环境中钙离子（Ca2+）浓度过高，阻垢率未达到100%的时候，阻垢率就达到一定的高度。而聚天冬氨酸（PASP）的阻垢率随着阻垢剂浓度增加而先一直在上升，但最后趋向平稳。分析表明，在阻垢剂浓度为 1.5mg/L 时，阻垢率随着阻垢剂浓度的增加而上升，至阻垢率差不多达到 100%。这由于羧基（-COOH）、羟基（-OH）和磺酸基（-SO3H）等活性基团组成的阻垢剂，能够与水中的钙离子（Ca2+）结合，并且水垢结晶表面被活性基团组成的阻垢剂在生成水垢过程中所吸附。一方面，电荷相同的微晶相互排斥，阻止了晶核的形成，降低了晶体的生长速度；另一方面，活性基团组成的阻垢剂导致微晶发生畸变，让微晶不能形成正常的水垢体，防止了水垢的形成。当投加量较小时，阻垢效果随投加量的增加而增强。所以当阻垢剂达到一定量时，在体系中与钙离子（Ca2+）完全螯合，不会形成垢。
2.2 二氧化氯（ClO2）浓度的影响
水样a中 钙离子（Ca2+）浓度为 500mg/L，水样b中碳酸氢根（HCO3-）浓度为1000mg/L。分别取水样a、水样b 各 50毫升，然后向水样a、水样b加入一定量的阻垢剂，在 70℃下水浴半个小时，并在 70℃下恒温应15小时；当二氧化氯（ClO2）用量不同时，考察二者阻垢效果，如图 2 所示。
图2 二氧化氯浓度对阻垢效果图
从图中可以看出，在相同的环境以及阻垢剂的条件下，阻垢率随着水中的二氧化氯（ClO2）浓度的增加而先上升后下降。然而，在相同的环境以及阻垢剂浓度条件下，聚天冬氨酸（PASP）在二氧化氯（ClO2）的浓度为2.5mg/L是阻垢率达到最高，且阻垢效果是最好。水解聚马来酸酐（HPMA）则是在二氧化氯（ClO2）的浓度为3.05mg/L是阻垢率达到最高，且阻垢效果是最好。阻垢率先升后降的时看到，聚天冬氨酸（PASP）阻垢率是下降最快的，那是因为二氧化氯（ClO2）对聚天冬氨酸（PASP）分解效果比二氧化氯（ClO2）对水解聚马来酸酐（HPMA）分解效果还要严重，因此聚天冬氨酸（PASP）的阻垢率浮动更大。所以，当二氧化氯（ClO2）浓度增加，使聚天冬氨酸（PASP）以及水解聚马来酸酐（HPMA）等聚羧酸类阻垢剂的破坏达到一定程度时，阻垢率先升后下降，是因二氧化氯（ClO2）浓度高时，在水中主要表现其酸性，促使碳酸钙垢的溶解。
2.3 最佳 pH 的确定
水样a中 钙离子（Ca2+）浓度为 500mg/L，水样b中碳酸氢根（HCO3-）浓度为1000mg/L。向水样a、水样b加入一定量的阻垢剂以及相同浓度的二氧化氯，在 70℃下水浴半个小时，并在 70℃下恒温应15小时，考察不同 pH对 碳酸钙（CaCO3）阻垢作用。结果表明，在一定浓度的阻垢剂和二氧化氯浓度下，阻垢剂的阻垢率随pH值的增加先增大后减小，基本呈“几”可形容。pH值为7~8时，阻垢率最高，阻垢效果最佳。
在不适宜的pH条件下，阻垢率特别低。结果表明，阻垢剂的阻垢效果在很大程度上是由于C-C长链上存在大量的侧基本功能团所致。它们的螯合能力、分散能力、晶格畸变和成膜能力都是由分子中的官能团实现的。当大量的活性基团被大分子包裹时，它们的抗结垢能力降低，当分子被拉伸，活性基团被排列在分子的一侧并暴露时，它们就能充分发挥它们的螯合、分散、畸变和成膜作用。因此，阻垢能力增强。加入碳酸氢钠后，溶液的pH值发生变化，阻垢剂也受到影响。分子是否被拉伸以及它们被拉伸了多远。当分子卷曲时，相同浓度的聚合物溶液的粘度降低，阻垢率降低。当分子被拉伸时，粘度增大，阻垢率增大。
2.4 最佳恒温温度的确定
水样a中钙离子（Ca2+）浓度为 500mg/L，水样b中碳酸氢根（HCO3-）浓度为1000mg/L。向水样a、水样b加入一定量的阻垢剂以及相同浓度的二氧化氯，在 70℃下水浴半个小时，并在 70℃下恒温应15小时；考察不同温度对碳酸钙 阻垢作用。从数据可以看出，在相同环境条件下，以及在同种的阻垢剂和二氧化氯浓度下，阻垢率随着反应温度的增加先升后降，阻垢效果也随之先升后降，阻垢剂在温度为 65℃时的阻垢率最高，效果最好。温度对阻垢剂的阻垢效果有显著的影响。不同类型的阻垢剂对温度的敏感性不同。在较低的温度下，碳酸氢钠的分解比低于高温下的分解速度要快，碳酸钙的溶解
度积增加，碳酸钙沉淀的形成的速度随着碳酸钙溶度面积增大而减慢，阻垢剂与碳酸钙的鳌合时间相对较长，阻垢率提高。
2.5 最佳恒温时间的确定
水样a中钙离子（Ca2+）浓度为 500mg/L，水样b中碳酸氢根（HCO3-）浓度为1000mg/L。向水样a、水样b加入一定量的阻垢剂以及相同浓度的二氧化氯，在 70℃下水浴半个小时，并在 70℃下恒温应15小时；考察不同恒温时间对 碳酸钙（CaCO3）阻垢效果。由数据可以得出，在相同的水环境条件下，以及同种的阻垢剂以及相同浓度的二氧化氯的情况下，为了改变温度时间的长短，需要在一定的PH条件。随着反应时间的增长，阻垢效果随着阻垢率的降低而逐渐下降。分析为，阻垢性能下降原因是时间过长导致分子量收到过大的影响。反应时间的延长不仅将阻垢效果降低，还引起副作用。
三、结束语
聚羧酸阻垢剂的最佳用量研究标明，在相同环境条件下，阻垢效果随着聚羧酸阻垢剂用量增多而提高。在一样的水环境下，同样浓度的阻垢剂，水解聚马来酸酐（HPMA）的阻垢效果以及阻垢率分别比聚天冬氨酸（PASP）的阻垢效果和阻垢率要好，要高。例如当浓度为10mg/L时，聚天冬氨酸（PASP）的 阻垢率63.15%，水解聚马来酸酐（HPMA）的阻垢率为68.23%。
（2）结果表明，在相同浓度的阻垢剂中，阻垢率随二氧化氯含量的增加而增大，阻垢效果较好。随着二氧化氯含量的增加，阻垢作用先增大后减小。聚天冬氨酸（PASP）组二氧化氯浓度为3.0 mg/L，阻垢率为90.75g/L，聚马来酸酐（HPMA）组二氧化氯浓度为3.0mg/L，阻垢率为78.26%。当二氧化氯投加量一定时，阻垢率随阻垢剂用量的增加而增大，两种阻垢剂的最大阻垢率接近1。聚天冬氨酸（PASP）组pH值为6时，阻垢率为41.56%，聚马来酸酐（HPMA）pH值为6时，组阻垢率为39.41。两种阻垢剂的阻垢率随恒温的升高而逐渐降低。当温度为60℃时，聚天冬氨酸（PASP）组的阻垢率为41%。当温度为60℃时，聚马来酸酐（HPMA）的阻垢率为36.58%，说明该阻垢剂与二氧化氯复配适用于高温循环水系统；两种阻垢剂在恒温时间为13小时聚天冬氨酸（PASP）阻垢率为49.68%，聚马来酸酐（HPMA）组阻垢率为44.25%，说明阻垢剂与二氧化氯复配适用于水力停留时间较长的循环水系统。综合条件，阻垢率复配后最佳pH值为7或8，温度越低，恒温时间越短，阻垢效果越好。
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作者简介：刘川，国家电投中电（四会）热电有限责任公司，从事电厂化学12年，目前职位是化学主管。
论文作者:刘川
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
标签：阻垢论文; 阻垢剂论文; 浓度论文; 天冬论文; 马来论文; 二氧化氯论文; 水样论文; 《电力设备》2018年第31期论文;