水是人类赖以生存的重要物质，我国淡水资源比较丰富，但人均水资源量与世界许多国家相比相差很大，人均水量仅为世界人均水量的四分之一。随着国民经济的高速发展，水资源的污染也日趋严重，因此，解决好工业水处理是节约用水、减少污染、保护环境的重要途径，治理冷却水是关系国家经济快速、可持续发展的大事。
在工业用水中冷却水用量最大，约占其总量的80%，为了节约用水，通常采用循环冷却水系统，而水质稳定剂是工业循环冷却用水不可缺少的保护剂，它可以防止设备结垢和腐蚀，降低设备运行能耗，提高生产效率，延长设备使用寿命，节约资源使运行更经济。聚合物阻垢剂是水质稳定剂的一种，其以良好的水溶性，无毒，制备方法简单等优点，广泛应用于工业循环冷却水系统。本文介绍了几种聚合物阻垢剂阻碳酸钙水垢的阻垢率对比，并对所选用的聚合物性能加以说明。
2.实验方法
本文采用的实验方法--碳酸钙沉积法，即以含有一定量碳酸氢根和钙离子的配制水和阻垢剂制备成试液。在加热条件下，促使碳酸氢钙加速分解为碳酸钙。达到平衡后测定试液中的钙离子浓度。钙离子浓度愈大，则该阻垢剂的阻垢性能愈好。
分析步骤：将试液和空白试液分别置于两个洁净的锥形瓶中，形瓶浸入（80±1）℃的恒温水浴中（试液的液面不得高于水浴的液面），恒温放置10h。冷至室温后用中速定量滤纸过滤。各移取25.00mL的滤液分别置于250mL锥形瓶中，加水至约80mL，加5mL氢氧化钾溶液和约0.1g钙-羧酸指示剂。用乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液滴定至溶液由紫红色变为亮蓝色即为终点。以百分率表示的阻垢剂性能n按照下式计算：
n=P4-P3/(0.240-P3)*100
式中：
P4--加入阻垢剂的试液试验后的钙离子（Ca2+）浓度的数值，单位为毫克每毫升（mg/mL）;
P3--未加入阻垢剂的空白试液试验后的钙离子（Ca2+）浓度的数值，单位为毫克每毫升（mg/mL）;
0.240--试验前配置好的试液中钙离子（Ca2+）浓度的数值，单位为毫克每毫升（mg/mL）;
3.天然聚合物阻垢剂
聚合物阻垢剂的种类很多，近年来发展和应用也十分迅速。聚合物阻垢剂包括天然聚合物和合成聚合物，天然聚合物可追溯到30年代，主要有木质素，单宁，腐蚀酸钠，淀粉，纤维素等，是最早应用于冷却水系统的一类阻垢剂，这类聚合物的特点是分子中含有许多酚羟基，因而对Ca2+，Mg2+等盐垢晶体生长有一定的抑制作用。但由于其性能和组成不稳定，在水处理应用中投加量大（50-200mg/L），且在高温高压下易分解，杂质含量高等因素，现在极少使用，本文只针对合成型阻垢剂的阻垢性能及特点加以说明。
4.合成聚合物阻垢剂
4.1.均聚物阻垢剂
均聚物阻垢剂是聚合物阻垢剂中比较基础的，也是应用较早的合成聚合物阻垢剂，主要有聚丙烯酸钠（PAA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）、水解聚马来酸（HPMA）等，此类阻垢剂起作用的是聚合物中的-COOH基团，它对Ca2+，Mg2+等具有较强的鳌合能力，不仅具有分散和凝聚作用，还能在无机垢结晶过程中干扰晶格的正常排列，从而达到阻垢和防垢的目的。
本实验所使用的均聚物系PAA，PMAA和HPMA。
实验数据如下：
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4.1.1.PAA为丙烯酸的均聚物，固含量是48%，平均分子量是2000Mw，属于低分子量的聚合物，是一种常用的阻垢剂，它的分子链带有亲水性的羧基，具有很强的水溶性，它能与水中的Ca2+，Mg2+离子鳌合成溶于水的络合物，可在碱性和中等浓缩倍数条件下对抑制碳酸钙垢有较好的效果。
4.1.2.PMAA为聚甲基为丙烯酸，固含量是48%，平均分子量不详，其阻垢性能与PAA基本相似，但因其结构中甲基的存在，增加了空间位阻效应，耐温性能优于Acumer 1000
4.1.3.HPMA为水解聚马来酸酐，固含量48%，分子量400-800，无毒，易溶于水，化学稳定性及热稳定性高，分解温度在330℃以上，因此在海水淡化的闪蒸装置中和低压锅炉中有优异的阻垢效果。水解聚马来酸酐的羰基＝O作为电子给予体，具有很强的络合作用，其改变碳酸钙、磷酸钙结晶正常形态，阻碍其成长为较大的结晶，从而使得水解聚马来酸酐有抑制水垢生成和剥离老垢的作用。其阻垢率略高于丙烯酸聚合物。
4.2.共聚物阻垢剂
共聚物阻垢剂是20世纪70年代中后期发展起来的一种新型水处理剂，其优越的性能使冷却水处理技术向前迈进了一大步。共聚物阻垢剂具有阻垢效果佳、热稳定性好、与其他水处理剂复配后具有协同作用，不仅对碳酸钙有很好的抑制作用，而且对磷酸钙垢也具有独特的抑制能力，它的出现解决了有机膦酸盐阻垢剂所无法解决的磷酸钙垢，锌垢及其他污垢问题，是目前水处理行业广泛使用的一种阻垢剂。
本实验所使用的共聚物阻垢剂有Acumer2000，Acumer2200，MA-AA，AA/AMPS，AA/HPA/AMPS，实验数据如下：
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4.2.1.Acumer2200为丙烯酸与丙烯酸酯的共聚物，平均分子量为4500Mw，固含量42%，因基团中引入多个羟基故水溶性更强，该阻垢剂可以很好地抑制冷却水系统中的碳酸钙、硅酸镁等垢物沉积，对铁垢、污泥、黏土和油垢也有良好的分散性能。
4.2.2.Acumer2000为丙烯酸磺化共聚物，平均分子量为2000Mw，固含量54%，其是一种新型的含有磺酸盐电解质阻垢分散剂。对碳酸钙、硫酸钙垢均有较好的阻垢效果。由于在共聚物的分子链上含有强酸，弱酸与非离子基团，对氧化铁、磷酸钙、磷酸锌具有优良的抑制作用。
4.2.3.MA-AA是丙烯酸与马来酸的共聚物，固含量48%，平均分子量400Mw，是一种低分子量的聚电解质，是水处理行业最常用的阻垢分散剂，目前基本采用甲苯作溶剂，以过氧化二苯甲酰为引发剂，先聚合后水解的生产工艺。从实验数据看MA-AA对碳酸钙具有很强的阻垢能力，且是所选试剂中阻垢率最高的产品。
4.2.4.AA/AMPS为丙烯酸与丙烯酰胺甲基丙磺酸共聚而成，固含量为40%，分子量不详，此共聚物具有多功能性，不受水中金属离子的影响，对于碳酸钙、硫酸钙、碳酸镁等水垢，特别是对磷酸钙垢、铁垢、锌垢有良好的抑制作用。在Ca2+含量高和共聚物用量大的情况下，可以有效地防止均聚物与水中离子反应，产生难溶性聚合物-钙凝胶，对有机膦酸有协同增效作用。另外，由于磺酸基团对盐不敏感，具有良好的抗温、抗盐能力，尤其是抗高价金属离子的能力强，但国内生产的此类产品存在磺化不彻底导致杂质含量高在使用上受到一定的限制。实验数据显示其阻碳酸钙效率仅次于MA-AA。
4.2.5.AA/HPA/AMPS为丙烯酸/甲基丙烯酸酯/甲基丙磺酸三元共聚物，固含量30%，具有阻垢、耐温、耐酸、耐碱等多种功效，对碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙的阻垢效果显著，对钡盐的阻垢有特效，所以多用于反渗透设备的阻垢。
5.结论
本实验所选用的均聚物和共聚物阻垢剂均由供应商提供，同一种聚合物因分子量的不同阻垢效果也不同，在选用阻垢剂时应加以考虑。从实验数据看丙烯酸-马来酸的共聚物阻碳酸钙水垢的阻垢率最好，其次是AA/AMPS，陶氏的产品在实验中表现一般，但其产品的杂质含量低，酸值低，稳定性好，这对于水处理药剂的复配和阻垢效果也是至关重要要的。
到目前为止，聚合物阻垢剂的研究开发仍是水处理药剂的一大热点。国内尽管已经开发出来一些性能优异的阻垢剂，但是与国外还有一定的差距，而绿色阻垢剂的研究还处于起步阶段，绿色阻垢剂的研究开发将是未来水处理行业发展的主要方向，对经济的可持续发展战略起到关键的作用。
参考文献：
[1]赵彦生,孙凤儿,刘永梅等.我国聚合物阻垢剂的研究新进展[J].化学与生物工 程,2007,2.
[2]张庆轩,杨国华,杨普江等.以水为溶剂马来酸酐-丙烯酸共聚物的合成及阻垢性能研究[J].工业水处理,2000,20(12):26-28.
[3]贾成凤,李义久.共聚物阻垢剂的研究进展[J].精细石油化工进展,2002,3(9):41-44.
[4]霍宇凝,陆柱.聚合物阻垢剂研究进展[J].水处理技术,2000,26(4):199-202.
[5]张小霓,于萍,罗运柏.循环冷却水用阻垢剂性能的评定方法[J].工业水处 理,2003,23(7):13-16.
[6]王睿,张岐,丁洁.阻垢剂作用机理研究进展[J].化学工业与工程,2001,18(2):79-92.
[7]李永红.聚丙烯酸复合阻垢剂的合成、性能及机理分析[J].冶金动力,1997,2:6-7.
[8]周本省,苏德中,陆建英.用鼓泡法对丙烯酸的均聚物和共聚物阻垢作用的对比研究[J].工业水处理,1989,9(3):18-20.
论文作者:王宏岩,刘小英
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/29
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