高温水中阻垢剂阻垢性能及影响因素

1 　实　验

1.1 　实验药剂

阻垢剂: 22膦酸丁烷21,2,42三羧酸( PBTCA),自制;多元醇膦酸酯( PC2604),自制;羟基乙叉二膦 酸(HEDP),工业级,天津化工研究院。分析用试剂:乙二胺四乙酸二钠( EDTA),碳酸氢钠(NaH2CO3),无水氯化钙(CaCl2),氨水(NH3·H2O),铬黑T指示剂,三乙醇胺(N(CH2CH2OH)3),氢氧化钠 (NaOH)和盐酸(HCl)等,均为分析纯试剂。配制水:在1000mL自来水中加 入015g无水分析纯氯化钙配制而成。

1.2 　实验介质

实验介质为100 ℃的自来水和配制水,用011N NaOH 或10 % HCl (质量分数) 调节实验介质的pH 值;用分析纯无水氯化钙(CaCl2 ) 调节实验介质的 Ca2 + 含量。自来水的化学成分为:pH 716 、Ca2 + 67 mg/ L 、Mg2 + 28 mg/ L 、Cl - 15 mg/ L 、SO2 - 4 513 mg/ L 、SiO2 18 mg/ L 。

1.3 　实验装置

静态阻垢实验装置主要由三颈烧瓶、冷凝管、导 电表、继电器、加热套等组成。继电器与导电表控制 加热套对溶液加热并使试液恒温于100 ℃。通过回 流冷凝器作用使试液体积恒定不变。

1.4 　阻垢性能测定

将待测试液置于三颈烧瓶中,在100 ℃下恒温 保持10 h 后停止加热,并冷至室温,然后用移液管 移取适量试液,加入指示剂及掩蔽剂,在pH = 10 左 右用EDTA 滴定。分别按式(1) 和式(2) 计算阻垢 率η( %) 和结垢率γ( %) :

式中, V 0 为不加阻垢剂且未经100 ℃恒温的试液 所耗EDTA 体积,mL ; V 2 为不加阻垢剂但经100 ℃恒温的试液所耗EDTA 体积,mL ; V 1 为加入阻 垢剂且经100 ℃恒温的试液所耗EDTA 体积,mL ; V 为经100 ℃恒温的试液所耗EDTA 体积,mL 。

2 　结果与讨论

2.1 　阻垢剂阻垢效果比较

采用静态阻垢法研究了PBTCA、HEDP、PC2 604 三种阻垢剂在5 mg/ L 的使用浓度下,于100 ℃ 的自来水和配制水中的阻垢效果,其结果见表1 。

由表1 可知,在自来水和配制水中, PBTCA 的 阻垢效果均优于HEDP 和PC2604 ,阻垢率分别为 9616 %和8415 %。这是因为HEDP 和PC2604 在较 高温度下易发生水解,使其阻垢性能降低。而PBTCA 不仅具有较好的抗高温性能,且分子中还含有 羧基与膦酸基,因此具有较好的阻抑CaCO3 垢形成 的能力。

2.2 　阻垢剂阻垢率与浓度的关系

PBTCA 在自来水和配制水中的阻垢率随浓度 的增加,均按指数规律变化。PBTCA 在这 两种体系中均存在“临界值效应”和“溶限效应”。在 临界浓度(自来水中约为114 mg/ L ,配制水中约为 3 mg/ L) 以下,阻垢能力较差;达到临界浓度时,其 阻垢率突然增大;浓度再继续增加,阻垢率基本不再 增加。这是由于PBTCA 中的羧基和膦羧酸基可以 提高CaCO3 晶体粒子的表面电荷密度,增加了粒子间的相互排斥,从而降低了CaCO3 结晶速度。但只 有当药剂达到一定的浓度后,才会有更多离解的羧 基和膦羧酸基使固体粒子吸附到保持相互间达到排 斥平衡的表面电荷密度,此时溶液保持一种胶体状 态,减缓了晶体结晶的速度,使所加药剂产生最佳的 阻垢效果。

2.3 　阻垢剂复配效果

为寻求即经济又高效的阻垢剂和组成,进行了 阻垢剂复合使用时的阻垢性能研究。由于PBTCA、 HEDP 和PC2604 三种阻垢剂中HEDP 的价格最 低,因此用HEDP 与PBTCA、PC2604 进行复配实 验。结果是HEDP 与PC2604 复配时的阻垢 性能不理想,其阻垢率大约在40 %～60 %之间;而 与PBTCA 复配时,表现出优异的阻垢性能,且不同 浓度的HEDP 与PBTCA 复配时, 其阻垢率均在 80 %以上。这可能是因为PBTCA 属于膦羧酸类, HEDP 属于羟基膦酸类, PC2604 属于醇膦酸酯。 HEDP 与PBTCA 复配药剂在水溶液中所离解的羧 酸或羟基,要比同样量的HEDP 与PC2604 复配药 剂所离解的羟基或酯基要多,而这些基团越多则负 电荷越多,使得水处理剂吸附或破坏CaCO3 晶体的 能力加强。因此,从阻垢效果和经济角度考虑,以2 mg/ L PBTCA 与4 mg/ L HEDP 复配为宜。

2.4 　pH对复合配方阻垢性能的影响

在2mg/LPBTCA+4mg/LHEDP的复合配 方体系条件下,进一步研究了pH 值对其阻垢性能的影响。

在配制水中无论是否加入阻垢剂,增大体系的pH值,均会使体系结垢倾向增大.这是因为pH值增大,易导致CaCO3成垢。但加入阻垢剂后,可明显降低体系结垢率。这表明阻垢剂抑制了CaCO3垢的生成。

在体系pH 小于812 时,阻垢剂的 阻垢率基本维持在80 %左右,但当pH > 812 后,阻 垢剂的阻垢率明显降低,这是因为pH 的增大,极大 地增强了CaCO3 的成垢能力。

3 　结　论

(1) 在高温条件下,与HEDP 和PC2604 相比, PBTCA 具有较为理想的阻垢性能。考虑到经济效 益和阻垢性能, 则以2 mg/ L PBTCA 与4 mg/ L HEDP 复合使用时为佳。
(2) 2 mg/ L PBTCA + 4 mg/ L HEDP 复合阻垢 剂在pH 值为812 、Ca2 + 和HCO - 3 的质量浓度分别 为550 mg/ L 、500 mg/ L 高温水体系中使用时,有 最佳的阻垢效果。
(3) 随着体系中HCO - 3 浓度和pH 值的增加,体 系的结垢倾向加大,而Ca2 + 离子的作用不十分明 显;但加入PBTCA 与HEDP 复合阻垢剂,将有利于 降低体系的结垢率。