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产品资讯

水质稳定剂

    如果水中没有溶解物质和悬浮杂质,水处理的管理操作将是方便的。实际上,水具有良好的溶解性能,它又和空气大量接触,致使水中含有各种各样的杂质。水质的控制,实际上就是对水中杂质的控制。水质所引起的问题主要有:腐蚀、结垢、污泥和微生物繁殖,而水质控制的内容就是针对这四个方面所采取的控制手段。目前,主要是采用化学方法来达到上述目的,即水质稳定技术(更广义地说水处理包括:水使用前的处理、水使用中的处理和水使用后的处理,即污水排放达标处理)。

在使用水质稳定剂的过程中,缓蚀、阻垢,污泥分散,杀菌效率常常要受到水质环境、金属种类、金属表面状态的影响。实践经验表明:同一个配方在不同水质环境和同一种金属不同的表面使用,往往会得到不同的结果。在一个环境里使用较好的稳定剂而在另一个环境里的效果大为降低甚至无效,导致这种差别的原因就是水质环境的变化。因此正确分析水质环境的变化、金属种类、金属表面状态对合理使用水质稳定剂,以及合理选择水质稳定剂成分构成高效配方具有重要的意义。水质稳定剂的使用和组方包括两方面的认识:

(1)对水质稳定剂本身性质的认识。包括水质稳定剂的分子结构与缓蚀率、阻垢率、杀菌效率、污泥分散效率之间的关系,水质稳定剂主体成分和辅助成分的协同关系,有害成分对其性能的影响等。

(2)对影响水质环境因素的认识。包括哪些因素改变了水质环境。以往研究只注意前者,本文对影响环境的因素进行总结,在此基础上对水质进行分类,然后按照不同的类型给出不同的处理方法。

2  影响水质环境的因素

    水是良好的溶剂,因此水中含有各种各样的杂质,归结起来可分为4类:盐、气体、胶体(包括有机物、悬浮物)、微生物(包括藻类、真菌、细菌)。

2.1水中溶解盐的影响

水中含有大量的无机盐类(矿物质),在水中全部电离成阳离子和阴离子,通常用总溶固含量来表示水中的总含盐量,也称矿化度或盐度。根据水质的矿化度可以将水质分为3类:

(1)淡水,总溶固含量小于 1000mg/L;

(2)咸水,总溶固含量在 1000~30000mg/L之间;

(3)高盐水,总溶固含量在30000mg/L以上。

其含量也可以通过电导来间接测量。一般来说,矿化度越高、腐蚀和结垢的倾向越大,它是水处理过程中重要的控制指标。

2.2水中溶解气体的影响

    对水质影响较大的气体有O2、CO2、NH3、SO2。当它们溶解在水溶液里,水质将发生变化,如H2S溶解在水中就可能产生硫化氢腐蚀,CO2溶解在水中就可能出现CO2腐蚀,也有可能出现更复杂的情况,形成如H2S-O2-CO2腐蚀体系,相应的防护措施要随之改变,才能达到保护设备的目的。当然,上述几种气体不是在每种水质都可能同时出现的,含SO2水质一般出现在空气污染比较严重的地区。一般炼油厂的水中往往含有H2S或者在油气田中可以出现硫化氢类水质。

2.3胶体、悬浮物和有机物对水质的影响

天然水中除有溶解杂质以外,还有各种悬浮杂质。按杂质颗粒的大小可分:悬浊液(粒径>0.1μm)、真溶液(粒径<1mμm)、胶体(粒径在1μm~1mμm之间)。用浊度表示悬浮物总含量是水质的第4个控制指标。浊度提高腐蚀速度和结垢速度增加。水中有机物的提高往往伴随着细菌和病毒的增高,它们是细菌和病毒的培养基。一般通过生物需氧量BOD和化学需氧量COD表示有机物的含量,它是细菌的营养源,当COD>10mg/L时,就可能出问题。这里要特别强调一下的是油污,它主要来自于设备安装时粘附在设备上而带入的,或由于泵、风机的润滑系统渗漏而带入的。在冷却塔用水中,一般当油污含量超过10mg/L时就会产生泡沫。水中含有油类杂质对水质控制有许多危害,主要有以下三个方面:

(1)油膜是一层不良热导体,它粘附在管壁上影响传热效果。

(2)由于油膜粘附于管壁,改变了金属表面的状态,阻止了缓蚀剂与金属表面的接触而导致局部腐蚀。

(3)油污是一种污垢的粘结剂和微生物营养源。由于油的存在将增加微生物的活性,在油膜的下面硫酸盐还原菌繁殖得很快,形成含油的黑色污泥。循环水中必须严格控制水中的油含量,一般认为不得高于5mg/L。在形成配方时,它也是应该考虑的因素之一。

2.4微生物对水质的影响

工业用水中含有一定数量的微生物,在冷却水中引起问题的微生物主要有三类:藻类、细菌和真菌。微生物腐蚀的重要特点是它高度集中于局部部位,从而产生局部腐蚀。尤其应重视硫酸盐还原菌和铁细菌,其腐蚀反应为:

4Fe + SO2 + 4H2O —硫酸还原菌—FeS + 3Fe(OH) 2 +3OH-

腐蚀特点为:(1)具有点蚀的特征,点蚀孔内表面一层腐蚀产物为黑色,孔蚀内表面很光亮,点蚀外表面是圆形,俯视观察具有同心圆特征。(2)铁细菌,它是自养菌和兼养性自养菌的统称。当水中含有亚铁离子时,就很容易产生铁细菌,铁细菌附着在管壁上,形成了从红棕色到黑褐色的疤或瘤,铁细菌依靠铁和氧进行生存和繁殖,它依靠亚离子氧化为高铁离子所释放出的能量维持生命,使金属腐蚀。

3  水处理药剂的选择

水质控制就是通过化学手段防止水在运行过程中出现结垢、腐蚀、污泥附着,而单一药剂很难达到上述目的,需将各种药剂复配使用。因此,在水处理过程中,必须考虑以下几点:

(1)收集有关水质、水量的资料;

(2)对用水设备的特性(种类、用材和运行条件)或用水条件有充分的了解,考虑可能发生的水质故障(腐蚀、结垢、粘泥),明确防止故障的控制指标;

(3)对水质稳定剂、药剂之间的配伍性的了解;

(4)考虑与环境相协调,使用绿色环保型、经济型、安全型的处理方法。

在选择水处理配方之前,首先要对所采用的水质做全面的了解,对水质结垢和腐蚀倾向进行判断,以决定是否去除硬度或投加阻垢剂。缓蚀剂处理时初步考虑在选择药剂配方中,阻垢剂、分散剂所占的比例,然后结合设备的运行情况考虑加入其它助剂。在此基础上,对具体的水质条件判断处理药剂,是以缓蚀剂为主剂,还是以阻垢剂为主剂。它可以通过雷兹纳稳定指数R.I达到上述目的。其判断公式为:R.I=2pHs-pH,其中,pHs是碳酸钙饱和时的pH,就是实际测量的pH。

雷兹纳认为:可以将R.I=6作为分界线,R.I=6表示碳酸钙不腐蚀也不结垢;R.I<6表示有结垢倾向;R.I>6表示有腐蚀倾向。它存在一定的局限性,不能完全预测金属表面的各种复杂动态,但可用它作为选择水处理的指南,据此初步设计系统投加药剂的方案,见表1。

表1R.I值显示的问题及建议加药方案

R.I值

问题倾向

加药方案

0-2

严重结垢

膦酸盐、膦酸酯、聚丙烯酸、聚马

3-6

中等结垢

聚马/锌盐、多元醇膦酸酯/锌盐

4.5-8

中等结垢和中等腐蚀

膦酸盐/聚磷酸盐、膦羧酸/聚磷酸盐

6.5-10

中等腐蚀

膦酸盐/钝化剂、聚磷酸盐/锌盐/钝化剂

8-10

严重腐蚀

膦酸盐/锌盐

在选择了配方的主体成分之后,结合现场情况,进一步调查设备的材质类型、介质流速、溶解的气体、介质浊度、BOD大小、设备运行状况,如是否出现腐蚀、结垢、污泥、微生物,是否有漏油问题等。根据调查得来的数据确定配方骨架,如是否加表面活性剂、消泡剂、分散剂、非铁类的缓蚀剂等。在此基础上,根据掌握的有关缓蚀剂、分散剂、阻垢剂,表面活性剂的性质,结合现场调查的情况,选择适合改变介质条件的药剂种类,充实配方的内容,然后通过试验确定配方的最终组成。

4  各种处理药剂

    从经济实用的角度出发,水处理药剂多采用复合配方,以发挥各种组分的协同作用。目前,在水处理中有3个体系的药剂配方:钝化系(硝酸盐、铬酸盐、钼酸盐)、磷系、非磷有机系,主要以磷配方为主。为更好地使用磷系药剂需要了解一下其适用条件。

4.1在偏碱性工况下(pH = 7.8~8.3)的使用条件

(1)热交换器出口温度不宜超过500℃;

(2)水在热交换器中的流速最好在1~2.5m/s,一般至少应在 0.3m/s以上;

(3)控制浊度小于10mg/L ;

(4)循环水中的钙硬度不少于75~125mg/L (以CaCO3计)或30~50mg/L (以Ca2 +计),不高于400mg/L (以CaCO3计)或160mg/L (以Ca2 +计) ;

(5)碱度应小于244mg/L ;

(6)Cl-对不锈钢小于300mg/L ,对碳钢可以允许在400~500mg/L。

4.2在碱性工况下(pH = 8.5~9.0)的使用条件

(1)热交换器出口温度不宜超过600℃;

(2)水在热交换器中的流速一般应在0.3m/s以上;

(3)控制浊度小于10mg/L;

(4)循环水中的钙硬度不少于250~400mg/L (以CaCO3计)或100~160mg/L (以Ca2 +计);

(5)Cl-对不锈钢小于300mg/L,对碳钢可以允许在400~500mg/L。

目前,使用磷系配方一般是由以下三个主体配方增减而来。

4.3膦酸盐-锌盐体系

该体系对Ca2+含量不超过150mg/L的水质都有效。使用温度最好不超过400℃,适用于雷兹纳指数R.I<7.5水质,pH使用范围为6.5~8.5,其有机组分将会侵蚀非铁金属,此时考虑加入对应的缓蚀剂;pH>8.5会有锌盐析出,为防止其析出考虑加入PB TCA。为避免pH过低而引起的对非铁金属的侵蚀,通常配方中加入少许唑类化合物(MBT)。由于该配方可以在高浓缩倍数下运行,使用的pH范围宽,可不调节pH,而广泛应用于工业上。它可以组成以下骨架的配方:

①酸盐-锌-磺化苯乙烯/聚马(加强分散性)提高阻垢性能;

②膦酸盐-锌盐-木质素(提高分散性);

③膦酸盐-锌盐-MB T ;

④膦酸盐-锌-PB TCA (在高硬度、高温、高pH下使用)。

4.4聚磷酸盐-锌盐体系

    该配方在pH<7.5条件下使用较为理想。在使用过程中要控制pH,以防止由于聚磷水解而形成磷酸钙垢。为此,可以在此方中加入高聚物抑制磷酸钙析出,该法适用于结垢倾向小、低硬度水。如果将配方变化为:聚磷酸盐—锌—膦酸盐—正磷酸—铜缓蚀剂,该方就可以适用于高含盐量、高SO2、Cl-含量和负饱和指数的水。锌盐可用Zn(H2PO4)2所谓碱处理工艺是指当雷兹纳饱和指数在4.5~8之间时,对原水可以不进行预处理,利用原水中Ca2+,Mg2+的缓蚀作用加入相应的药剂,控制腐蚀和结垢。配方骨架为膦酸盐、聚合物、有机物。在这种工况条件下,配方中的缓蚀剂选择范围较大,除了选择磷系作为腐蚀抑制剂以外,还可以选择非磷系组分作为控制腐蚀的缓蚀剂。通过引入分散剂可将配方赋有阻垢、分散和抑制局部腐蚀的能力。在该条件下配方可以在很宽的温度和pH范围内使用。例如,以多元醇(膦酸盐)-锌盐-木质素磺酸钠成分为骨架的配方可以解决高硬度、高含盐水质的腐蚀和结垢问题。

5  应用实例

以锦西热电供暖公司补水水质分析为例,其水质指标如下:

供水温度:80℃

pH:7.6;碱度(CaCO3):64mg/L

钙硬度(CaCO3):181mg/L

总硬度(CaCO3):92.5mg/L

总铁:0.1~0.3mg/L

氯离子:10.5mg/L ;硫酸根:32mg/L

浊度:5mg/L;电导率:40μS·cm-1

根据以上温度计算的雷兹纳指数R.I=5.15,由此判断,此水为中等腐蚀中等结垢的水质。因此在配方设计上利用水中Ca2+、Mg2+的缓蚀作用控制腐蚀,配方骨架可以设计为:膦酸盐-锌盐-酰胺-聚乙烯磺酸钠。实践表明:它具有较好的缓蚀和阻垢效果。采用我们设计的合理配方,使药剂的使用量由原来的150mg/L降到现在的100mg/L,既节省了药剂,又达到了理想的防腐效果。

另外,根据现场情况要有特殊的处理办法,如对油田的水中溶解了H2S或CO2气体和大量的Cl-,在制定方案前,首先应根据水质分析报告中溶解气体的量,结合现场调查判断腐蚀或结垢的原因(是氧还是硫化氢或二氧化碳腐蚀以及结垢类型),采取相应的对策。在制定配方时,不仅要考虑配方成分之间的协同作用,也要考虑其可能带来的危害,适当加以控制。例如,某供热公司在供暖期间为防止热网水丢失,在使用水质稳定剂的水中,加入了含有表面活性的防丢水剂,结果引起了泡沫,影响了供暖。如果在使用前能认识其负面作用,加入消泡剂就可以避免。现场调查也很重要,例如某厂因设备漏油而使缓蚀剂失效,如果现场了解到这一情况,在组方时考虑到这一因素(加表面活性剂)就可避免这一情况的发生。总之,重视水质环境和现场情况调查,才能较好采取应对措施,提高水质稳定剂的使用效率。

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