水處理劑(俗稱水質(zhì)穩(wěn)定劑),是用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的一大類精細(xì)化工產(chǎn)品,包括阻垢劑、分散劑、緩蝕劑、混凝劑、助凝荊、殺生劑、清洗劑和消泡劑等,廣泛應(yīng)用于化工、冶金、化纖、制藥、發(fā)電、石油開采和其它任何需應(yīng)用循環(huán)冷卻水的工業(yè)部門,文中只介紹其中的前三類。
中國水處理劑的研究開發(fā)已取得一定成果,尤其是近年來,陸續(xù)開發(fā)出的新型水處理劑,填補(bǔ)了國內(nèi)空白[1]。但由于國內(nèi)水處理劑的工業(yè)發(fā)展歷史較短,基礎(chǔ)相對薄弱,與國外相比,技術(shù)落后,整體水平不高。因此,隨著全球環(huán)保意識的提高,國內(nèi)水處理劑的開發(fā),應(yīng)以性能良好、無毒、無污染、多功能、環(huán)保高效的水處理劑為主要研究方向。
1.1 絮凝劑
絮凝劑在水處理中具有重要的作用[2]。它可以用來降低水的濁度、色度等感觀指標(biāo),去除多種高分子有機(jī)物、某些重金屬和放射性物質(zhì)。低分子無機(jī)鹽類絮凝劑主要有鋁鹽和鐵鹽,目前工業(yè)應(yīng)用很少。無機(jī)高分子絮凝劑與傳統(tǒng)的鐵鹽相比,具有凝聚性好、絮凝體形成速度快、密集、質(zhì)量大、沉降速度快等優(yōu)點,而且比有機(jī)高分子絮凝劑價格低廉。它在技術(shù)上經(jīng)歷了從單一品種到多品種、從單組分到多組分、從一般功能到特殊功能或多功能的發(fā)展過程,品種有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚***鐵、聚合***鐵鋁等。有機(jī)高分子混凝劑投加量少,一般在2×10-6以下,效果好,形成的絮體大,而且強(qiáng)度大,不易破碎,不增加泥量,降低熱值,無腐蝕性。常用的有機(jī)絮凝劑有:聚丙烯酞胺、聚丙烯酸鈉、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸鹽等,其中聚丙烯酞胺的應(yīng)用最多,占有機(jī)高分子絮凝劑的80%左右。而這一類絮凝劑由于存在著生物降解難、殘留單體有毒等問題,限制了它的應(yīng)用。復(fù)合型絮凝劑能克服使用單一絮凝劑的許多不足,適應(yīng)范圍廣,對有色廢水、多種工業(yè)廢水,都有良好的凈水效果,脫污泥性能好, pH使用范圍大。然而復(fù)合型絮凝劑在有機(jī)合成制備上,手續(xù)復(fù)雜,成本較高,并有可能存在二次污染。目前,復(fù)合絮凝劑由工業(yè)化生產(chǎn)和使用的品種還比較少,應(yīng)用比較成功的有TS系列無機(jī)復(fù)合型高效混凝劑和CAF復(fù)合型絮凝劑。今后的研究應(yīng)用,應(yīng)著眼于優(yōu)化絮凝劑的制備工藝,改進(jìn)產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性;同時根據(jù)特定的水質(zhì)成分,開發(fā)相應(yīng)的絮凝劑品種和配方;并結(jié)合高效混合反應(yīng)器和智能化投藥監(jiān)控技術(shù),進(jìn)一步提高絮凝效果。復(fù)合型混凝劑以其高效價廉的優(yōu)勢,必將迅速發(fā)展。對于天然高分子,需解決其電荷密度小、分子量低、不穩(wěn)定、溶解性不好等問題,今后可發(fā)展性能更優(yōu)的絮凝劑。
1.2 阻垢劑
最早的阻垢分散劑是聚丙烯酸(鈉),它對碳酸鈣垢有良好的阻垢性能,但對磷酸鈣沉積的抑制作用極低。此類聚梭酸型阻垢劑,不僅有凝聚和分散作用,還有使晶體在生長過程中發(fā)生晶格歪曲的作用,從而阻礙了金屬傳熱面上的垢層的牢固沉積。后來發(fā)現(xiàn),丙烯酸共聚物對二者的抑制能力極佳,因而逐漸取代了聚丙烯酸(鈉)。有機(jī)多元磷酸鹽是陰離子型緩蝕劑,也是非化學(xué)當(dāng)量螯合型阻垢劑,對鈣、鎂、鋅、鐵等離子不僅具有明顯的低限制作用,而且對其它藥劑還有協(xié)同作用,廣泛用于冷卻水的處理中。有機(jī)磷酸醋屬于陽離子型緩蝕劑,阻垢機(jī)理主要是晶格畸變。它是一種對金屬鐵的緩蝕劑,但也有控制鈣垢的作用;用量比磷酸鹽要小并能水解,因此不存在藥劑量的積累和排污問題,水解產(chǎn)物可以被生物降解。近年來,國內(nèi)分散劑有長足的發(fā)展,目前,人們特別注目的是將磺酸基團(tuán)引人聚合物分子中,以增加阻垢劑的分散能力。使用這類聚合物可使總硬度達(dá)到1 000×10-6(碳酸鈣)以上,拓寬了水處理劑的應(yīng)用范圍。此外,中國還探索在聚合物分子中引進(jìn)酰胺、羥基、氨基、羧基等。
1.3 緩蝕劑
主要的緩蝕劑品種有無機(jī)鹽類、有機(jī)鹽類和芳香唑類,主要有鉻酸鹽/磷酸鹽/硫酸鋅/硅酸鹽/鉬酸鹽/鎢酸鹽和有機(jī)磷酸鹽。東南大學(xué)研究了一系列新型的以鎢酸鹽、鎢雜多酸鹽絡(luò)合物的過氧化物為主體的緩蝕劑,對高氯高鹽水有較好的緩蝕阻垢效果。芳香唑類是用于銅及其合金的緩蝕劑,國內(nèi)常用的是苯并三氮唑和巰基苯并三唑,生物高分子聚天冬氨酸對環(huán)境無害,被譽為綠色緩蝕劑。
中國的緩蝕劑品種很多,如磷酸鹽、鉻酸鹽、硝酸鹽等,其中鉻酸鹽因其毒性大而被淘汰,磷酸鹽則占據(jù)著重要地位[3]。磷酸鹽較好地解決了冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生碳酸鈣垢的問題,但是有機(jī)多元磷酸不能有效地抑制磷系和磷鋅系水處理配方中產(chǎn)生的磷酸鈣垢、鋅垢和其他垢類。同時隨著世界各國對污水磷排放的規(guī)定,也限制了它的使用。從20世紀(jì)90年代起,無磷或低磷型循環(huán)水處理劑在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展,代表性產(chǎn)品有磷酞基竣酸、多氨基多竣基甲叉磷酸等,大分子的有有機(jī)磷類和聚天冬氨酸、肉桂醛類等無磷緩蝕阻垢劑,及相應(yīng)的復(fù)合配方。它們的特點是,對鈣的容忍度較高,能穩(wěn)定鋅、鐵離子,適合在苛刻的水質(zhì)條件下應(yīng)用,基本不含磷或含磷較低。
綠色水處理劑及其清潔化生產(chǎn),是水處理劑研究的必然發(fā)展趨勢,但目前僅有阻垢劑與緩蝕劑在綠色化上取得了一定發(fā)展,而絮凝劑作為最主要的且用量最多的藥劑,在目前所使用的無機(jī)與有機(jī)絮凝劑中,還存在著二次污染問題,而且容易對人體健康造成重大的傷害,因此,應(yīng)加大其綠色化進(jìn)程的研究開發(fā)。在開發(fā)過程中,以天然產(chǎn)物如農(nóng)、林產(chǎn)品作為原料,輔以W /W乳液聚合技術(shù),使生產(chǎn)和使用過程中均實現(xiàn)綠色化,并且無二次污染的產(chǎn)生。同時加強(qiáng)對微生物絮凝劑的研究開發(fā),并對微生物絮凝劑分子結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系、絮凝基團(tuán)的定位、工程菌的組建、培養(yǎng)基成本及工業(yè)發(fā)酵的可行性研究等問題,進(jìn)行進(jìn)一步的研究,從而開發(fā)出更具潛力的微生物絮凝劑[4]。
水資源貧乏一直是中國面臨的一大難題,尤其是近年來隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,用水量急劇上升,水資源的污染也日趨嚴(yán)重。工業(yè)水處理技術(shù)對于節(jié)約水資源、減少水污染、延長設(shè)備使用壽命等,具有重要意義。因此,隨著工業(yè)水處理及環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高,國內(nèi)的水處理劑品種不斷豐富,性能不斷提高。 按照可持續(xù)發(fā)展的要求,水處理技術(shù)的綠色化進(jìn)程將會加快,開發(fā)研制適合環(huán)境保護(hù)需求的無磷或低磷、非氮和可生物降解的綠色水處理劑,將成為工業(yè)水處理領(lǐng)域中最主流的研究方向。研究應(yīng)從三個方面著手: 一是盡量選擇天然品為原料,在合成路線上盡量實現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)性;二是對水處理劑的開發(fā),引進(jìn)分子設(shè)計和計算機(jī)模擬,向分子中插入氧原子,就可能獲得既具優(yōu)良的阻垢作用,又容易生物降解的產(chǎn)品; 三是從綠色理念出發(fā),重視生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響,改進(jìn)水處理劑的生產(chǎn)工藝,開發(fā)研制適合環(huán)境保護(hù)需求的低磷、非氮和可生物降解的多功能綠色水處理劑,這將成為工業(yè)水處理領(lǐng)域中最主流的研究方向。
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