“銹垢凈”水處理劑的緩釋機(jī)理與應(yīng)用前景
水處理工藝中常投加一定濃度的化學(xué)藥劑以達(dá)到緩蝕、阻垢、殺菌、滅藻等目的，但管理上存在著水質(zhì)監(jiān)測工作量大、投藥次數(shù)多、藥劑量難以把握等問題，影響了處理效果。采用控制釋放技術(shù)的CRG(Controlled-ReleaseGlass)水處理劑，可以有效地解決這類問題，具有良好的應(yīng)用前景。
1控制釋放技術(shù)與CRG
70年代人們發(fā)現(xiàn)，調(diào)整配方可以制備化學(xué)穩(wěn)定性不同、溶解速率不同的CRG水處理劑，可在幾小時到幾年的時間內(nèi)溶解完畢而不留殘渣，并將摻在其中的活性物質(zhì)以精確設(shè)計的速率釋放出來。
控制釋放技術(shù)是在預(yù)期的時間內(nèi)，采取某些措施來控制某種活性物質(zhì)在體系中的釋放速率，以維持體系中該物質(zhì)濃度在有效范圍內(nèi)的方法。與傳統(tǒng)投加方法相比，它具有藥物的釋放速率可預(yù)測、可精確設(shè)計，藥物的有效時間長、效果好、減少了藥物的消耗量等優(yōu)點。特別是對于半衰期較短的藥物，能大大減小藥物及其降解產(chǎn)物因濃度過高而引起的毒副作用。采用控制釋放技術(shù)，則不必頻繁投藥和監(jiān)測，減少了維護(hù)和管理的工作量。
1.1CRG的緩釋機(jī)理
CRG具有“可溶蝕整體”(erodiblemonolithic)型控制釋放體系的特征，在這一簡單、理想的系統(tǒng)中，活性物質(zhì)與CRG組分以固溶體的形式“捆綁”成為一個均相整體，當(dāng)其在環(huán)境介質(zhì)中發(fā)生溶蝕時，活性物質(zhì)得到“松綁”釋放。通常活性物質(zhì)在固溶體內(nèi)部的擴(kuò)散作用可以忽略不計，其釋放的速率只受CRG表面溶蝕過程的速率控制。
1.2影響CRG釋放速率的因素
構(gòu)成CRG中陰離子網(wǎng)絡(luò)骨架的非金屬氧化物的組成，對其化學(xué)穩(wěn)定性有很大的影響。通常Si—O—Si鍵比P—O—P鍵或P—O—Si鍵穩(wěn)定性好，因此硅酸鹽CRG的溶蝕速率較低，釋放的時間較長。在各類金屬氧化物中，堿土金屬氧化物的引入使不同的陰離子長鏈之間以非橋氧交聯(lián)，從而使CRG的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都大大加強(qiáng)、溶蝕速率降低；三價金屬氧化物的引入可使CRG的溶蝕速率更低。
溶解介質(zhì)的性質(zhì)對CRG的溶解速率有影響。含堿性氧化物較高的CRG溶解后使水溶液的pH值升高，與溶液中積累的CRG溶解產(chǎn)物一起，對CRG本身的表面溶蝕產(chǎn)生有促進(jìn)作用的正反饋，這是硅酸鹽溶解過程的特性之一。通常CRG的溶解速率在pH=7.0左右時最低，磷酸鹽CRG的溶解速率隨溶液pH值的降低而迅速增大，硅酸鹽CRG的溶解速率隨溶液pH值的升高而迅速增大。
溫度對控制釋放速率的影響可用Arrhenius定律來描述，通常溫度每升高10℃，釋放速度加快約1倍。
將CRG的表面溶蝕過程看作非均相反應(yīng)，則CRG的釋放量與CRG顆粒的表面積成正比，因此CRG的幾何形狀和尺寸變化導(dǎo)致表面積減少時，釋放量將減小。為解決此類問題，可采用將CRG制成不同的幾何形狀或在其中增加孔道的方法加以解決，這樣隨著溶蝕過程的進(jìn)行，顆粒表面積的減少可以得到補(bǔ)償。
2CRG水處理劑
2.1緩蝕、阻垢、殺菌機(jī)理
一些CRG的主要成分硅酸鹽或磷酸鹽是良好的緩蝕劑，在水中釋放出來的硅酸根或聚磷酸根離子能在金屬的表面生成一層極薄的保護(hù)膜，阻擋溶解氧的擴(kuò)散，抑制腐蝕的發(fā)生。極小濃度的聚磷酸根能與水中的Ca2+、Mg2+形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而大大提高碳酸鈣等難溶性鹽類在水中的溶解度，增大了水中Ca2+、Mg2+的允許濃度，達(dá)到阻垢的目的。
含Ag2O、CuO或ZnO等成分的CRG溶解時，釋放出極微量的金屬離子，能迅速地被吸附在細(xì)菌機(jī)體中酶蛋白的巰基上，使其喪失活性，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。在Ag+、Cu2+、Zn2+中，Ag+的殺菌活性最強(qiáng)，Cu2+殺滅藻類的性能最優(yōu)。
2.2藥劑安全性
一方面，水處理劑的濃度太低，則達(dá)不到預(yù)期的緩蝕、阻垢或殺菌效果；另一方面，水處理劑濃度太高會造成浪費且其本身及降解產(chǎn)物可能具有一定的毒性，因而存在安全性問題，特別是對于與人類健康密切相關(guān)的生活飲用水，安全是第一位的。采用控制釋放的CRG水處理劑，可將其濃度控制在預(yù)期的范圍內(nèi)，不會因濃度過高而造成安全性問題。
2.3優(yōu)點
①CRG水處理劑為固體狀態(tài)，與通常用的液狀水處理劑相比，可降低運輸、搬運和貯存成本。
②CRG在水中緩慢溶解，在一定溫度和水流的情況下，溶解過程可精確控制在一定時間內(nèi)完成，實現(xiàn)較長的投藥周期。
③固體狀態(tài)的CRG性質(zhì)穩(wěn)定，貯存期間不會分解變質(zhì)，其降解過程發(fā)生在溶解之后。
④CRG水處理劑可由100%的活性成分組成，對人體和環(huán)境無害。溶解完畢后不會殘留不溶物，不影響水質(zhì)的感官指標(biāo)。
3CRG的應(yīng)用
3.1循環(huán)冷卻水處理
工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中存在腐蝕、結(jié)垢和菌藻等問題，影響設(shè)備的使用壽命和系統(tǒng)的能耗。大型工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)穩(wěn)定處理，通常采用連續(xù)投加水處理劑和嚴(yán)格控制濃縮倍數(shù)的方法進(jìn)行，除藥劑消耗外，更大的成本來自于日常監(jiān)測和維護(hù)管理等工作。對于眾多的中、小型如中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻水，由于缺少專業(yè)的水質(zhì)處理，通常存在設(shè)備腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重和菌藻大量繁殖，維修、清洗和能耗各項費用大等問題，迫切需要既能達(dá)到化學(xué)處理效果，又便于操作和維護(hù)的“傻瓜”型緩蝕、阻垢水質(zhì)穩(wěn)定劑，因此采用控制釋放技術(shù)的CRG水處理劑大有用武之地。
楊國華等［1］將緩蝕劑、阻垢劑和殺菌劑等水處理劑與賦形劑的固體粉末，混和均勻后壓制成片劑，外表再涂以非水溶性的高分子薄膜制成的包衣水處理劑，具有緩慢釋放的特點。藥劑用完后空膜會浮于水面，可以達(dá)到自動加藥和便于管理的目的。
浙江大學(xué)與浙江德安新技術(shù)發(fā)展有限公司聯(lián)合研制的系列CRG水處理劑已批量生產(chǎn)。其中，商品名為“銹垢凈”的產(chǎn)品具有緩蝕、阻垢和殺菌滅藻三種功能，適合中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)處理，具有廣闊的應(yīng)用前景。
3.2鍋爐給水處理
結(jié)垢和腐蝕是威脅低壓鍋爐安全運行的主要因素，劉振法等［2］以SiO2、聚磷酸鹽為原料，研制成適合低壓鍋爐給水處理的緩溶型磷酸鹽水處理劑。應(yīng)用試驗結(jié)果表明，該產(chǎn)品緩蝕阻垢效果非常明顯，加藥管理極為方便，且費用低廉。
3.3生活冷熱水處理
許多生活供水系統(tǒng)尤其是熱水管網(wǎng)，常存在嚴(yán)重的腐蝕問題，導(dǎo)致“紅水”現(xiàn)象的產(chǎn)生。一些地方水質(zhì)硬度大，導(dǎo)致管路結(jié)垢甚至堵塞，需要進(jìn)行緩蝕阻垢處理。德國Giulini公司生產(chǎn)的商品名為Siliphos的直徑約為20mm的緩溶玻璃狀小球，已在國內(nèi)市場銷售。Siliphos的主要成分是聚磷酸鹽和硅酸鹽，適合于生活飲用水管網(wǎng)的緩蝕阻垢。
英國Aqua-Dial公司生產(chǎn)一種家用的商品名為Combi-careCompact的阻垢器，是將小顆粒CRG水處理劑裝在一只可更換的一次性密封藥罐內(nèi)，安裝在自來水管道上，利用微弱的節(jié)流作用使極少量水經(jīng)旁路流進(jìn)藥罐，將CRG溶解帶出，與主管道中的自來水流混合稀釋，達(dá)到按比例加藥的目的。安裝這種阻垢器可有效防止熱水器銅管的結(jié)垢。
一定成分組成的CRG水處理劑，也可以用于飲用水的除氟，其效果和機(jī)理值得進(jìn)一步研究。
3.4CRG殺菌劑
以次氯酸鹽為主要成分壓制而成的氯錠已經(jīng)商品化，可用于水系統(tǒng)的殺菌滅藻［3］，通常一只藥錠的溶解時間為1～2d。在CRG原料中引入Ag+，Cu2+或Zn2+成分后可得到CRG殺菌劑，具有殺菌持久、穩(wěn)定性好等特點［4］。有人將它與磷酸鹽的緩蝕阻垢作用相配合，制成多功能水處理劑用于循環(huán)冷卻水的處理，達(dá)到良好的殺菌滅藻效果。調(diào)整配方可使CRG中Ag+釋放濃度＜0.05mg/L，可制成飲用水的緩蝕殺菌劑，投放在高層建筑的水箱中長期緩慢溶解，既可減輕管網(wǎng)的腐蝕，又可以控制水的二次污染；單純的CRG殺菌劑對皮膚無刺激，可用于游泳池水的殺菌消毒。
4結(jié)論
CRG水處理劑是一種簡單理想的控制釋放體系，其表面的溶蝕過程是藥劑釋放速率的控制步驟，其釋放特性可通過成分來調(diào)節(jié)。在一定溫度和介質(zhì)等外部條件下，藥劑的釋放量只與CRG顆粒的表面積有關(guān)。
水處理劑的日常監(jiān)測和維護(hù)管理比藥劑本身的性能和質(zhì)量更重要。采用控制釋放技術(shù)的CRG水處理劑，既可改善水質(zhì)處理的效果，又將分析監(jiān)測、操作和管理等的工作量減到最低程度，在水處理領(lǐng)域有著廣泛的用途，具有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)：
［1］楊國華，徐國強(qiáng)，汪祖模.水處理片劑的研制［J］.化學(xué)世界，1989，(4)：174-176.
［2］劉振法，王育琳，籍寶霞.緩溶磷酸鹽水處理劑的研制及在鍋爐水處理中的應(yīng)用［J］.工業(yè)水處理，1998，18(5)：11-12.
［3］金熙，項成林，齊冬子.工業(yè)水處理技術(shù)問答及常用數(shù)據(jù)(第二版)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.
［4］張文鉦，張羽天.載銀飲水殺菌技術(shù)的研究與開發(fā)［J］.化工新型材料，1999，27(12)：33-34.
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