工業水處理劑的研究現狀與方向
摘 要:綜述工業水處理劑的研究現狀,展望其發展方向,并對武鋼水處理劑的應用情況進行簡要分析, 指出發展多功能和綠色水處理劑是未來工業水處理劑的研究重點和發展方向。
關鍵詞:工業水處理劑;多功能;綠色;研究現狀
水處理劑是工業用水、生活用水和廢水處理 過程中所需的化學藥劑。經過這些化學藥劑的處 理,它可以使水的質量達到一定的要求。其主要 作用是控制水垢、污泥的形成,減少泡沫,減少與 水接觸材料的腐蝕,除去水中懸浮固體和有毒物 質,除臭、脫色、軟化和穩定水質等;根據其作用可 分為緩蝕劑、阻垢劑、絮凝劑、殺菌滅藻劑等[1]。
1 研究現狀與方向
1.1 絮凝劑
絮凝劑在水處理中具有很重要的作用。它可 以用來降低水的濁度、色度等感觀指標,去除多種 高分子有機物、某些重金屬和放射性物質。
低分子無機鹽類絮凝劑主要有鋁鹽和鐵鹽, 目前工業應用很少。無機高分子絮凝劑與傳統的 鐵鹽相比,具有凝聚性好、絮凝體形成速度快、密 集質量大、沉降速度快等優點,而且比有機高分子 絮凝劑價格低廉。它在技術上經歷了從單一品種 到多品種、從單組份到多組份、從一般功能到特殊 功能或多功能的發展過程,品種有聚合氯化鋁、聚 合硫酸鐵、聚氯硫酸鐵、聚合氯化硫酸鐵鋁等。
有機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,而且強度大,不 易破碎,不增加泥量,降低熱值,無腐蝕性。常用 有機絮凝劑有:聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚氧乙 烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸鹽等,其中聚丙烯酰胺 的應用最多,占有機高分子絮凝劑的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,限制了它的應用。
復合型絮凝劑能克服使用單一絮凝劑的許多 不足,適應范圍廣,對有色廢水、多種工業廢水都 有良好的凈水效果,脫污泥性好,pH使用范圍 大。然而復合型絮凝劑在有機合成制備上手續復 雜,成本較高,并有可能存在二次污染。目前,復 合絮凝劑有工業化生產和使用的品種還比較少, 應用比較成功的有TS系列無機復合型高效混凝劑和CAF復合型絮凝劑。 今后的研究應用應著眼于優化絮凝劑的制備 工藝,改進產品的性能和穩定性;同時根據特定的 水質成分開發相應的絮凝劑品種和配方;并結合 高效混合反應器和智能化投藥監控技術,進一步 提高絮凝效果[2]。復合型混凝劑以其高效價廉的 優勢必將迅速發展,對于天然高分子,解決其電荷 密度小、分子量低、不穩定、溶解性不好等問題,可 發展性能更優的絮凝劑。
1.2 緩蝕劑
我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 鹽則占據著重要地位。磷酸鹽較好解決了冷卻水 系統產生碳酸鈣垢的問題,但是有機多元膦酸不 能有效地抑制磷系和磷鋅系水處理配方中產生的 磷酸鈣垢、鋅垢和其他垢類。同時,隨著世界各國 對污水磷排放的規定,也限制了它的使用。
從20世紀90年代起,無磷或低磷型循環水 處理劑在國內外得到了快速發展,代表性產品有 膦酰基羧酸、多氨基多羧基甲叉膦酸等大分子有 機膦類和聚天冬氨酸、肉桂醛類等無磷緩蝕阻垢 劑及相應的復合配方。它們的特點是對鈣的容忍 度較高,能穩定鋅、鐵離子,適合在苛刻的水質條 件下應用,基本不含磷或含磷較低。如中石化的 Qs-l6水穩劑、腐植酸鈉等。
鉬酸鹽、鎢酸鹽緩蝕性能良好且低毒,但成本 高,用量偏大。如何降低成本,增強效能將是今后 的研究方向。硅酸鹽緩蝕劑價廉、無毒,但會生成 硅垢,尋找一種阻止硅垢生成的分散劑將是關鍵。
1.3 阻垢分散劑
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。此類聚羧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生晶格歪 曲的作用,從而阻礙了金屬傳熱面上垢層的牢固 沉積。后來發現丙烯酸共聚物對二者抑制能力極 佳,因而逐漸取代了聚丙烯酸(鈉)。有機多元膦 酸鹽是陰離子型緩蝕劑,也是非化學當量螯合型 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同作用,廣泛用 于冷卻水處理中。有機膦酸酯屬于陽離子型緩蝕 劑,阻垢機理主要是晶格畸變。它是一種對金屬 鐵的緩蝕劑,但也有控制鈣垢的作用;用量比膦酸 鹽要小并能水解,因此不存在藥劑量的積累和排 污問題,水解產物可以被生物降解。
自20世紀80年代以來,人們相繼開發了磺 酸基團和磷酸基團共聚物的新產品,它們具有很 好的阻垢和分散能力,并有一定的緩蝕作用。梁 海燕等[3]合成了含膦基、羧基和磺酸基的共聚物。 它兼有機膦酸、羧酸和磺酸基團的優點,在水中既 有良好的阻碳酸鈣垢和磷酸鈣垢能力,又有好的 顆粒分散性,可認為是一種多功能的藥劑,能廣泛 用于鋼鐵、冶金、化工等行業的工業循環冷卻水以 及鍋爐用水等領域。
1.4 殺生劑
據不完全統計,國內循環冷卻水殺生劑有近 80種,分為兩類:一為氧化型殺生劑;一為非氧化 型殺生劑,包括某些表面活性劑。
氧化型殺生劑主要有氯類、溴類、臭氧類等, 其中以氯類為主。氯氣作為殺生劑在過去很長一 段時間里占主導地位,但由于其使用水體PH條 件的局限性和國家對排放水余氯的控制,用氯受 到限制。二氧化氯殺生劑在循環冷卻水處理中越 來越受到青睞,這是因為它用量少,藥效持久,不 與水中的氨和大多數胺類起作用,殺菌效果不受 pH值影響,很適宜堿性水處理系統。含溴類殺 生劑,目前我國尚處于開發階段,僅有小批量生 產,正在試用階段。
非氧化型殺生劑,過去用得比較多的是酚類, 但由于毒性較大,使用受到限制。季銨鹽類殺生 劑最常用的是潔爾滅,其特點是具有適應pH范 圍廣,分散、滲透能力強和無積累毒性等優點。二 硫氰基甲烷不易溶于水,所以在使用時,通常要與 一些特殊的分散劑和滲透劑共同使用？司鷱娛 美國Rolm-Hass公司開發進入中國市場的殺菌 劑,主要成分為異噻唑啉酮類。它是一種高效、廣 譜殺生劑。
1.5 其他輔助劑
為了更好發揮水處理劑的功效,還需要一系 列與水處理劑配套使用的藥劑,如清洗劑、消泡 劑、除氧劑、含油浮選劑、預膜劑等。這些輔助劑 大多是復配產品,與水處理劑有顯著的協同作用。 例如清洗劑,一般都為表面活性劑的復配產物,有 時也可作為緩蝕劑、螯合劑的復配產物。預膜劑 有六偏磷酸鈉與硫酸鋅配方的,也有將運行的水 處理劑加大濃度至10~30倍用作預膜劑的。
2 多功能水處理劑與綠色水處理劑
多功能水處理劑是一類具有一劑多效的水處理劑。如聚毗啶和聚喹啉的季銨鹽衍生物,具有 緩蝕、殺菌、絮凝等多種功能。聚鹵代醇噻啉季銨 鹽的絮凝能力較強,特別適用于選礦作業中有用 礦石與水的分離,同時還具有一定的殺菌和緩蝕 作用。聚季噻嗪可用作絮凝劑、緩蝕劑、殺菌劑 等。高鐵酸鉀[4]是一種集氧化、吸附、絮凝、助凝、 殺菌、除臭為一體的新型高效多功能水處理劑,它 以其獨特的水處理功能吸引著越來越多的學者從 事其制備工藝的研究及應用開發,具有十分廣闊 的開發前景。
所謂綠色水處理劑,是指其制造過程是清潔 的,在使用過程中對人體的健康和環境沒有毒性, 并可以生物降解成對環境無害的水處理劑。目前 國內外研究和應用的綠色水處理劑主要有聚天冬 氨酸類、聚環氧琥珀酸類、烷基環氧羧酸類、天然 高分子類四個方向。湯谷平、梁志群等為改善聚 天冬氨酸的阻垢性能,引入一些新的官能團,合成 了一系列聚天冬氨酸衍生物及其復配物,并對其 性能進行了比較。聚環氧琥珀酸類阻垢活性較 高,具有良好的生物降解性能,并適用于高堿度、 高硬度水系,但其單一的羧基官能團阻磷酸鈣垢、 硅酸鈣垢、硅酸鎂垢及分散鐵的能力并不理想。 國內同濟大學通過研究PESA的生產工藝,率先 在國內實現工業化生產,產品性能優越。烷基環 氧羧酸類與少量無機鹽(磷酸鹽或鋅鹽等)復配 時,對碳鋼具有緩蝕作用,用于高pH、高堿度、高 硬度、高濃縮倍數的冷卻水系統,且對環境損害很 小。天然高分子綠色水處理劑大多數性能不穩 定,藥劑用量大,阻垢和分散效果不及合成聚合物 阻垢劑,亦有報道[5]衍生后效果不錯的,但其來源 廣、價廉、可生物降解,并可通過對其進行改進以 制備經濟、環保、高效的聚合物阻垢劑。因此,它 是一類開發前景好的綠色緩蝕阻垢劑。
3 水處理劑在武鋼的應用
武鋼作為國內特大型的鋼鐵聯合企業,從采 礦到軋鋼的每一個環節都離不開水,工業循環冷 卻水、冶煉廢水只有經過水處理劑的處理才能減 少在使用過程中產生的腐蝕、結垢及菌藻滋生等 多種危害,避免對自然界水體的污染。武鋼水處 理藥劑的用量相當大,費用從2001年的1 265.79 萬元上升到2004年的3 824.31萬元,到2005年 已接近5 000萬元。目前使用的水處理劑及其應 用領域如表1。
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由表1可以看出,武鋼目前使用的水處理劑 以生產工藝成熟、價格相對低廉的品種為主,從水 質監測的結果來看,基本能滿足主體廠礦生產用 水和環保的要求。一些新生代的水處理劑在武鋼 的應用極少,一方面是因為新生代的水處理劑生 產廠家少,而且價格一般較高,大量使用會大大增 加企業水處理的成本;另一方面是由于有些水處 理劑需要特定的工藝設備系統,若不對水處理工 藝系統進行調整,就無法使藥效最大化,甚至比不 上常規品種。近幾年,武鋼技改步伐加快,主體廠 新建成的生產工藝系統對水質的要求都很高,對 水處理技術和藥劑提出了更高的要求。目前,能 動公司對照寶鋼、邯鋼等兄弟企業的先進經驗,實 行“水處理劑技術協作總承包”的管理模式,即由 廠家對水處理方案、藥劑的選擇、投用及水質達標 全盤負責,能動公司只負責水質的監督,這樣既能 保證能動公司水處理劑費用的降低,也便于廠家 根據武鋼特定水質開發和使用一些新型的性價比更高的水處理藥劑。
4 結 語
我國經濟的飛速發展,對水處理劑的需求將 越來越大。從可持續發展戰略出發,多功能和綠 色化無疑是21世紀水處理劑發展的中心戰略。
因此,有必要做到以下幾點:
(1)要正確理解綠色水處理劑的概念,不能一 味追求水處理藥劑的無磷、非氮等純粹綠色概念, 對某些含磷的水溶性共聚物或低磷、微磷的水處 理藥劑配方,也可以稱為綠色水處理劑或準綠色 水處理劑并鼓勵使用;
(2)要注重藥劑的作用機理、協同效應等基礎 理論的研究,在不斷提高、完善現有品種的生產技 術的基礎上,繼續開發國內空白又確屬需求的新 品種,尤其要加強多功能水處理藥劑的研究;
(3)要重點研究那些原料是天然品或原料來 源廣泛的藥劑,如天然高分子綠色水處理劑、鉬酸 鹽、鎢酸鹽緩蝕劑等,通過分子修飾或改進生產工 藝以克服其性能不好和成本較高等問題;
(4)水處理藥劑的快速發展,對于武鋼這樣一 些水處理藥劑用量非常大的企業,應加快水處理 系統工藝的優化,以使藥效最大化;同時,根據武 鋼特定水質改良現有品種或開發新品種,以滿足 水質的要求。
[參考文獻]
[1] 嚴瑞楦.水處理劑應用手冊(第二版)[M].北京:化學工業 出版社,2003.
[2] 施 周,童 麗.新型無機高分子混凝劑的研制與應用[J]. 湖南城建高等？茖W校學報,2002,11(1):34-36.
[3] 梁海燕,路 嬪.新型高效水處理劑的合成[J].化學工程 師,2004,(2):10-11.
[4] 姜洪泉,金世洲,王 鵬.多功能水處理劑高鐵酸鉀的制備 與應用[J].工業水處理,2001,21(2):4-6.
[5] 詹亞力,郭紹輝,呂榮湖.綠色試劑-淀粉改性水處理劑的 研究與應用[J].高分子材料科學與工程,2003,19(5):14- 18.
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