銹垢凈水處理劑的緩釋機理與應用前景
摘要：探討了CRG系列水處理劑的緩釋機理和特性以及影響釋放速率的主要因素，分析了其緩蝕、阻垢和抑制菌藻的原理以及便于維護管理的獨特性能，介紹了其在循環冷卻水、鍋爐給水和生活飲用水處理等方面的應用前景。
關鍵詞：水處理劑；CRG；控制釋放
水處理工藝中常投加一定濃度的化學藥劑以達到緩蝕、阻垢、殺菌、滅藻等目的，但管理上存在著水質監測工作量大、投藥次數多、藥劑量難以把握等問題，影響了處理效果。采用控制釋放技術的CRG(Controlled-Release Glass)水處理劑，可以有效地解決這類問題，具有良好的應用前景。
1 控制釋放技術與CRG
70年代人們發現，調整配方可以制備化學穩定性不同、溶解速率不同的CRG水處理劑，可在幾小時到幾年的時間內溶解完畢而不留殘渣，并將摻在其中的活性物質以精確設計的速率釋放出來。
控制釋放技術是在預期的時間內，采取某些措施來控制某種活性物質在體系中的釋放速率，以維持體系中該物質濃度在有效范圍內的方法。與傳統投加方法相比，它具有藥物的釋放速率可預測、可精確設計，藥物的有效時間長、效果好、減少了藥物的消耗量等優點。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物因濃度過高而引起的毒副作用。采用控制釋放技術，則不必頻繁投藥和監測，減少了維護和管理的工作量。
1.1 CRG的緩釋機理
CRG具有“可溶蝕整體”(erodible monolithic)型控制釋放體系的特征，在這一簡單、理想的系統中，活性物質與CRG組分以固溶體的形式“捆綁”成為一個均相整體，當其在環境介質中發生溶蝕時，活性物質得到“松綁”釋放。通常活性物質在固溶體內部的擴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
構成CRG中陰離子網絡骨架的非金屬氧化物的組成，對其化學穩定性有很大的影響。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，從而使CRG的化學穩定性和機械強度都大大加強、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。
溶解介質的性質對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溶解產物一起，對CRG本身的表面溶蝕產生有促進作用的正反饋，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，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行，顆粒表面積的減少可以得到補償。
2 CRG水處理劑
2.1 緩蝕、阻垢、殺菌機理
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膜，阻擋溶解氧的擴散，抑制腐蝕的發生。極小濃度的聚磷酸根能與水中的Ca2+、Mg2+形成穩定的絡合物，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菌機體中酶蛋白的巰基上，使其喪失活性，導致細菌死亡。在Ag+、Cu2+、Zn2+中，Ag+的殺菌活性最強，Cu2+殺滅藻類的性能最優。
2.2 藥劑安全性
一方面，水處理劑的濃度太低，則達不到預期的緩蝕、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期的范圍內，不會因濃度過高而造成安全性問題。
2.3 優點
① CRG水處理劑為固體狀態，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。
② CRG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完成，實現較長的投藥周期。
③ 固體狀態的CRG性質穩定，貯存期間不會分解變質，其降解過程發生在溶解之后。
④ CRG水處理劑可由100%的活性成分組成，對人體和環境無害。溶解完畢后不會殘留不溶物，不影響水質的感官指標。
3 CRG的應用
3.1 循環冷卻水處理
工業循環冷卻水系統中存在腐蝕、結垢和菌藻等問題，影響設備的使用壽命和系統的能耗。大型工業循環冷卻水系統的水質穩定處理，通常采用連續投加水處理劑和嚴格控制濃縮倍數的方法進行，除藥劑消耗外，更大的成本來自于日常監測和維護管理等工作。對于眾多的中、小型如中央空調系統冷卻水，由于缺少專業的水質處理，通常存在設備腐蝕、結垢嚴重和菌藻大量繁殖，維修、清洗和能耗各項費用大等問題，迫切需要既能達到化學處理效果，又便于操作和維護的“傻瓜”型緩蝕、阻垢水質穩定劑，因此采用控制釋放技術的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，可以達到自動加藥和便于管理的目的。
浙江大學與浙江德安新技術發展有限公司聯合研制的系列CRG水處理劑已批量生產。其中，商品名為“銹垢凈”的產品具有緩蝕、阻垢和殺菌滅藻三種功能，適合中央空調冷卻水系統的水質處理，具有廣闊的應用前景。
3.2 鍋爐給水處理
結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。應用試驗結果表明，該產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
許多生活供水系統尤其是熱水管網，常存在嚴重的腐蝕問題，導致“紅水”現象的產生。一些地方水質硬度大，導致管路結垢甚至堵塞，需要進行緩蝕阻垢處理。德國Giulini公司生產的商品名為Siliphos的直徑約為20mm的緩溶玻璃狀小球，已在國內市場銷售。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的緩蝕阻垢。
英國Aqua-Dial公司生產一種家用的商品名為Combi-care Compact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，安裝在自來水管道上，利用微弱的節流作用使極少量水經旁路流進藥罐，將CRG溶解帶出，與主管道中的自來水流混合稀釋，達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，其效果和機理值得進一步研究。
3.4 CRG殺菌劑
以次氯酸鹽為主要成分壓制而成的氯錠已經商品化，可用于水系統的殺菌滅藻［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冷卻水的處理，達到良好的殺菌滅藻效果。調整配方可使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節。在一定溫度和介質等外部條件下，藥劑的釋放量只與CRG顆粒的表面積有關。
水處理劑的日常監測和維護管理比藥劑本身的性能和質量更重要。采用控制釋放技術的CRG水處理劑，既可改善水質處理的效果，又將分析監測、操作和管理等的工作量減到最低程度，在水處理領域有著廣泛的用途，具有良好的應用前景。
參考文獻：
［1］楊國華，徐國強，汪祖模.水處理片劑的研制［J］.化學世界，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用［J］.工業水處理，1998，18(5)：11-12.
［3］金熙，項成林，齊冬子.工業水處理技術問答及常用數據(第二版)［M］.北京：化學工業出版社，1997.
［4］張文鉦，張羽天.載銀飲水殺菌技術的研究與開發［J］.化工新型材料，1999，27(12)：33-34.
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