1 水垢的形成
水垢是具有反常溶解度的難溶或微溶鹽,易在器壁尤其是金屬表面處析出沉積。其形成過程為 :微細(xì)結(jié)晶在過飽和溶液中處于溶解-結(jié)晶的亞穩(wěn)定狀態(tài),結(jié)晶在器壁聚集黏附并有序長(zhǎng)大,結(jié)成水垢 。水垢是否形成主要取決于鹽類是否過飽和及其結(jié)晶的生長(zhǎng)過程,與成垢離子、水質(zhì)情況、器壁形態(tài)等密切相關(guān)。系統(tǒng)中的成垢離子越飽和、水的硬度越高,結(jié)垢傾向越嚴(yán)重 ; 粗糙的金屬表面和雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶過程也有催化作用 ,會(huì)促進(jìn)水垢析出 。
大部分水垢外觀呈白色或灰白色,質(zhì)硬且致密,以碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鈣鹽和硅酸鹽的鈣鎂鹽為主,其中最典型的是碳酸鈣垢,此外工業(yè)鍋爐中還可能產(chǎn)生鐵垢和銅垢等。
2 水垢防治方法
水垢的防治方法有阻垢和除垢 2 種,前者是抑制或消除結(jié)垢,后者是對(duì)系統(tǒng)中已經(jīng)形成的垢進(jìn)行清除。 防垢方法有化學(xué)法、物理法、生物法、化學(xué)/物理法,筆者主要對(duì)化學(xué)法及物理法進(jìn)行介紹 。
2.1 化學(xué)方法
化學(xué)防治方法主要有石灰軟化法、加堿沉淀法、碳化處理、加酸處理、離子交換軟化法和投加阻垢劑法等 ,前 4 種方法比較傳統(tǒng),效果直接但耗費(fèi)藥劑量大,產(chǎn)生的廢液需進(jìn)行處理 ,應(yīng)用成本較高 ,因此已逐漸淘汰 。 目前國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的處理方法為離子交換軟化法和投加阻垢劑法 。
2.1.1 離子交換軟化法
離子交換軟化法采用鈉型陽(yáng)離子交換樹脂對(duì)硬水進(jìn)行處理 ,水中的 Ca2+、Mg2+等與 Na+發(fā)生交換,并與樹脂結(jié)合:
該方法可除去水中的 Ca2+、Mg2+結(jié)垢離子,達(dá)到阻垢目的。 離子交換法可以起到深度軟化水的效果 ,但是設(shè)備在使用過程中需重復(fù)再生。
2.1.2 投加阻垢劑法
目前水處理系統(tǒng)中采用的阻垢劑主要為阻垢緩蝕劑和阻垢分散劑 。 阻垢緩蝕劑有無機(jī)聚合磷酸鹽、 有機(jī)磷酸鹽,循環(huán)水系統(tǒng)多 采用有機(jī)多元磷酸 。阻垢分散劑主要是中、低分子質(zhì)量的水溶性聚合物 ,包括均聚物和共聚物 2 大類 ,均聚物有聚丙烯酸、 聚環(huán)氧琥珀酸、 聚天冬氨酸及其鈉鹽等 ; 共聚物的品種較多 ,以丙烯酸系和馬來酸系的二元或三元共聚物為主,還有磺酸類共聚物和含磷共聚物等。
由于水處理藥劑多為磷系 ,存在富營(yíng)養(yǎng)化問題,易產(chǎn)生“赤潮 ”公害 。 隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),一些低磷、無磷的綠色阻垢劑 成為國(guó)內(nèi)外水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 。 20 世紀(jì) 90 年代開始即有綠色阻垢劑的開發(fā)研究 〔2〕,目前已有報(bào)道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及 緩蝕性能 ,且具有可生物降解性,應(yīng)用前景廣闊 〔3〕。
2.2 物理方法
物理方法主要是利 用電、磁、光、聲等技術(shù)阻垢或除垢 ,典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金屬材料換熱面、膜法水處理、靜電水處理、 電子水處理、 磁化處理和超聲波處理等 。其中物理清洗只能清除已 生成的老垢 ,但其操作簡(jiǎn)單 ,適用于對(duì)控垢要求不高的場(chǎng)合 ; 采用防腐阻垢涂料及非金屬換熱面可改變?cè)O(shè)備材料的表面性能 ,使成垢離子難以在接觸設(shè)備上沉積 ,達(dá)到阻垢目的 ,但由于施工復(fù)雜 ,應(yīng)用場(chǎng)合受到限制 。 目前采用的典型物理方法有膜分離法、磁化處理法、靜電水處理法、 電子水處理法、 超聲波水處理法等。
2.2.1 膜分離法
該方法以膜作為分離介質(zhì) ,通過膜兩側(cè)的推動(dòng)力 ( 壓力差、 濃度差、 電位差等) 使水與微粒分離。 膜法水處理主要有納濾和反滲透。 反滲透法一般應(yīng)用在鍋爐上,對(duì)硬度離子的去除率達(dá)到 90%以上 〔4〕。 納濾膜( 孔徑 1.0~3.0 nm) 可使水中大部分單價(jià)離子透過,而二價(jià)離子和高價(jià)離子如 Ca2+、Mg2+、SO42- 、Fe3+ 等基本不透過,其硬度去除率能達(dá)到 90%以上 〔5〕。
使用膜法除垢的最大問題之一是膜污染。 在膜工作過程中 ,水中的微粒、 膠體粒子或溶質(zhì)大分子在膜面或膜孔內(nèi)發(fā)生吸附、沉積 ,導(dǎo)致膜孔變小或堵塞,使膜產(chǎn)生透過流量和分離特性的不可逆變化,需進(jìn)行重新清洗,處理成本增加 。
2.2.2 磁化處理法
磁化處理是利用磁場(chǎng)作用改變水質(zhì) ,影響成垢離子的溶解、結(jié)晶、聚合等過程 ,生成疏松的軟垢 ,防 止硬垢產(chǎn)生,并使已成硬垢的方解石轉(zhuǎn)變成文石〔6〕,隨污排走。
磁化處理根據(jù)磁源位置的不同可分為內(nèi)磁式和外磁式 。 其中外磁式在檢修時(shí) 不必停水及拆卸管道,也不易引起磁短路現(xiàn)象,具有更大的優(yōu)越性。 按磁場(chǎng)形成方式又可分為永磁式和 電磁式 〔7〕。 永磁式磁水器的優(yōu)點(diǎn)是不耗電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便 ,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛 ,但其磁場(chǎng)強(qiáng)度有賴于新型磁性材料和充磁技術(shù)的開發(fā),且磁場(chǎng)強(qiáng)度一般不能調(diào)節(jié),此外還存在隨時(shí)間延長(zhǎng) 或水溫提高而退磁的現(xiàn)象 。電磁式磁水器耗電量大,但磁場(chǎng)強(qiáng)度容易調(diào)節(jié),處理能力強(qiáng)、 效率高,不受時(shí)間及溫度的影響 ,穩(wěn)定性好,適宜在對(duì)水質(zhì)要求較高的場(chǎng)合中使用 。
盡管磁化防垢技術(shù)已有很大進(jìn)展 ,而且在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中 得到廣泛應(yīng)用 ,但水系統(tǒng)的復(fù)雜性及多變性使得深入研究 磁化水處理比較困難,目前磁化控垢機(jī)理尚未形成統(tǒng)一定論。 大多數(shù)研究都是從各自的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果出發(fā) ,導(dǎo)致磁化阻垢除垢的應(yīng)用設(shè)計(jì)缺乏有力依據(jù) ,工作穩(wěn)定性無法保證,影響其應(yīng)用成功性。
2.2.3 靜電水處理
靜電水處理器由高壓直流電源和水靜電化裝置組成 。 采用靜電水處理時(shí)將 水通過高壓靜電場(chǎng)( 3 400~6 000 V),可改變水的分子結(jié)構(gòu)或 電 子 結(jié)構(gòu) ,使成垢離子不在器壁聚集,達(dá)到阻垢、溶垢的目的 。 高壓靜電場(chǎng)可使水生物的細(xì)胞壁發(fā)生破裂 ,因此其還具有較強(qiáng)的抑菌滅藻功能 〔8〕。 靜電水處理存在一個(gè)作用時(shí)間 ,超過作用時(shí)間以后成垢離子仍會(huì)發(fā)生沉積 ,且需定期清理靜 電水處理器過濾系統(tǒng)的垢渣 。
2.2.4 電子水處理
電子水處理與靜電水處理有很多共同點(diǎn) ,其設(shè)備核心是電子水處理器 。 陽(yáng)極為不溶性金屬電極 ,一般為鈦修飾電極 ,陰極一般采用鍍鋅無縫鋼管 ,電源為低壓直流或具有某種 特定波形的低壓脈沖電源 。 待處理水從處理器下部進(jìn)水口 處進(jìn)入 ,與金屬陽(yáng)極接觸一段時(shí)間后 ,從上部出水口處流出 。 在接觸過程中 ,低壓電場(chǎng)可使粒子的水合程度和聚集狀況發(fā)生變化 ,改變水分子的自身 狀態(tài)和締合程度 〔9〕,一方面增加了水的溶解能力、減少水垢形成,另一方面促進(jìn)已形成的水垢逐漸松散、 剝落,達(dá)到除垢的效果 。 徐浩等 〔10〕的研究顯示 ,電子水處理的阻垢率 > 90%。 也有研究表明電子水處理還具有殺菌滅藻、 緩蝕防腐的功效 〔11〕。 但電子水處理技術(shù)研究起步晚 ,技術(shù)發(fā)展還不夠成熟,裝置性能不穩(wěn)定 ,電極需定期或不定期清理。
2.2.5 超聲波水處理
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ,會(huì)使媒質(zhì)中的粒子間發(fā)生相互作用 ; 當(dāng)超聲波的機(jī)械能振動(dòng)使粒子加速度達(dá)到一定值時(shí) ,就會(huì)產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)效應(yīng)( 高速微渦效應(yīng)、剪切應(yīng)力效應(yīng)、超聲凝聚效應(yīng) ) 〔12〕,從而起到防垢及除垢雙重作用 。 劉天慶等 〔13〕采用超聲 -臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的生物垢 ,研究發(fā)現(xiàn)頻率為 20 kHz、 振幅為 20%的超聲波可有效抑制生物垢的形成,還可移除 90%以上的已形成生物垢。 超聲波阻垢除垢技術(shù)作為一種環(huán)保、 先進(jìn)的水處理技術(shù)已應(yīng)用到電力行業(yè)、 油田系統(tǒng)中 ,但其理論研究方面比較薄弱 ,尤其國(guó)內(nèi)研究得不夠充分。
3 結(jié)語(yǔ)
目前已發(fā)展的水垢防治方法各有所長(zhǎng),在實(shí)際應(yīng)用中常需結(jié)合使用 2 種或 2 種以上的控垢方法 。目前應(yīng)用較多的是化學(xué)類防垢除垢方法,其操作簡(jiǎn)單,除垢效果穩(wěn)定 ,效率高,但藥劑及人工費(fèi)用較高,且當(dāng)處理不當(dāng)或藥劑使用不當(dāng)時(shí)都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和管道腐蝕,此外化學(xué)除垢藥劑對(duì)操作人員的健康也有一定損害 ,除垢處理后的廢液易對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅,其發(fā)展受到一定限制 。 因此進(jìn)一步開發(fā)生物降解性能好、 除垢效率高且經(jīng)濟(jì)易行的新型阻垢劑 ,將是今后水垢防治的重要研究方向之一 。
物理防垢方法自動(dòng)化程度高且操作簡(jiǎn)單 ,在阻垢、 殺菌和除藻等方面有一定效果 ,但處理強(qiáng)度較高的硬垢和腐蝕產(chǎn)物時(shí)效果一般不理想 。 物理防垢方法的作用機(jī)理尚不清楚,工作穩(wěn)定性也有待提高,但其對(duì)環(huán)境危害小 ,適于大規(guī)模推廣應(yīng)用 ,是水垢防治的一個(gè)重要研究方向 ,具有廣闊的發(fā)展前景。
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