工业循环冷却水系统中阻垢分散剂的研究现状

张晓晶 张冰如

摘要：指出了工业循环冷却水中结垢问题对冷却水系统的影响很大，阻垢分散剂的研究与运用已经成为必不可少的部分。总结了工业循环冷却水系统常用阻垢剂的研究现状，提出了阻垢分散剂的发展方向。

关键词：工业循环冷却水系统;阻垢分散剂;聚合物

中图分类号：TQ085+.412

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0115-02

1 引言

循环冷却水是石油化工、电力、钢铁、冶金等行业的用水大项，我国当前工业用水量约占城市总用水量的60%以上，而整个工业用水量中的70%～80%是来自工业循环冷却水用量口]。但循环冷却水在使用时会产生以下问题：界面结垢、金属腐蚀、污染和微生物繁殖。当循环冷却水系统产生以上问题时，设备的正常、安全运行就存在极大的隐患，热交换效率降低，造成了能源的浪费，威胁正常生产，为了解决这一问题便需要对循环水进行适当的处理。

阻垢分散剂是一类重要的水处理化学产品，广泛应用于循环冷却水，锅炉用水，反渗透膜用水，油井注水等工业用水中，能去除和阻止水垢的形成，提高热交换效率，减少电能或减少燃料的消耗;此外，还可减少排污，提高水的利用率，符合节能减排的要求[2]。

阻垢分散剂能分散水中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面的沉淀、结垢功能，并维持金属设备有良好的传热效果。阻垢分散剂聚合物的分子量相对较低，主要包括均聚物和共聚物两类。其中，均聚物有聚丙烯酸、聚马来酸、聚环氧琥珀酸及聚天冬氨酸等;共聚物的品种繁杂，以丙烯酸系和马来酸系的两元或三元共聚物为主，另外还有磺酸类共聚物和含磷类共聚物等。目前，阻垢分散剂正趋于结构复杂化，高效、多功能、复合化和低毒化，生物可降解等方向发展。

2 无机磷酸盐类阻垢分散剂

常用的无机磷酸盐阻垢分散剂有三聚磷酸钠、六偏磷酸钠。其阻垢机理主要是分子中的磷酸基官能团吸附在晶体表面的活性位点，阻止了晶体正常生长，使其保持微晶状态，从而晶体体积减小，不易沉积在设备表面。但由于无机磷酸盐极易水解，水解后形成的正磷酸盐与水中的钙离子会形成新的磷酸鈣垢。同时无机磷酸盐阻垢分散剂使用时需补加额外酸，其中的磷排入水中会促进藻类的繁殖，造成水体富营养化。因此，在循环冷却水系统中这类阻垢分散剂已经被淘汰，被复合磷酸盐配方、有机磷酸盐和其他低磷或者无磷阻垢分散剂所取代。

3 有机膦酸盐类阻垢分散剂

有机膦酸盐类是一类分子中的膦酸基团直接与碳原子相连的阻垢分散剂[3，4]，种类很多，根据分子结构的类型可分为同碳二膦酸型、羧酸膦酸型和亚甲基磷酸型[5]。分子中的C- P-O键比C- O-P键化学性质更稳定，与无机磷酸盐类阻垢分散剂相比，具有良好的稳定性、不易水解、耐高温，含磷量低，阻垢效果好，同时有明显的溶限效应，能够与其他类型阻垢剂复配，能有效提高阻垢效果[6-8]。对许多金属离子有良好的螯合作用，甚至对氧化铁的水合物、成垢盐份等也有很好的控制作用[9～11]。

3.1 同碳二膦酸型

同碳二膦酸型阻垢分散剂分子中只有C-P键，而没有N-C-P键，比亚甲基磷酸型有较好的抗氧化性，能与Ca2+、Mg2+等金属离子形成六元环螯合物。1-羟基亚乙基-1，1-二膦酸（HEDP）是最常见的同碳二膦酸型阻垢分散剂，HEDP能与金属离子形成螯合物，对碳酸钙、水和氧化铁、磷酸钙等水垢有较好的抑制效果，是一种成本低廉，性能优良的阻垢分散剂。赵晓洋[12]探究了HEDP对铁垢的溶解能力，并从螯合物的分子结构等解释了溶解铁垢的原因。

3.2 羧酸膦酸型

羧酸膦酸型阻垢分散剂不仅对Ca2+、Mg2+等金属离子有较强的螯合作用，同时兼具耐氯、耐高温的特点，是一种性能优良的阻垢分散剂。常见的羧酸膦酸型阻垢分散剂有2-膦酸基丁烷-1，2，4-三羧酸（ PBTCA）、1，2，2-三膦酸基丁烷-4-羧酸（TPBCA）、3，3一二膦酸基戊烷-1，5一二羧酸（DPPDCA）等，适用于高硬度、极端pH值等特殊条件。其中，应用最广泛的是PBTCA，由于分子中有三个羧基和一个膦酰基，对金属离子有较强的螯合作用，且不易形成磷酸钙垢。支微等[13]研究了三种羧酸膦酸型阻垢分散剂的分子结构与阻垢性能之间的构效关系，证明了羧基中的氧原子和膦酸基中的氧原子对阻垢性能作用较大。

3.3 亚甲基膦酸型

亚甲基膦酸型阻垢分散剂有良好的螯合作用，能与水中的Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+等金属离子形成鳌合物，使晶体分散在水中，抑制晶体的正常生长。常见的亚甲基膦酸型阻垢分散剂有氨基三亚甲基膦酸（ATMP）、二乙烯三胺血亚甲基膦酸（DETPMP）、己二胺四亚甲基膦酸（HDTMP）、甲胺二亚甲基膦酸（MADMP）等，分子中含膦酸基团个数越多，阻垢效果越好。

4 聚合物阻垢分散剂

聚合物阻垢分散剂是一类相对分子质量很大的高分子化合物，包括均聚物、二元共聚物和三元共聚物。其中二元共聚物和三元共聚物分别同时含有2、3个功能性官能团，兼具阻垢、分散、凝聚、增溶等多种功能，能满足较为复杂的水质条件，适用于更多生产要求。

4.1 均聚物阻垢分散剂

常见的均聚物阻垢分散剂包括聚丙烯酸（PAA）、聚马来酸（PMA）、聚环氧琥珀酸（PESA）、聚天冬氨酸（PASP）等。

PAA中含有亲水性的羧酸基团，相对分子量在2000～5000范围内，能与水中的Ca2+、Mgz+等金属离子形成鳌合物，对碳酸钙垢有较好的抑制效果。PMA是以马来酸为单体的均聚物阻垢分散剂，分子结构中的羧基、甲基增加了空间位阻效应，使其具有良好的耐高温和阻CaC03垢和CaS04垢性能。PESA是一种无磷无氮、生物可降解的阻垢分散剂，对Ca2+、Mg2+等有较强的螯合作用，可用于锅炉水处理、冷却水处理、污水处理、海水淡化等。PASP是一种聚氨基酸类高分子聚合物，可阻止循环冷却水、锅炉水和渗透膜中CaCO。垢结晶。由于PESA和PASP均可被微生物降解为无害的物质，因此被认为是一种绿色的环境友好型阻垢分散剂。

4.2 二元共聚物阻垢分散剂

二元共聚物阻垢分散剂主要以丙烯酸（ AA）、马来酸（MA）为单体，对Ca2+、Mg2+等离子有较强的螯合作用，同时兼具分散和凝聚作用，阻垢效果更佳。常见的二元共聚物阻垢分散剂包括马来酸一丙烯酸共聚物（ AA/MA）、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（ AA/AMPS）等。刘奥灏等[14]研究了AA/AMPS的螯合与阈值效应阻垢机理，结果表明AA/AMPS存在晶格畸变效应及吸附与分散效应。楼琼慧等[15]研究了AA/AMPS在低温条件下的阻垢性能及碱度对阻垢性能的影响，结果表明低温条件下阻垢性能良好，随着碱度的增加，阻垢性能降低。

4.3 三元共聚物阻垢分散剂

三元共聚物阻垢分散剂主要以丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）和丙烯酸羟丙酯（HPA）为单体共聚而成的AA/AMPS/HPA聚合物。袁新兵[16]研究了单体配比、引发剂用量和反应温度及分子量调节剂用量对AA/AMPS/HPA共聚物阻垢分散剂性能的影响，结果表明AA/AMPS/HPA对碳酸钙垢、磷酸钙垢有较好的抑制性能、对氧化铁有较好的分散性能。李婷婷等[17]研究了AA/AMPS/HPA对碳酸钙的阻垢性能，实验研究表明，AA/AMPS/HPA有优良的阻垢性能，在一定范围内，随着碱度增加阻垢性能随之增加。

5 结语

循环冷却水系统阻垢分散剂经历了从无机到有机，从含磷到无磷，从均聚物到共聚物，从含污染到绿色环保型转变的发展过程。未来阻垢分散剂的发展方向是制备绿色无污染、适应特殊环境的高效阻垢分散剂。

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