阻垢剂作用机理介绍及应用前景

2020-12-02陈证旭

化学工程师 2020年11期

郝玉，陈证旭

（1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆163318）

全球淡水资源稀少，特别是在我国，因此，循环水就显得尤为重要。在工业生产的发展进程中，阻垢剂的出现和使用令水资源的利用效率实现了巨大的跨越，污水的排放量得到了很大程度的减少，对环境的保护具有重要意义[1-5]。中国工业的飞速前进和发展，与此同时中国政府出台了多项政策以加大环境整治、维护自然的力度，因此，阻垢剂发展前景是非常广阔的。

阻垢剂作为一种阻止垢生成的化学添加剂，在生产过程中可以直接添加在循环流体中进行阻垢，操作简便，投资成本低廉以及运行费用较低[6-11]。在油田开发方面，具有用量少，无需关井，可随流体进入地层，经济高效等优点，目前，我国工业循环冷却水阻垢处理普遍使用投加阻垢剂的方法，使得阻垢剂成为近年来的热点研究课题之一。

1 阻垢剂机理及作用

无机垢的形成过程可分为下面3个步骤：

（1）形成过饱和溶液

（2）生成晶核；

（3）晶核成长，形成晶体。

这3个步骤只要任意一个被破坏，结垢的进程就会减慢或抑制。阻垢剂的功能就是破坏这些过程，阻断晶体的形成和发育，从而防止结垢的发生。

阻垢的作用原理可以简洁的从结晶热力学和动力学的方向来详述。由垢的形成能够知道，不溶性沉淀物和结晶体，它的生长是依据顺序严格排列的，正电荷的部分遇到负电荷的部分发生碰撞，然后结合并发生化学反应，且按照特定的方向生长[12-18]。依据晶格畸变理论，污水中投入阻垢剂后，垢中晶体的活性增长点会把分子吸引过来，将晶体生长的态势遏制住，晶格经过扰乱歪曲就不能进行正常发育，这样就达到了阻垢的目的；从络合增溶理论的方向来看，向污水中投放的阻垢剂假如带有负电荷，就会与高价金属离子发生化学反应生成稳定的易溶于水的物质，增大了溶解度，进而提高了晶体析出时的饱和度，以此来阻垢，所以只需要控制较低的浓度就会显示出效果。

2 阻垢剂研究进展

阻垢剂经历了由无机到有机、均聚到二元及多元共聚物、天然阻垢剂、共聚物阻垢剂到绿色无害型阻垢剂的发展历程，如表1所示。

伴随着地球资源的无休止被挖掘利用，环境恶化给社会发展带来的弊端日益显露出来，解决高效，洁净的资源开发与利用技术成为21世纪能源和化工发展的重大战略性问题。本着爱护环境，坚持可持续发展的战略原则，研制更加环保、高效、成本小收益大的产品和药剂是大势所趋。

3 阻垢剂分类及研究现状

阻垢剂经历了数十年的研究发展已逐渐成熟，种类愈加繁多，依据其发展历程、官能团及作用，可分为以下几类[19,20]。

3.1 天然聚合物阻垢剂

天然高分子化合物来源广泛，提炼简便，是应用在冷却水系统最早的一种阻垢剂。分子结构中的酚经基起主要作用，金属离子和盐垢晶体生成发育过程会被这些酚经基阻断。但天然聚合物稳定性差、环境条件变化会引起分解、投放过程中需要的量多、杂质成分占比较大，同时在性能上也已经比不上合成聚合物阻垢剂这些后来研发出来的阻垢剂，综上所述的种种弊端导致其逐步被主流市场所淘汰。

3.2 含磷类聚合物阻垢剂

（1）氨基三甲叉磷酸（ATMP）的螯合能力很强，低限抑制和晶格畸变作用也很突出。在水中扩散速度非常快，能有效防止水垢生成，性质稳定，有可观的缓蚀效果。

（2）乙二胺四甲叉嶙酸（EDTMP）具备强大的螯合金属离子的能力，针对铜离子的络合能力最强，是高纯试剂而且无毒，能够用于大多数的处理污垢场合。

3.3 聚羧酸类阻垢分散剂

（1）丙烯酸类共聚物以丙烯酸或甲基丙烯酸为主要单体，在引发剂作用下与一种或几种有机单体共聚而成。其中-COOH是这类共聚物主要的官能基团，由于－COOH对金属离子具有较强的鳌合，从而达到阻垢作用。丙烯酸类共聚物的生产成本低，用量少，对环境无污染。

表1 阻垢剂发展历程Tab.1 Development history of scale inhibitor

（2）马来酸配类共聚物阻垢剂是以马来酸或水解马来酸配为单体，与另外一种或几种单体共聚而成的共聚物阻垢剂。共聚物结构中的梭基含量比聚丙烯酸类阻垢剂多，因此，比丙烯酸类共聚物阻垢剂阻垢效果更好。

（3）磺酸类聚合物阻垢剂是由磺酸单体与其他单体聚合而成的，由于梭酸类聚和物在高钙离子浓度和高值下会产生难溶于水的钙凝胶，而含磺酸基团的聚合物阻垢剂，分子中既有弱极性梭酸基团又有强极性磺酸基团，可有效地防止钙凝胶。

3.4 RO阻垢剂

反渗透阻垢剂是一种高功效的阻垢分散剂，成分包括有机分散物、有机络合物等。应用于纯水系统RO工艺段处理，能够有效地防止结垢。pH值为1.0～2.5，对环境友好且处理性能相对稳定。

3.5 专用阻垢剂

苯骈三氮唑钠可吸附在金属表面形成薄膜，保护多种性质活跃的金属免遭空气中的有害物质和水分子的侵蚀，对循环冷却水系统缓蚀性能极好。因此，在循环水中投入极少量就能达到保护的目的。

（1）巯基苯骈噻唑钠（MBT）MBT应用于循环冷却水系统中会发生螯合作用而生成致密的保护膜，可使铜材设备免遭侵蚀且不易分解脱落，此外还可作为增塑剂、酸性镀铜光度剂使用。

（2）甲基苯骈三氮唑（TTA）TTA可作为有色金属铜和铜合金的缓蚀剂，吸附在金属外表生成薄膜，保护铜不受大气及水中有害物质侵蚀，成膜更均匀。

3.6 浓缩阻垢剂

浓缩阻垢剂就是通过针对企业实际运营状况分析而得出的复合配方，具有更高效，更方便，更少量，更节约经济，节省储存空间，更安全的优点。

4 阻垢剂的应用

4.1 油田注水阻垢应用

油田开采需要使用大量的水资源进行注水，而由于国家对环境保护出台的政策越来越严格，污水排放受到严格限制。大部分油田都采用污水回注来提高水利用率，从而来减少投入成本提高产能[21-23]。化学防垢法是通过添加化学药剂与水中离子反应，使成垢离子活性降低而不在金属表面成垢析出。作用领域广，阻垢性能优良以及施工简便、造价低等优点，该方法能大幅度减缓油田垢的生成速度。基于此原因，油田生产中才会大多采用阻垢剂来控制结垢过程的发展。常用的化学防垢作业有注入法、挤注压裂法、固体防垢块法等。

（1）注入法在结垢部位的上游，将阻垢剂溶液泵入相应的管线中。保持足够的阻垢剂浓度，使得各个部位可能的结垢都受到抑制。

（2）挤注压裂法通过压裂或挤注作业，使阻垢剂接近近井地带，地层流体经过促使阻垢剂释放并溶于其中，由于水中含有了阻垢剂，可预防近井垢、井筒垢和设备垢。

（3）固体防垢块法将阻垢剂制作成具有若干大孔道的柱状体，置于特制容器，进行井下施工时下入井中，安放在抽油泵的下部。也可以放在井口或其他结垢部位的上游，当产液流经防垢块时，阻垢剂溶于水中可起到防垢作用。

4.2 工业水的应用

4.2.1 含磷类阻垢剂的应用聚磷酸盐属于无机磷酸盐类阻垢剂，特点是无毒、用量小、成本低，但稳定性不足，容易水解成磷酸根，给金属材料带来不同程度的侵蚀，还存在加深水体营养化程度的风险和弊端，常应用在冷却水的污垢处理方面[24,25]。

4.2.2 天然分散剂的应用单宁酸是天然分散剂，多种植物中都含有此成分。此外，磺化木质素、改性淀粉、羧甲基纤维素这类自然环保的成分也一一被发现，都有阻垢的功能，如果应用这类天然分散剂，不但有利于保护资源，还会促使工业水污垢处理技术打破现有状况，取得大幅度的进步，所以这个方面的科研非常值得加大投入力度。

4.2.3 聚合物类阻垢剂的应用磺酸基聚合物阻垢剂对含金属氧化物的污水有良好效果，将磷酸基插入到聚丙烯酸的结构中，阻垢剂就会具备分散污垢的性能，且能够使污垢晶格畸变，进而控制污染水中难溶性沉淀物的形成。聚合物阻垢剂在油田污水处理中占重要一环，而我国大多使用有机膦酸和聚磷酸盐系。目前来说，我国绝大多数水样MA-SAS的阻垢效果最好，可达到95%以上。

5 阻垢剂发展前景

油田注水开发的过程中，结垢的问题也随之产生，采出程度逐渐加大，注水量越来越大，所以不得不采用污水回注来节约用水，但是钙、镁等易成垢的金属离子在油田采出污水回注施工中极易在管道内壁结垢析出，溶度积小、稳定性强、硬度大，速度快，造成流体面积减小、摩擦阻力增大、金属外表裸露等严重问题，产生点蚀穿孔使得管道遭受腐蚀损坏，带来严重的经济损失。我国很多油田都有类似情况：塔里木油田、长庆油田都出现过结垢将管道堵死的事故导致施工进度被耽搁。由于结垢给油田开发生产带来了很多棘手的问题，油田防垢除垢就成为开发分析预测时必须要考虑的问题。因此，阻垢剂未来在油田开发中会发挥越来越重要的作用，会成为研究的主流方向。