水处理阻垢剂的发展历史和研究现状

张蓬勃 王保刚

摘要：文章主要讲述水处理阻垢剂的研发背景和意义，阻垢剂的作用和分类，阻垢剂从单剂到聚合物再到复合剂的发展历史过程，以及目前国内外阻垢剂的研究现状。

关键词：阻垢剂;膦酸盐;聚合物

水是一切生命的源泉。水资源短缺和水质污染日益严重，已成为世界性的社会危机。对于任何个人、企业、国家来讲，做好合理用水、节约用水，是现今时代的一项重要工作，同时节水对保障国民经济可持续发展具有重大的战略意义[1]。

节约用水的最大潜力是节约工业冷却用水，采用循环冷却水是节约水资源的一条重要途径，应该尽力提高浓缩倍数，降低排污量，以提高水资源利用率。提高浓缩倍数运行是目前公认的有效节水方法[2]。但随着浓缩倍数的提高，循环水系统结垢和腐蚀因子也随着成倍上升，特别是北方一些地区因地下水质硬度碱度大，通过高浓缩倍数运行来达到节水的目的难度高。因此，开发研制水处理阻垢剂是非常必要和急需的。

随着煤化工的发展，煤气化工艺的兴起，例如德士古煤气化工艺，鲁奇煤气化工艺，壳牌煤气化工艺等都离不开激冷水系统，回收的激冷水温度高，含灰量大，工艺上称为黑水，不能直接二次利用，需经过降温，除灰工艺处理后，成为含有极少量细灰的灰水再循环利用。二次回收利用的灰水硬度大，碱度高极易在管道内结垢，清理困难，结垢严重时需更换设备管道，花费大量时间，人力，物力，严重制约生产工艺的运行，进而加速了高效水处理阻垢剂的研发。

1.阻垢剂

垢的生成一般包括原始晶种的形成、晶核的生成和晶体生长三个过程，只要能控制其中一个过程，就可达到阻垢的目的。而阻垢剂就是控制产生水垢和污垢的化学类试剂，是工业水处理中必不可少的元素，可以用来延长设备寿命并保证设备安全运行。

1.1阻垢剂的作用

不同阻垢剂在不同的水质条件下，有不同的机理，一般是通过吸附、分散、配位反应、分子间力等不同的物理和化学过程改变结垢物质的结晶规律，使结垢成分维持在溶解或悬浮状态，提高了结垢物质的溶解度，防止垢的生成，其作用原理包括晶格畸变效应、低能效应、络合增溶作用、凝聚和随后的分散作用以及静电斥力作用等五个方面，通过这五个方面的协同作用，达到阻垢的目的[3]。

1.2阻垢剂的分类

阻垢剂按照其来源分为天然聚合物阻垢剂、合成聚合物阻垢剂和复配型阻垢剂[4]。

⑴天然聚合物阻垢剂：早期使用的天然高分子阻垢剂有木质素、单宁、腐殖酸钠、淀粉及纤维素等，由于它们在水处理中投加量大、费用高、杂质含量高、耐温性能差，因而目前很少使用。现在用的大多为磺化木质素和壳聚糖，通过改性，大大提高了其阻垢性能。

⑵合成聚合物阻垢剂：该类阻垢剂是通过人工聚合获得的，又分为聚羧酸类聚合物阻垢剂、磺酸类聚合物阻垢剂、有机膦酸聚合物阻垢剂和新型聚合物阻垢剂等四种。聚合物的阻垢作用机理目前尚有分歧，比较一致的有以下三种：

①增溶作用：聚合物溶于水后发生电离，生成带负电的分子链，它与Ca2+形成可溶于水的络合物或螯合物，从而使无机盐溶解度增加，起到阻垢作用。

②静电斥力作用：聚合物溶于水后吸附在无机盐的微晶上，使微粒间斥力增加，聚结受阻，处于良好的分散状态，从而防止或减少垢的形成。

③晶体畸变作用：聚合物吸附在无机盐晶核或微晶上，占据了一定位置，阻碍和破坏了无机盐晶体的正常生长，减慢了晶体的增长速度，从而减少盐垢的形成[5]。

⑶复配型聚合物阻垢剂：该类阻垢剂是同时使用两种或两种以上的阻垢剂，在药剂总量不变的情况下，其效果比单独使用任何一种药剂时高得多，这就是阻垢剂之间的协同效应。利用其协同效应，可提高药剂的使用效率。

1.3阻垢剂的发展历史

20世纪60年代：使用的阻垢分散剂主要是木质素磺酸钠等，它们有一定的阻垢作用，但远远满足不了生产对阻垢性能的要求。

20世纪70年代：主要使用聚丙烯酸钠类聚合物，同时将具有优良缓蚀性能的有机 如HEDP、ATMP和EDTMP等作为阻垢分散剂使用，显示出良好的阻垢效果;20世纪70年代后期，多元羧酸共聚物阻垢分散剂开始大量出现，使阻垢分散剂上了一个新的台阶[6]。Betz实验室发明了由丙烯酸（AA）和丙烯酸-2-羟基丙酯（HPA）共聚而成的聚合物阻垢剂。该阻垢剂可以很好地抑制冷却水系统中的碳酸钙、硅酸镁等垢物沉积，并对氧化铁有很好的分散作用。

20世纪80年代：随着环境对排污的限制和循环水浓缩倍数的提高，各种高性能的共聚物阻垢分散剂不断出现，尤其是含磺酸、膦酸和其它官能团的共聚物，因其优良的性能引起普遍关注。这些含多官能团的多元共聚物的出现，使水处理技术进入了一个新的时代。80年代中期，国内丙烯酸/丙烯酸甲酯共聚物开发成功，奠定了我国水溶性聚合物水处理剂的基础。韩应琳、刁月民等以丙烯酸、磺酸、丙烯酸羟丙酯为原料，过硫酸铵为引发剂制备了一系列三元共聚物，并研究了其阻垢分散性能，结果表明，羧基含量越高的共聚物对碳酸钙垢的阻垢性能越好;羟丙酯基含量高的共聚物对磷酸钙垢的阻垢性能好;磺酸基团的存在可以提高共聚物的阻垢分散性能[7]。

20世纪90年代：具有特种结构和特种性能的阻垢分散剂开始出现。如二乙烯三胺五甲叉膦酸（PAPEMP）是一种新型的阻垢分散剂，与传统的阻垢分散剂相比对钙的容忍度大幅度提高，适合超高硬度碱度水质处理。

1.4阻垢剂的研究现状

近年来，人们对聚合物结构及阻垢机理的研究发现，聚合物的结构与阻垢性能关系极为密切。聚合物中的羧基是阻碳酸钙、硫酸钙垢的主要官能团，而羟基（-OH）、酰胺基（-CONH2）等对阻磷酸钙垢有益，特别是磺酸基（-SO3H）对磷酸钙垢有良好的抑制能力，能有效分散金属氧化物、稳定锌和有机磷酸。因此人们可以通过选择官能团、设计单体摩尔比和分子量的控制等来制备特殊工况条件下的专用聚合物，出现了能抑制碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙垢的共聚物，同時也出现了抑制锌垢、铁垢、硅垢和其他污垢的共聚物。

聚合物阻垢剂在水处理系统中的应用越来越广泛，随着含羧基、酯基、磺酸基、膦酰基、酰胺基等官能团的单体的引入，提高了聚合物的多功能性，使得聚合物能有效地抑制水垢的形成，分散腐蚀产物和悬浮颗粒，同时能很好地稳定有机磷酸盐、锌盐、磷酸盐等缓蚀剂组分 。常用的共聚物阻垢剂有以下几类：

①聚甲基丙烯酸 聚甲基丙烯酸由甲基丙烯酸单体聚合而成。聚甲基丙烯酸的阻垢和分散性能与聚丙烯酸相似，其耐温性较好，但价格昂贵，一般不如聚丙烯酸那样使用广泛。

②丙烯酸与丙烯酸酯共聚物 丙烯酸与丙烯酸酯共聚物是由两种单体共聚而成。它对磷酸钙和氢氧化锌有良好的抑制和分散作用，常与聚磷酸盐、膦酸酯和锌盐等药剂复配使用。

结束语

目前，国内外比较常见的阻垢剂大多数是多功能、复合型，兼有抗氧、分散、金属减活等多种效用。与单一药剂相比，复合水处理药剂具有：各种药剂之间存在协同效应，可同时控制多种金属材料的腐蚀，可同时控制腐蚀与结垢的发生，简化加药手续等一系列优点。

参考文献

[1]梁秀文.石化企业循环水系统的节水运行与管理[J].工业水处理，2003，23（11）：18-20.

[2]张利强，李本高.石化行业用水现状及展望[J].石油化工腐蚀与防护，2004，21（4）：27.

[3]李永刚，肖锦.水处理剂阻垢性质研究[J].工业水处理，1994，14（6）：18-20.

[4]钱军民，李旭祥，黄海燕.国内聚合物阻垢剂的研究[J].精细石油化工进展，2001，1（1）：25-29.

[5]闫岩.含磺酸盐共聚物作为阻垢分散剂的技术现状[J].工业水处理，1993，13（4）：7.