磁阻垢与聚羧酸类阻垢剂在纺织厂空调循环水系统中的应用效果

苏喆 颜苏芊 秦莉 呼庆锋

摘 要：针对纺织厂空调循环水系统结垢严重的问题，基于磁阻垢技术和投加阻垢剂，通过垢样分析发现磁化处理是通过改变晶型让形成的钙垢沉积性能下降，而阻垢剂是通过破坏晶体生长来抑制钙垢量;通过静态实验发现，这两种方法对于循环时间较短浓缩倍数较低的水样抑垢效果较好，在PC2566型、YC2655型、YL505型聚羧酸类阻垢剂中，YC2655型阻垢剂抑垢效果最佳，对于已经循环一个月的循环水，磁阻垢比投加聚羧酸类阻垢剂抑垢率更高，其抑垢率高达96%;由于电导率和pH能够反应结垢倾向，电导率和pH越小，水样结垢倾向也就越小，因此通过检测对比分析未经处理的水样以及经两种方法处理后水样的电导率、pH随时间变化的规律，发现磁化处理比投加阻垢剂处理的抑垢效果更好且更稳定。最终得出磁化处理比投加聚羧酸类阻垢剂能更好地解决纺织厂空调循环水系统结垢问题。

关键词：纺织厂;空调循环水;磁场;阻垢剂

中图分类号：TS108.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）01-0169-09

Abstract： In view of the serious scaling in the air-conditioning circulating water system of textile mills， based on magnetic scale inhibition technology and dosing scale inhibitors， through analyzing scale samples， this paper finds that magnetization treatment can reduce deposition of calcium scale that has been formed by changing the crystal form， while the scale inhibitor inhibits the amount of calcium scale by destroying the growth of crystals. Through static experiments， it is found that these two methods have a better inhibiting effect on water samples with shorter circulation time and lower concentration ratio. YC2655 scale inhibitor has the best inhibiting effect among PC2566， YC2655 and YL505 polycarboxylic acid scale inhibitors. For circulating water that has been circulated for 1 month， magnetic scale inhibitor has a higher anti-scaling rate than dosing polycarboxylic acid scale inhibitor， and its anti-scaling rate is up to 96%. Electrical conductivity and pH can reflect scaling tendency， the smaller electrical conductivity and pH， the smaller scaling tendency of water samples. Therefore， through the detection and comparison of untreated water samples and water samples treated with the above two methods， by analyzing the change rules of their conductivity and pH over time， it is found that the magnetization treatment has a better and more stable anti-scaling effect than dosing scale inhibitor. Finally， it is concluded that compared with dosing polycarboxylic acid scale inhibitor， magnetic scale inhibitor can better solve the scaling of the air-conditioning circulating water system of textile mills.

Key words： textile mill; air-conditioning circulating water; magnetic field; scale inhibitor

當前，纺织厂空气热湿处理多是通过在喷淋室用水喷淋空气实现的。随着对空气进行热湿处理水分不断蒸发从而使水中的易结垢离子浓度不断增大，此外纺织厂的特殊环境导致水中的悬浮物也会增加，导致循环水系统中的设备和管道易出现结垢问题[1]，造成管道管径缩小堵塞，影响了系统的高效使用。随着水泵的长期运行，泵体内部的结垢现象日益加重，导致泵壳和叶轮之间缝隙减小，继而使泵体散热不通畅，易烧坏水泵电机。例如，对咸阳某纺织厂运行一段时间的空调喷淋水取样，根据GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》总硬度在700～1000 mg/L属于超高硬度水。该水样进行检测后发现Mg2+硬度为177 mg/L，Ca2+硬度（以CaCO3计）为708 mg/L，总硬度为885 mg/L，属于超高硬度水极易产生水垢。

现阶段对于纺织空调循环水系统采用的阻垢方法分为磁处理和投加阻垢剂两种。磁场水处理技术作为一种物理法，具有应用方便、投资少、运行费用低、无毒无污染等特点[2]。该技术除能降低水垢的生成，还有溶垢和杀菌灭藻的功能。美国能源部于1998年开始强力推荐的工业水处理方法，其主要的技术内涵即为磁场水处理，据报道该系统完全不加药剂，每月可控制污垢量在3 mg/cm2以内。中国磁化水及磁水器的研究始于50年代末60年代初，研制了不少的电磁防垢装置，大多用于加热器、蒸发器、低压蒸汽锅炉等，但还存在一些缺点，比如除垢效果受水质及地球磁场的影响等。20世纪60年代人们用单宁、纤维素等天然有机高分子化合物作阻垢剂，但这类物质在水中常难以降解，且容易引起水体富营养化，引起藻类滋生成生物污泥。20世纪80年代有机共聚物类阻垢剂开始得到广泛应用，这类阻垢剂多是由人工聚合所得，有以烯酸、马来酸单体经均聚或共聚得到的聚羧酸类阻垢剂。符嫦娥等[3]研究了不同的聚羧酸类阻垢剂对不同结垢体系的阻垢性能，结果表明聚羧酸系阻垢剂可在较低添加量时即具有较好的阻垢效果，属于一种经济环保型阻垢剂。本文采用永磁体和阻垢剂分别对纺织空调循环水进行阻垢处理，检测分析两种阻垢方式的使用效果。

2 实 验

2.1 实验材料与主要仪器

PC2566型、YC2655型、YL505型聚羧酸类阻垢剂（南通永乐化工有限公司）、烧杯、量筒、玻璃棒、移液管、吸耳球、镀锌挂片、钕铁硼永磁体（磁场强度2500 A/m）、SD150 PH/EC/DO多参数测定仪（罗威邦公司）、扫描电子显微镜（SEM，德国蔡司公司）、X射线衍射仪（日本津岛株式会社）。

2.2 实验方法

本次实验水样分别取自咸阳某纺织厂空调喷水室连续运行一个月、两个月、三个月的循环水，对这3种循环时间不同的水样均按下列步骤进行实验。取11份均为1 L的水样，分别称量11个同种规格镀锌挂片的最初重量，将这11个挂片分别悬挂在这些烧杯中，挂片完全浸入温度为25℃水中且挂片悬挂高度一致，1组为空白实验组;5组水样采用不同磁场强度磁处理;其他5组水样投加不同浓度聚羧酸类阻垢剂。挂片在静置3 d时间取出晾晒干后称量挂片重量，通过上述公式计算得到抑垢率。利用挂片法测抑垢率过程的图片如图1、图2所示。

测定磁化处理抑垢率时设置磁场强度分别为5000、8000、11000、14000、17000 A/m，称量挂片的结垢量结合空白组挂片结垢量（测得空白实验组挂片结垢量G0=0.102 g）进行计算。

测定投加聚羧酸类阻垢剂的抑垢率时选取PC2566型、YC2655型、YL505型3种聚羧酸类阻垢剂分别设置质量浓度为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mg/L，称量挂片的结垢量以及空白组挂片结垢量（测得空白实验组挂片结垢量G0=0.102 g），进行计算。

2.3 测试与表征

抑垢率是用来评价抑制水垢生成的能力[4]，抑垢率越高表明抑垢能力越好，這种方法可以较为直

观地看出挂片上的结垢情况。在25℃水温下将镀锌挂片悬挂在水样中3 d，称量挂片实验前后的重量，如图3、图4所示为使用挂片法测抑垢率实物图。通过计算得到抑垢率，其计算方法如式（1）所示：

η/%=1-GmG0（1）

其中：G0为没有对水进行阻垢处理时在单位挂片面积上的结垢重量，g;Gm为进行阻垢处理后单位挂片面积上的结垢重量，g。

3 结果与讨论

3.1 磁阻垢与聚羧酸类阻垢剂对水垢晶相组成和微观结构的影响

水垢的主要成分是CaCO3，其晶体有3种晶相：方解石、文石、球霰石。球霰石是CaCO3的亚稳定相，溶解度[5]较高;文石结构不稳定且疏松;方解石结构密实且质地较为坚硬，CaCO3的这3种晶相

两两之间可以相互转化。纺织厂空调喷水室喷淋干管、立管和喷头处的水垢晶相组成多为方解石，所以其水垢较为坚硬不易被水流冲刷破坏。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对水处理前后的垢样进行扫描，扫描得到的电镜照片和XRD谱图如图5-图10所示。

从图5中观察到未处理垢样中晶体块大小分布不均，有未聚合长大的小块晶体存在，其晶体结构致密，表面凹凸突触较多[6]，给更多晶体在其上附着提供了机会，易形成大块的晶体。从图6中观察到其晶相组成方解石较多文石和球霰石较少。从图7中观察到经磁化处理后的晶体数量明显变少其晶体多呈絮状。将图6、图8对比后中看出磁化前后垢样的衍射峰对应的角度、衍射峰的强度几乎是一致的，磁化后晶型多为球霰石、文石，可推断出磁处理水能有效地使硬垢转化成软垢即由方解石转变为球霰石、文石，这两种晶相不易黏附在管道及设备上，易被水流冲刷带走，有很好的抑垢作用。从图9中观察到加阻垢剂的垢样中晶体多为小块状。将图6、图10对比后可看出加阻垢剂前后XRD谱图出现的衍射峰的峰位和峰强均有差别，其中加入YC2655阻垢剂的垢样晶相主要还是以方解石为主，这是由于在CaCO3晶种长大过程中，阻垢剂分子会吸附并掺杂进晶体界面，直接抑制了晶体的生长，使晶种不能按照晶格排列正常生长，最终导致破裂，从而起到抑垢作用。

3.2 磁阻垢和加阻垢剂静态实验研究及对比分析

3.2.1 抑垢率测定

磁化处理抑垢率测定结果如表1所示，从表1中看出当磁场强度低于14000 A/m时抑垢率随着磁场强度的增加而增加，这是由于磁场能量使水活化，且磁场强度越高水的活化程度越高，水越不容易结垢。当磁场强度超过14000 A/m后抑垢率会少许下降，这是由于磁场提供的能量过大抑制了氢键增加的幅度，使Ca2+和CO2-3的水合能力增强，同时Ca2+和CO2-3的活度也增强，水中Ca2+和CO2-3碰撞机会增加，从而降低了磁场的抑垢效果[7]。比较循环不同时间的循环水发现随着循环时间的延长磁场抑垢率会产生一定幅度的降低，因此可以得出磁化处理对循环时间较短浓缩倍数较低的循环水处理效果最好，对于本次实验循环时间最短的一个月循环水其最高抑垢率为96%，对应其磁场强度为14000 A/m。

阻垢剂抑垢率测定结果如表2所示，从表2中看出不同阻垢剂的最佳抑垢浓度不同且随着循环时间的延长阻垢剂抑垢率会产生一定幅度的降低，因此可以得出投加阻垢剂处理对循环时间较长浓缩倍数较高的循环水处理效果不佳，对比分析发现YC2655型阻垢剂不同质量浓度对应的抑垢率均比相同状况下其他两种阻垢剂要高。对于循环一个月的循环水用YC2655型阻垢剂处理，其抑垢率随着阻垢剂的质量浓度上升先升高后下降，这是由于聚合物中的-COOH基团能很好地螯合 Ca2+、Mg2+等，阻垢剂浓度越高则-COOH 基团能螯合更多的Ca2+、Mg2+等，形成溶于水的螯合物而不产生沉淀，因而使得抑垢率提高;当质量浓度超过0.20 mg/L，在极性作用下阻垢剂分子中的官能团发生凝聚效应，无机盐与共聚物沉积从而生成沉淀，抑垢率会慢慢降低，但还是有一定的抑垢效果。投加该阻垢剂能达到的最高抑垢率为80%，对应的PC2655型阻垢剂质量浓度为0.20 mg/L。

3.2.2 水样电导率及pH的变化分析

电导率表示的是水中含盐量的情况，作为水纯净度的重要指标，电导率越小说明含盐量（主要是CaCO3）就越少水越纯净，循环水在使用过程中不断蒸发CaCO3质量浓度持续增大，而当水中钙离子和碳酸根离子的溶度积超过Ksp会析出沉淀在管道上形成水垢从而使水中CaCO3含量达到稳定，因此电导率在循环水运行过程中，早期持续增长，后期趋于稳定，所以电导率越小就表明水越纯净结垢倾向越小[8]。另外pH反应的是溶液的酸碱程度，由于循环水在运行过程中发生Ca（HCO3）2CaCO3↓+CO2↑+ H2O，由于CO2从水中溢出会导致Ca（HCO3）2 水解程度增大易形成水垢同时使水体pH增大（CO2+ H2OH++HCO-3，CO2从水中溢出导致水中的CO2含量减少，从而导致该平衡左移，使H+减少），因此pH可以反映Ca（HCO3）2的水解程度，pH越小则表明Ca（HCO3）2水解程度越小水样结垢倾向也就越小[9]。

本次实验水样取自咸阳某纺织厂空调喷淋室的自来水，设置连续9天的检测周期，取3份均为1 L的水样，其中一份水样不做处理，一份水样使用永磁体磁化处理且设置磁场强度为14000 A/m，另一份水样中投加0.20 mg/L聚羧酸类中的YC2655型阻垢剂（该阻垢剂为中性阻垢剂不会对水样pH产生直接影响），三份水样水温均为25℃且静置。检测这3份水样在9 d中电导率及pH的变化，检测结果如表3所示。

从表3中观察到不做处理水样的电导率和pH值先上升后在第8 d达到稳定，这是因为水样静置在烧杯中但还存在一定的蒸发量，在蒸发过程中含盐量（主要是CaCO3）持续增大，而当水中盐类物质达到饱和浓度时（主要是CaCO3浓度超过饱和浓度后会析出沉淀，水中CaCO3浓度不再增加）含盐量也达到稳定，而当水中CaCO3浓度达到稳定时也就意味着水中Ca（HCO3）2CaCO3↓+CO2↑+ H2O达到平衡（CO2溢出和溶解达到平衡）即CO2+ H2OH++HCO-3達到平衡（H+浓度不再发生变化），因此于水样电导率和pH值先上升后达到稳定。

经过磁化处理的水样刚开始电导率和pH值持续增加，但在第3 d电导率稳定在5.74，pH值稳定在8.30，随着时间的延长电导率和pH基本保持不变[10]，可以推断出磁阻垢有抑制水样结垢倾向增加的作用。另外投加阻垢剂的水样刚开始电导率和pH值也是持续增加，到第5 d达到稳定，其电导率稳定在5.75，pH值稳定在8.31，故此推断出投加阻垢剂也有抑制水样结垢倾向增加的作用[11]。比较两种方法在达到稳定状态下的电导率和pH值发现，磁阻垢达到稳定时的电导率和pH值均低于投加阻垢剂达到稳定时水样电导率和pH值，也就说明磁化处理抑制水样结垢倾向增加的能力优于投加阻垢剂。

另外从表3中可以看出磁化处理水样和投加阻垢剂水样在达到稳定状态后但还存在小范围的数据波动[12]，而对阻垢方法进行评价时，其处理效果的稳定性也是一个重要的指标，这里可以利用方差比较这两种方法处理水样的稳定性。

方差S2可以用来表示数据和中心偏离的程度，方差越小说明数据波动越小越稳定。方差S2的计算公式为：

S2=1n∑ni=1（xi-x）2

式中：χ为平均数。计算得，磁化处理水样电导率方差S21=0.00001429，投加阻垢剂水样电导率方差S22=0.00002000，可见S21<S22;磁化处理水样pH值方差S23=0.00001429，投加阻垢剂水样pH值方差S24=0.00018000，可见S23<S24。

比较两种方法的方差发现磁化处理水样的电导率和pH值方差均小于投加阻垢剂水样电导率和pH值的方差，这也就说明这两种方法处理水样的电导率和pH值均达到稳定状态后，磁化处理比投加阻垢剂处理的抑垢效果更稳定。

对于水质的结垢倾向的判断采用临界pH结垢指数法[13]，其计算公式为：

pHc=pHs+2.0

pHS=9.5954+lg（0.4TDS0.10108CA×TA）+1.84exp（0.547-0.00637t+3.58×10-6t2）

式中：pHS为饱和CaCO3的pH值;pHc为临界pH值;CA为Ca2+的质量浓度，mg/L;TA为以甲基橙为指示剂所测定水样的总碱度，mg/L（以CaCO3计）;TDS为水样的总溶解固体量，mg/L;t为水样温度，F。

pH（实际）-pHc>0，易结垢，差值越大越易结垢;pH（实际）-pHc<0，不易结垢，差值越大水质越稳定[14]。

对未经处理的水样检测得出水样TDS为3812.30 mg/L、Ca2+的质量浓度（以CaCO3计）为708 mg/L、电导率为5.69 ms/cm、总硬度为885 mg/L、水温为25℃，在前述其他水样参数不变的情况下，根据这两种方法处理后水样电导率和pH值的变化，利用上述公式计算得出这三组水样的pHc的变化并与pH（实际）进行比较，结果见表4。

从表4中看出未经处理的水样在前8 d不易结垢，第8 d开始水样变成易结垢水质此时水样电导率为5.85和pH为 8.66，这也就表明对于水样的电导率和pH是存在结垢区间的，即水样同时满足电导率大于等于5.85与pH≧8.66时水样会结垢。从图11中看出经这两种方法处理的水样在这9 d中始终稳定表现为不易结垢状态即在这9 d中pH（实际）-pHc<0c，磁化处理水样pHc与pH（实际）差值在第3 d达到稳定为0.16，投加阻垢剂水样pHc与pH（实际）差值在第5 d达到稳定为0.13，磁化处理达到稳定后水样pHc与pH（实际）差值比投加阻垢剂的差值更大，表明磁化处理水样比投加阻垢剂水样更不容易结垢。

4 结 论

针对纺织厂空调喷淋水系统出现的结垢问题，分别使用钕铁硼永磁体磁化处理和投加聚羧酸类阻垢剂两种阻垢方法进行静态实验，可以得出以下结论：

a）利用电镜扫描和XRD分析经这两种方法处理后分别形成的垢样，发现两种方法对垢样的影响完全不同，磁化处理是通过改变晶型让形成的钙垢沉积性能下降，而阻垢剂是通过破坏晶体生长来抑制钙垢量。

b）两种方法对于循环时间较短浓缩倍数较低的水样抑垢效果较好，在PC2566型、YC2655型、YL505型聚羧酸类阻垢剂中YC2655型阻垢剂抑垢效果最佳，另外在相同环境下两种方法均存在最佳抑垢条件，对于循环一个月循环水当磁场强度达到14000 A/m时抑垢率最高为96%，对于循环一个月循环水当投加PC2655型阻垢剂质量浓度0.20 mg/L时抑垢率达到最高为80%。

c）通过静态实验比较未处理水样、磁化处理水样、投加阻垢剂水样的电导率、pH的随时间变化规律，发现两种方法都具有抑制水样结垢倾向增加的能力。磁化处理比投加阻垢剂处理的抑垢效果更好且更稳定。

经过综合分析后得出利用磁场处理循环水能更好地解决纺织厂空调喷淋水结垢问题。

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