循环冷却水系统中无磷缓蚀阻垢剂配方的研究

杜松燕

（广西柳钢环保股份有限公司，广西 柳州 545002）

在工业用水中，冷却水的用量居首位，一般占工业总用水量的80%以上。冷却用水的供需情况，直接影响工业用水的重复率。因此，为了提高工业用水的重复利用率，必须节约冷却用水，将直流冷却水系统改成循环冷却水系统，或提高循环冷却水的浓缩倍数，减少新水补充量和强制排污水量[1]。

循环冷却水系统是指以水作为冷却介质并循环使用的一种冷却运行系统，并主要通过加入缓蚀阻垢剂来控制系统的腐蚀和结垢问题。目前，环境的负循环冷却水中所使用的缓蚀阻垢剂还是以磷系药剂为主。国内外生产的水处理剂大多为磷系产品，在大量水排出体系的同时，也排出了大量的磷，由此引起的水体富营养化现象日益严重[2]。为了减少水处理剂在应用过程中对环境和人类带来的影响和危害，人们已经开始从源头控制含磷污染物的产生和排放[3]。另外，磷系水处理剂在使用过程中存在易形成磷酸盐垢的隐患，影响水冷器系统长期运行时的换热效果[4]。因此，为了减少水处理剂在应用过程中对水系统和环境带来的危害，减少药剂中磷含量的投入或是使用无磷药剂代替已是迫在眉睫。因此，新型的含有磺酸盐的多元聚电解质阻垢分散剂为主的复配型低磷缓蚀阻垢剂，具有延缓金属管道腐蚀、有优良的抑制水垢形成及分散螯合作用。笔者通过对循环水系统进行系统研究，缓蚀试验和阻垢试验进行筛选，研发出适用于钢铁厂循环冷却水系统的专用无磷缓蚀阻垢剂配方。

1 试验

1.1 试验设备

分析天平、旋转挂片仪、磁力搅拌器、数显恒温水浴锅、显微镜等。

1.2 试验方法

1.2.1 缓蚀性能试验方法

试验用水加入2 L 烧杯中，加入不同浓度的药剂（空白不加），待试验液达到所要求的试验温度后，置于旋转挂片仪中，挂入预先处理过并已称重的挂片，在50 ℃、70 r/min的条件下运行72 h，期间补充试验水维持试验液体积不变。

1.2.2 阻垢性能试验方法

在250 mL烧杯中加入200 mL水，加入氯化钙溶液，使钙离子的量为120 mg，加入水处理药剂试样溶液，然后加入10 mL硼砂缓冲溶液，摇匀。最后加入一定体积的碳酸氢钠标准溶液，使碳酸氢根离子的量为366 mg，用水稀释至刻度，摇匀。空白除不加水处理剂试样外，其它步骤一样。将装有空白和试样的锥形瓶分别侵入（80±1 ℃）的恒温水浴中，恒温放置10 h。趁热过滤，冷却后滴定Ca2+浓度，并对形成的钙垢进行烘干，在显微镜下观察碳酸钙垢的形态。

2 结果与讨论

2.1 试验用水情况

具体情况，见表1。

表1 试用水情况表

2.2 缓蚀性能试验评判要求

具体情况，见表2。

表2 缓蚀剂性能评价指标

2.3 缓蚀性能试验结果

2.3.1 不同药剂配方的缓蚀性能结果

本次试验根据不同的单体特性，配制了9个无磷缓蚀阻垢剂配方，使用柳钢2#废水站出水为试验水，并参考目前现场循环水系统最佳的投加浓度进行统一投加，验证不同配方的缓蚀性能，筛选较优配方。试验结果，见图1。

图1 不同配方试验后腐蚀率对比图

由图1柱形图可知，在使用柳钢2#废水站出水为试验水的前提下，在投加浓度为60 ppm结果为：所有配方的黄铜和不锈钢腐蚀率均低于0.005 mm/a，符合指标要求。

试验后的碳钢挂片腐蚀率情况：2#配方、6#配方、8#配方的腐蚀率超过0.075 mm/a的要求；1#配方、3#配方腐蚀率在0.05 mm/a以上，接近限值；4#配方、5#配方、7#配方、9#配方腐蚀率较好，在0.035 mm/a以下。因此，优选出4#配方、5#配方、7#配方、9#配方进行下一步试验。考虑不锈钢材质挂片在不加药剂的情况下均不产生腐蚀，因此，以下比对试验均不对不锈钢挂片进行悬挂。

2.3.2 4个配方的不同浓度对系统的影响

本次继续使用柳钢2#废水站出水为试验水的前提下，考察在不同药剂浓度下，各配方对碳钢和铜挂片的缓蚀效果。试验结果，见图2。

图2 不同配方不同浓度碳钢、黄铜腐蚀率对比

由图2可知，在投加浓度为40 ppm时，7#配方和9#配方碳钢腐蚀率超过0.075 mm/a的要求，4#配方和5#配方碳钢腐蚀率均小于0.05 mm/a；投加浓度在50 ppm和60 ppm时，所有配方碳钢挂片腐蚀率均达标。黄铜挂片在投加浓度为40～60 ppm之间时，腐蚀率均达标。因此，通过本次试验，4#配方和5#配方在低浓度条件下效果最优，因此，筛选出4#配方、5#配方进行不同水质的性能试验。

2.3.3 不同水质药剂的缓蚀效果

在所有配方、所有水质均按照40 ppm的投加浓度前提下，考察药剂配方在不同水体中对碳钢和铜挂片的缓蚀效果，试验结果，见图3。

图3 配方不同水质条件下碳钢、黄铜腐蚀率对比

在投加浓度均为40 ppm的前提下，4#配方、5#配方在使用生活水作为试验水时，碳钢腐蚀率均小于0.03 mm/a，远低于0.075 mm/a的标准要求；4#配方、5#配方在使用柳钢1#废水站作为试验水时，碳钢腐蚀率均小于0.035 mm/a，远低于0.075 mm/a的标准要求；4#配方、5#配方在使用柳钢2#废水站作为试验水时，碳钢腐蚀率均小于0.045 mm/a，远低于0.075 mm/a的标准要求；试验所有配方的黄铜挂片腐蚀率均低于0.005 mm/a，均达到较好的缓蚀效果。试验证明：在同等条件下，使用三种不同水质作为试验水时，4#、5#配方的碳钢、黄铜腐蚀率均达标。较好的为生活水，其次1#废水站，第三为2#废水站，说明无磷配方对低硬度的水质更具有较高的缓蚀作用。

2.4 阻垢性能试验结果

在药剂浓度相同的情况下，考察4#配方和5#配方的的阻垢性能，结果如下。

表3 缓蚀阻垢剂阻垢性能试验结果

由表3、图4可知，4#配方、5#配方可将水体中的钙离子与碳酸根离子形成较为松散的片状碳酸钙垢，不易附着在管道上，在水流的冲击下带出管道，不易在管壁上产生结垢。由图5可知，在100目显微镜下观察试验后形成的碳酸钙垢的形态可知，未加有药剂的碳酸钙垢有长棒状的透明晶体和不规则小块状的透明晶体；4#配方和5#配方形成的碳酸钙垢为块状的形貌，这说明药剂对碳酸钙晶体的晶格具有畸变作用，加入药剂改变了碳酸钙垢的形态，从而产生了阻垢的效能。

图4 阻垢性能试验后效果图

图5 阻垢性能试验后垢样在100倍显微镜下效果图

3 结语

通过不断对自研无磷缓蚀阻垢剂配方进行试验、调试，进行缓蚀性能和阻垢性能试验进行验证，优选出4#配方和5#配方2个低成本缓蚀阻垢剂配方。这两个配方的腐蚀性能试验在投加浓度为40 ppm时，使用生活水、1#废水站出水、2#废水站出水作为试验水时，试验后的碳钢和铜挂片的缓蚀性能均能达到较优的水平；阻垢性能试验在投加浓度为40 ppm时，也具有较好的阻垢性能。