低磷環保型水處理劑的分析研究

吳煒文

摘 要：目前，我國污水處理系統中常用的水處理阻垢緩蝕劑大多是采用的磷酸鹽系列，而磷的排放可以導致周圍的水體富營養化，促使水中的菌藻瘋狂滋生，然后形成“赤潮”；而且，采用磷酸鹽系列配方，其中的磷酸鹽在處理過程中肯定會產生一定的沉積，不利于污水處理系統的清洗運行處理，影響了生產設備的使用壽命。對此，該文以聚天冬氨酸和膦羥基乙酸為主體，結合聚丙烯酸類阻垢分散劑等，配制成可降解生物的低磷環保型水處理劑，并結合具體的實驗，簡要地分析研究了其阻垢緩蝕性能。

關鍵詞：水處理劑 低磷環保 阻垢緩蝕

中圖分類號：X703.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（c）-0171-02

隨著生態環境面臨的局勢越來越嚴峻，國家的環保意識也逐漸提高，對此，我國對污水磷排放做出了明確限制，污水排放量中磷的含量不能超過1.0 mg/L。所以，目前我國的主要研究方向就是開發出低磷或無磷的水處理劑，不僅能降低磷含量的排放，保護生態環境，同時還能避免污水處理系統中的磷酸鹽沉積，保障生產設備的正常運行。

經過不斷地探究以及實驗分析，選取了聚天冬氨酸（PASP）和膦羥基乙酸（HPA）作為水處理阻垢緩蝕劑。聚天冬氨酸中沒有磷元素，既能降解生物，又具有良好的螯合和分散性能，而且熱穩定性好，是一種具有良好阻垢分散功能的均聚物；膦羥基乙酸中磷含量較低，具有良好的緩蝕功能，較之于傳統的有機多元磷酸類水處理劑擁有更顯著的成效，是一種有機膦羧酸型水質穩定劑[1]。通過研究表明，分別用聚天冬氨酸和膦羥基乙酸單獨應用于污水處理系統中，所取得的阻垢緩蝕效果并不是很明顯，而且投入成本較高，經濟效益較低。所以，在利用聚天冬氨酸和膦羥基乙酸各自良好性能的基礎上，研究出了一種新型的、高效的低磷環保型水處理劑，就是以這兩種藥劑為主體，然后摻入聚丙烯酸類阻垢分散劑等進行復配，讓其綜合發揮協同增效的功能。下面分別通過靜態法、旋轉掛片和動態模擬試驗，來分析研究該水處理劑的阻垢緩蝕性能。

1 實驗準備

1.1 試劑與儀器

主要試劑：天冬氨酸、磷酸、氫氧化鈉水溶液、亞磷酸二乙酯、乙醛以及聚丙烯酸類阻垢分散劑等。

主要試驗儀器：燒杯、電動攪拌器、恒溫水浴槽、旋轉掛片腐蝕儀和動態模擬試驗裝置等[2]。

1.2 制取聚天冬氨酸

取15 g符合工業標準的天冬氨酸，放入燒杯中，然后加入5 mL 濃度為88%的磷酸，在溫度為220 ℃～260 ℃的環境中進行熱縮聚，再將熱縮聚后的產物置于濃度為7%～9%的氫氧化鈉水溶液中，進行水解，水解過程中pH值保持在9～10之間，最后得到紅棕色的液體就是實驗所需要的聚天冬氨酸鹽溶液。

1.3 制取膦羥基乙酸

稱取110 g的亞磷酸二乙酯，將其放入220 g濃度為45%～55%乙醛溶液中進行反應，先將溫度控制在25 ℃～45 ℃之間，反應時間為2 h左右，然后緩慢的提高溫度至90 ℃～110 ℃，繼續反應 4～5 h后，經過相關處理，最終得到的棕色黏稠液就是實驗所需要的膦羥基乙酸溶液。

1.4 制取低磷環保型水處理劑

從試驗和研究表明，單獨使用聚天冬氨酸和膦羥基乙酸所取得的效益并不高。所以，綜合考慮到水處理劑的阻垢緩蝕效果、環保性能以及經濟效益，就將制取的聚天冬氨酸和膦羥基乙酸，與聚丙烯酸類阻垢分散劑等進行復配，其質量比為3∶1∶1，把復配物充分攪拌均勻，所得到的紅棕色黏稠透明液體，就是該實驗所需要的低磷環保型水處理劑[3]，該試劑總磷含量≤5%（以P計）。

2 實驗研究及結果

2.1 阻垢性能實驗

研究該水處理劑阻垢性能所采用的實驗方法是依據測定碳酸鈣沉積法。所選水樣是配制水，其水質結構為：鈣離子的濃度為240 mg/L（以碳酸鈣計），碳酸氫根離子的濃度為240 mg/L（以碳酸鈣計）。實驗水溫為75 ℃，恒溫8～10 h后，濃縮2倍，然后用EDTA 絡合滴定法測定溶液中鈣離子的濃度。其阻垢性能計算公式為：

阻垢率=（C2-C0） （2C1-C0）×100%

式中：C0為指沒有添加藥劑前，經過加熱濃縮后溶液中鈣離子的含量；C1為指配制水中鈣離子的含量；C2為指已經加熱濃縮的溶液在添加藥劑后的鈣離子含量。試驗結果如表1所示。

實驗結果表明，這種低磷環保型水處理劑擁有良好的阻垢效果，而且隨著藥劑投入量的增加，阻垢率也逐漸增加，在投入量達到10 mg/L 時，阻垢率已經超過了96%，完全達到了國家的技術標準要求；而當藥劑加入量大于16 mg/L以后，阻垢率已經達到98%以上，也不會再有很大的變化。

2.2 緩蝕性能實驗

研究該水處理劑緩蝕性能所采用的實驗方法是依據測定旋轉掛片法。所選水樣也是配制水，和阻垢性能實驗中所用水一樣。試片材質選用A3碳鋼，實驗溫度為50 ℃，轉速75 r/min，濃縮2倍，實驗時間72 h。其緩蝕性能計算公式為：

腐蝕率=8.76×104×△W/A·t·D

式中：8.76×104為計算常數；△W為試片失重；A為指試片表面積；t為反應時間；D為指試片材質的密度。試驗結果如表2所示。

實驗結果表明，該低磷環保型水處理劑具有明顯的緩蝕效果，并且隨著藥劑投入量的增加，腐蝕率也越來越低，當藥劑投加量為8 mg/L時，腐蝕率達到0.012 mm/a，已經符合了國家的技術標準要求（≤0.125 mm/a）。

2.3 動態模擬實驗

動態模擬實驗所選取的水樣為當地自來水，其水質結構為：鈣離子的濃度為200～500 mg/L，堿性程度為190～480 mg/L（均以碳酸鈣計） ，進水溫度為32 ℃左右，進出水溫差不超過10 ℃，循環水流速1.5 m/s，實驗時間為12 d，藥劑投加量10～12 mg/L，水中總磷含量≤0.6 mg/L（ 以P計）。實驗結果如表3所示。

實驗結果表明，當藥劑投加量為10～12 mg/L，水中總磷含量≤0.6 mg/L（ 以P計） 的條件下，該低磷環保型水處理劑擁有良好的阻垢緩蝕性能，當濃縮倍數達到3倍時，阻垢率仍然可以保持在90%以上，而且腐蝕率和黏附率都遠遠低于國家水處理劑動態模擬實驗的技術標準要求（腐蝕率≤0.075 mm/a，黏附率≤15.0 mcm）。

3 結語

依據靜態阻垢實驗、旋轉掛片腐蝕實驗以及動態模擬實驗結果表明，以聚天冬氨酸和膦羥基乙酸為主體，然后摻入聚丙烯酸類阻垢分散劑等進行復配，開發出的低磷環保型水處理劑具有良好的阻垢緩蝕性能，完全符合國家技術標準要求，適應于高堿、高硬、高氯及負硬度水并存的復雜水質處理系統。同時，我國需要對水處理劑進一步的研發和完善，降低生產成本，綜合提升經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1] 劉玉林，汪心想.低磷環保型水處理劑的研究[J].河南化工，2011，28（1）：42-44.

[2] 馮素敏，尹麗胖，秦宗仁，等.新型低磷水處理劑HB-987的研制及性能研究[J].河北工業科技，2011，28（2）：115-117.

[3] 李晨光.循環水低磷和無磷水處理藥劑應用研究[J].工業水處理，2014，34（2）：65-67.