節水劑在工業循環水中的應用研究

曾 暉，王義珍， 劉海峰，陳宏霖，李 瑞

(1.中山大學化學工程與技術學院，廣東 珠海 519082；2.中山大學廣東新材料產業基地聯合研究中心，廣東 佛山 528244；3.華南農業大學材料與能源學院，廣東 廣州 510640；4.廣州綠眾水務工程管理有限公司，廣東 廣州 510165)

0 引言

我國是一個缺水國家，作為水資源短缺型國家，面臨的水安全態勢越來越嚴峻[1-3]。在此形勢下科學合理用水非常必要，可以通過技術強化用水管理，改進工業和生活用水方式，提高水資源利用率，避免造成水資源的浪費。

水資源保護是中國當前經濟和建設可持續發展的主要工作內容之一，節約用水是實施可持續發展戰略的重要措施，有助于高效利用水資源，提高科學用水，合理用水，保障城市經濟和建設可持續發展[4-5]。

值得注意的是，目前中國經濟發展的過程中，工業和農業用水量不斷增多，一是農業用水量成倍增長[6-7]；二是珠三角、江浙地區、京津地區已成為我國工業比較集中的綜合性工業生產區域，存在有大批大型、特大型和耗水量大的工業企業，對水資源供應要求更加明顯，這就使得工業節水技術發展迫在眉睫[8]。

在工業生產中需要用到大量的冷卻水塔，循環冷卻水的蒸發損失是整個系統中各項水損失最大的一項，循環水系統節水工作的開展不僅可以節約大量的水資源，還可以減少污水排放量，保護環境[9-10]。目前，工業節水方法主要采用的是優化工業設備，例如優化換熱流程和換熱器組合，發展新型高效換熱器，或者增加水回收設備，這種處理方法設備投資高，運行能耗高，便捷性差[11-13]。

針對上述問題，在水相中加入一種節水劑，利用分子間相互作用力的增強，降低水分的揮發是一個有效的途徑，本文研究了一種高分子和多元醇為主的工業節水劑，并試驗模擬了其在冷卻水條件下的節水效果。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

FA2004分析天平；YP30001B電子天平；101-1S型電熱恒溫鼓風干燥箱；壁掛式水泵過濾器；磁力加熱攪拌器；培養箱。

1.2 節水劑及其水溶液的配制

節水劑：由多元醇和疏水劑、抗氧添加劑、殺菌防腐劑及殺菌防霉劑等功能添加劑組成。首先將約占總用量40%左右的多元醇和規定量的各功能添加劑加入到燒杯中，加熱攪拌至全部物質溶解，再加入剩余量的多元醇，混合均勻即得。

0.1%節水劑水溶液：準確稱取1.0 g節水劑原液至1 000 mL，用去離子水稀釋至刻度。

0.01%節水劑水溶液：準確移取0.1%節水劑水溶液100～1 000 mL容量瓶中，用去離子水稀釋至刻度。

1.3 節水劑穩定性測試

把配制好的節水劑原液分裝于3個100 mL透明玻璃瓶中，分別置于室溫、冰箱冷藏室和干燥箱中，冰箱冷藏室溫度控制在4 ℃±2 ℃，干燥箱溫度控制在40 ℃±2 ℃，每周取出觀察1次，考察1個月內樣品在3種環境條件下的狀態變化：外觀顏色是否發生變化及是否有結晶析出。

0.1%節水劑水溶液和0.01%節水劑水溶液按同樣方法進行測試。

1.4 節水劑節水性能測試

1.4.1 含0.1%節水劑的自來水節水性能測試

測試方法：把盛裝自來水的容器暴露在空氣中，并使水體循環流動，每天測試水蒸發重量，對添加節水劑和未添加節水劑的自來水蒸發量測試結果進行對比。

稱取2.0 g節水劑原液至3 L玻璃燒杯中，往燒杯中加入2 kg自來水，記錄所加水重量，使配成含有0.1%節水劑的水溶液。在燒杯口上放一壁掛瀑布式水泵過濾器，水流調節旋鈕開到最大，接通電源使水在燒杯內不間斷循環流動。每天相同時間點稱量記錄燒杯、水溶液和過濾器總重量，并計算循環水面每天的蒸發量。

空白對照：另取一燒杯加入2 kg自來水，不加節水劑，按上述相同方法進行測試。注意測試時2個樣品要一起放于同一實驗臺上，日照、溫濕度、空氣流動等環境條件須保持一致。

1.4.2 含0.01%節水劑的自來水節水性能測試

在自來水中添加0.01%的節水劑，按1.3.1相同方法進行測試。

1.5 節水劑抑菌性能測試

細菌懸液制備：取試驗菌(金黃色葡萄球菌/大腸桿菌)營養瓊脂培養基斜面新鮮培養物(18～24 h)3.0～5.0 mL加入斜面試管內，反復吹吸，以使細菌懸浮均勻。

抑菌性能測試：取無菌試管，加入0.1%節水劑水溶液4.5 mL，再加入0.5 mL菌懸液，混勻并放置24 h。分別吸取混合均勻的懸液1.0 mL加于3個無菌平皿內，將營養瓊脂培養基傾注于已加入樣液的平皿中，每平皿15～20 mL。待瓊脂凝固后，翻轉平皿，使底向上，置36 ℃±1 ℃溫箱內培養48 h觀察結果。同時以未加節水劑溶液的培養基作為陽性對照。

0.01%節水劑水溶液按相同方法進行試驗。

2 實驗結果與討論

2.1 穩定性測試結果

配制好的節水劑原液為淺黃色略帶粘稠狀液體，在室溫4 ℃±2 ℃和40 ℃±2 ℃ 3種條件下各存放1個月，期間每周取出觀察1次，均未發現外觀顏色有明顯變化，也未發現有結晶析出。0.1%節水劑水溶液和0.01%節水劑水溶液均為無色透明溶液，在測試期間未發現外觀顏色發生變化及無結晶析出。結果見表1。

表1 穩定性測試結果(測試標準要求：外觀顏色無變化，無結晶析出)

2.2 節水性能測試結果

把添加0.1%和0.01%節水劑的自來水及空白自來水暴露在空氣中，并使水體循環流動，1周內每天測試水面蒸發損失重量。添加0.1%節水劑的自來水及空白自來水蒸發損失測試結果見表2，結果對比圖見圖1和圖2；添加0.01%節水劑的自來水及空白自來水蒸發損失測試結果見表3，結果對比圖見圖3和圖4。

圖1 單日水蒸發量結果對比 圖2 累計水蒸發量結果對比

圖3 單日水蒸發量結果對比 圖4 累計水蒸發量結果對比

測試結果顯示，添加節水劑的自來水蒸發量明顯低于未添加節水劑的自來水蒸發量，添加0.1%和0.01%節水劑的自來水1周內蒸發量分別平均減少32.3%和26.8%。水蒸發量減少的原理是利用節水劑中所含疏水劑溶于水又能在水中成膜的特性，使流動水表面疏水膜持續得到補充保持完整，從而有效抑制水的蒸發。

表2 水蒸發量測試結果(自來水vs添加0.1%節水劑的自來水)

表3 水蒸發量測試結果(自來水vs添加0.01%節水劑的自來水)

2.3 抑菌性能測試結果

0.1%節水劑水溶液能顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長，表現出較好的抑菌活性；0.01%節水劑水溶液則對金黃色葡萄球菌可以有效抑制其生長，但對大腸桿菌的抑殺效果不是太好，其原因是0.01%節水劑水溶液中的殺菌劑濃度低于大腸桿菌的最低抑制濃度，測試結果見表4。

表4 抑菌性能測試結果

3 結語

所制備的節水劑能性能穩定，在循環水蒸發試驗中，加入0.1%和0.01%的節水劑，可使水蒸發量平均減少32.3%和26.8%，有效降低流動水面的蒸發損失，節水效果顯著，同時節水劑在適宜濃度下還可以有效抑制水中細菌的繁殖，延長設備管道的使用壽命，降低維護保養成本。該節水劑使用簡便且使用量少，使用過程中無需增加及更換系統設備，在循環冷卻水節水方面有著潛在的應用價值。