聚環氧琥珀酸阻垢劑在紡織空調噴淋水中的應用研究

呼慶鋒,顏蘇芊,馮 瑞

(1.陜西省現代建筑設計研究院,陜西 西安 710048;2.西安工程大學,陜西 西安 710048)

紡織空調系統采用噴淋水來實現對空氣的熱濕處理,噴淋系統為敞開式循環水系統,水通過噴嘴噴出,實現與空氣接觸的熱濕交換。實際運行時,因水蒸發損失部分水分,一般采用自來水進行補給。水中的成垢離子和礦物質濃度隨著水分蒸發而不斷增大,會導致噴淋系統設備和管道結垢,降低設備使用周期,嚴重影響噴淋水與空氣熱濕交換效果。

選擇使用聚環氧琥珀酸阻垢劑(后簡稱“PESA阻垢劑”)在咸陽某紡織廠進行實地測試并研究它的實際應用效果。試驗設置兩種對照運行方案,3#空調室投加PESA阻垢劑,5#空調室不添加阻垢劑。兩個空調室運行33 d,監測兩種運行方式下噴淋水硬度、p H值、電導率及臨界p H指數(p Hc)等指標的變化情況。

1 阻垢劑的選用

PESA阻垢劑是一種無磷、無氮、容易生物降解且不會受高溫影響的綠色環保新型高效阻垢劑,是以馬來酸酐為原材料在催化劑功效下聚合而成,兼有阻垢緩蝕雙重功效,屬于一種環保型水處理劑。PESA主要應用于循環水處理,適用于高堿度、高硬度、高溫度條件,對碳酸鈣、硫酸鈣等成垢鹽均能表現出較好的阻垢作用[1],對結垢離子螯合能力強,在水處理使用中,它的阻垢性能優于市場上常見的阻垢劑[2]。

2 某紡織廠水質測試及分析

臨界p H結垢指數(p Hc)是衡量水質是否結垢的重要指標,在判斷水質是否結垢時,用p Hc與實際運行p H比較,當p H大于p Hc時,水質易發生結垢;當p H小于p Hc時,水為不結垢的穩定狀態[3],p Hc的計算公式如式(1)、(2)所示。

式中:p HS─碳酸鈣在水中呈飽和狀態時的p H值;TDS─總溶解固體量,mg/L;CA─Ca2+的含量,mg/L;TA─碳酸鹽堿度,以CaCO3計,mg/L;t─水的溫度,℉;

對咸陽某紡織廠補水、運行15 d噴淋水的水溫、p H值、TDS、Ca2+含量、堿度等進行測試分析。水溫為25℃(77℉),通過計算CaCO3在水中呈飽和狀態時的p H值(后簡稱p HS)和p Hc來反映噴淋水質狀態,具體水質測試指標見表1。

表1 補水、噴淋水指標

噴淋水在運行過程中,隨著水分不斷蒸發,噴淋水在高濃縮倍率下運行,使得水中p H值、Ca2+濃度、TDS等指標都明顯升高。通過公式(1)、(2)計算該紡織廠補水參數:p HS=6.87,p H=6.91,p Hc=8.67,補水p H小于p Hc,水質不結垢處于穩定狀態;運行15 d噴淋水參數:p HS=6.06,p H=8.45,p Hc=7.91,p H大于p Hc,噴淋水處于結垢狀態。為了防止噴淋水在運行過程中結垢而影響空調系統正常運行,通過投加PESA阻垢劑對噴淋水進行阻垢處理,并與未投加阻垢劑的循環水進行對比分析。

3 方法與步驟

選擇咸陽某紡織廠運行工況相似、水池體積相等的3#、5#兩個空調室,兩個水池的尺寸均為長4.55 m、寬8.5 m、水深0.4 m,體積為15.47 m3。兩個水池都是通過2臺功率15 k W、流量120 m3/h、揚程24 m的水泵提供噴水動力,其中設置3#空調室為投加阻垢劑的試驗水池,5#空調室為未加阻垢劑的對比水池。為了保證兩個水池試驗條件相同,試驗前清理水池并重新換水,做好試驗前的準備。

(1)試驗時間總共33 d,測試間隔時間為4 d。參照GB/T 15452-2009《工業循環水中鈣、鎂離子的測定EDTA滴定法》[4]對水中鈣硬度和總硬度測試,水樣滴定前后顏色變化如圖1所示。通過測試PESA阻垢劑的最佳投加量為15 mg/L。水池水量為15.47 m3,藥品投加量約為232 g,使其均勻地分散在水池中,兩個水池定期補水,保證兩個水池在相同的工況下運行。

圖1 試驗水樣前后顏色變化

(2)每隔4 d分別取3#、5#兩個空調室水樣進行測試,測試指標有硬度、p H值、電導率。硬度采用滴定法,p H值和電導率使用工業級探頭測試,其實物如圖2所示。

圖2 水質檢測器實物

4 水質變化的試驗測試

4.1 鈣硬度隨運行時間變化

噴淋水中鈣硬度隨時間變化趨勢如圖3所示。

圖3 鈣硬度隨運行時間變化

由圖3可知,在開始運行時,兩個水池的鈣硬度均為200 mg/L,隨著運行時間的增加,投加阻垢劑的3#空調室相比未加阻垢劑的5#空調室中噴淋水鈣硬度高且上升速度快,主要由于加入PESA阻垢劑對碳酸鈣垢有明顯的增溶螯合作用,提高了鈣離子在水中溶解度。在前13 d內,阻垢劑與碳酸鈣垢不斷接觸并發生反應,使得鈣離子釋放速度變快,大量鈣離子游離出來;在第13 d之后,鈣離子釋放速度變緩,主要由于補水不斷增加導致阻垢劑被稀釋,造成阻垢劑與鈣垢反應不充分,阻垢效果逐漸減弱;在第25~33 d之間,阻垢劑基本達到最佳阻垢效果,此時鈣離子含量在850 mg/L左右之間波動,其濃度不再明顯上升,鈣硬度值趨于穩定,整個過程起到阻止水垢形成。

4.2 總硬度隨運行時間變化

通過圖4噴淋水中總硬度隨時間變化趨勢可知:2個空調室在開始運行時總硬度均為366 mg/L,隨著運行時間的增加,3#和5#空調室噴淋水總硬度變化趨勢為先上升后趨于穩定。投加PESA阻垢劑后的3#空調室噴淋水總硬度高于未投加阻垢劑的5#空調室噴淋水的總硬度,主要由于阻垢劑的加入,發生增溶、分散作用破壞了碳酸鈣、氫氧化鎂等垢物的生長,并阻止了鈣離子、鎂離子與成垢陰離子的結合,使得結垢狀態的鈣離子、鎂離子處于游離狀態,導致總硬度增加;在前17 d之前,總硬度增長速度最快,此時阻垢劑的阻垢作用逐漸達到最佳,在第21 d之后,總硬度基本處于穩定狀態,在1 345~1 389 mg/L之間波動,阻垢劑與垢物反應完全,完成了整個阻垢過程,達到阻垢效果。

圖4 總硬度隨運行時間變化

4.3 pH值隨時間變化

試驗通過測試加入阻垢劑與未加入阻垢劑噴淋水中p H值的變化,來分析PESA阻垢劑對噴淋水p H值的影響,p H值隨運行時間的變化如圖5所示。

圖5 p H值隨運行時間變化

在開始運行的第1 d,兩個水池的p H值均為6.91。隨著運行時間的增加,循環水濃縮倍率不斷增大,未加阻垢劑5#空調室噴淋水的p H值整體呈現上升的狀態,第33 d的p H值達到最大8.9還處于上升趨勢。加入PESA阻垢劑后的3#空調室噴淋水在前13 d內,p H值呈現上升狀態并達到8.22,這是由于阻垢劑增溶螯合作用不斷進行,加入阻垢劑的循環水p H值隨著循環時間增加不斷上升;在第13~33 d之間,循環水在運行過程時會發生反應,該反應進行會生成H+,造成p H值降低的現象;隨著反應的不斷進行,水中的金屬配合物還會繼續水解發生,因此p H值先緩慢下降后趨于平緩穩定,在第33 d循環水p H下降達到7.65。

4.4 電導率隨時間變化

電導率表示水中含鹽量的大小,是衡量水純度的一個重要指標。水中電導率越低,水越純凈,電導率越大,含鹽量越高。試驗測試投加與未投加阻垢劑噴淋水電導率變化,來探究PESA阻垢劑對噴淋水電導率影響。空調噴淋水電導率隨運行時間的變化如圖6所示。兩個水池的初始電導率均為0.77 ms/cm,隨著運行時間增加,未投加阻垢劑的5#空調室噴淋水電導率一直呈現上升的趨勢,由第1 d的0.77 ms/cm上升到第33 d的7.25 ms/cm,電導率上升幅度較大,水中含鹽量增加。而投加PESA阻垢劑3#空調室前25 d內,電導率處于上升的狀態,這是由于循環水在使用過程中不斷蒸發,水中鹽濃度不斷增加,電導率持續增長。在第25 d后,阻垢劑螯合增溶提高了水中鈣鎂離子的飽和溶解度,使得循環水電導率達到平衡的時間延長,且達到平衡后,電導率不再上升,在7.0 ms/cm左右浮動,因此阻垢劑的加入有效控制噴淋水電導率,使其處于穩定的范圍內。

圖6 電導率隨運行時間變化

5 應用效果評價

通過測試噴淋水實際運行時硬度、p H值、電導率等指標的變化,發現投加PESA阻垢劑的3#空調室較未投加阻垢劑的5#空調室有明顯控制效果,投加阻垢劑后水質指標更穩定。為了進一步探究兩種不同運行工況下的水質變化情況,通過p Hc與實際運行的p H值對比來分析運行33 d后兩個空調室的水質狀態。表2為p Hc與p H隨運行時間的變化情況。

表2 噴淋水的p Hc與p H運行變化

由表2可知,未投加阻垢劑的5#空調室與投加阻垢劑的3#空調室水質p Hc隨著運行時間增加呈現下降趨勢,而實際p H值則呈現上升趨勢。5#空調室水質p Hc由第1 d的9.1下降到第33 d的7.78,它的p H值則是從第1 d的6.91上升到第33 d的8.9,同時從第13 d起到第33 d,p H始終大于p Hc,因此5#空調室在運行13 d之后水質處于結垢狀態。3#空調室水質p Hc的變化由第1 d的9.1下降到第33 d的7.71,它的p H值由第1 d的6.91上升到第13 d的8.22接著又下降到第33 d的7.65,可以發現阻垢劑的加入有效降低了噴淋水p H值。隨著阻垢劑與噴淋水中成垢離子的不斷反應,3#空調室噴淋水從第21 d起到第33 d,p H小于p Hc,因此3#空調室在運行21 d之后噴淋水不結垢處于穩定狀態,可知PESA阻垢劑的加入控制了噴淋水質的變化,使其在穩定的狀態下運行。

6 結論

選擇聚環氧琥珀酸類阻垢劑處理咸陽某紡織廠噴淋水,測試并研究其應用效果。通過試驗發現:

(1)由于阻垢劑的加入,在水中發生增溶、分散作用破壞了碳酸鈣、氫氧化鎂等垢物的生長結構,致使鈣離子、鎂離子處于游離狀態,使投加阻垢劑的3#空調室噴淋水比未投加阻垢劑的5#空調室噴淋水鈣硬度、總硬度高。3#的p H值和電導率變化先上升后下降,而5#的p H值與電導率則是一直處于上升狀態,這主要是由于阻垢劑的加入控制了p H值和電導率上升并使其最終處于穩定的范圍內;

(2)在前5 d,噴淋水質處于穩定狀態;隨著運行時間增加,兩個水池p H值均有不同程度的升高,p Hc均降低;投加阻垢劑水池p H值升高及p Hc降低幅度均小于未添加阻垢劑水池。未投加5#空調室的噴淋水在運行到第9 d之后,p H值一直大于p Hc,水質變差,結垢的趨勢越來越嚴重。3#空調室噴淋水隨著阻垢劑與成垢離子的不斷反應,在運行21 d之后,p H值持續降低同時小于p Hc,噴淋水在21 d之后處于不結垢穩定狀態。

綜上所述,阻垢劑對噴淋水起到了良好的阻垢效果,改善了水質結垢問題,達到節能減排的目的。