循環冷卻水系統中無磷緩蝕阻垢劑配方的研究

杜松燕

（廣西柳鋼環保股份有限公司，廣西 柳州 545002）

在工業用水中，冷卻水的用量居首位，一般占工業總用水量的80%以上。冷卻用水的供需情況，直接影響工業用水的重復率。因此，為了提高工業用水的重復利用率，必須節約冷卻用水，將直流冷卻水系統改成循環冷卻水系統，或提高循環冷卻水的濃縮倍數，減少新水補充量和強制排污水量[1]。

循環冷卻水系統是指以水作為冷卻介質并循環使用的一種冷卻運行系統，并主要通過加入緩蝕阻垢劑來控制系統的腐蝕和結垢問題。目前，環境的負循環冷卻水中所使用的緩蝕阻垢劑還是以磷系藥劑為主。國內外生產的水處理劑大多為磷系產品，在大量水排出體系的同時，也排出了大量的磷，由此引起的水體富營養化現象日益嚴重[2]。為了減少水處理劑在應用過程中對環境和人類帶來的影響和危害，人們已經開始從源頭控制含磷污染物的產生和排放[3]。另外，磷系水處理劑在使用過程中存在易形成磷酸鹽垢的隱患，影響水冷器系統長期運行時的換熱效果[4]。因此，為了減少水處理劑在應用過程中對水系統和環境帶來的危害，減少藥劑中磷含量的投入或是使用無磷藥劑代替已是迫在眉睫。因此，新型的含有磺酸鹽的多元聚電解質阻垢分散劑為主的復配型低磷緩蝕阻垢劑，具有延緩金屬管道腐蝕、有優良的抑制水垢形成及分散螯合作用。筆者通過對循環水系統進行系統研究，緩蝕試驗和阻垢試驗進行篩選，研發出適用于鋼鐵廠循環冷卻水系統的專用無磷緩蝕阻垢劑配方。

1 試驗

1.1 試驗設備

分析天平、旋轉掛片儀、磁力攪拌器、數顯恒溫水浴鍋、顯微鏡等。

1.2 試驗方法

1.2.1 緩蝕性能試驗方法

試驗用水加入2 L 燒杯中，加入不同濃度的藥劑（空白不加），待試驗液達到所要求的試驗溫度后，置于旋轉掛片儀中，掛入預先處理過并已稱重的掛片，在50 ℃、70 r/min的條件下運行72 h，期間補充試驗水維持試驗液體積不變。

1.2.2 阻垢性能試驗方法

在250 mL燒杯中加入200 mL水，加入氯化鈣溶液，使鈣離子的量為120 mg，加入水處理藥劑試樣溶液，然后加入10 mL硼砂緩沖溶液，搖勻。最后加入一定體積的碳酸氫鈉標準溶液，使碳酸氫根離子的量為366 mg，用水稀釋至刻度，搖勻。空白除不加水處理劑試樣外，其它步驟一樣。將裝有空白和試樣的錐形瓶分別侵入（80±1 ℃）的恒溫水浴中，恒溫放置10 h。趁熱過濾，冷卻后滴定Ca2+濃度，并對形成的鈣垢進行烘干，在顯微鏡下觀察碳酸鈣垢的形態。

2 結果與討論

2.1 試驗用水情況

具體情況，見表1。

表1 試用水情況表

2.2 緩蝕性能試驗評判要求

具體情況，見表2。

表2 緩蝕劑性能評價指標

2.3 緩蝕性能試驗結果

2.3.1 不同藥劑配方的緩蝕性能結果

本次試驗根據不同的單體特性，配制了9個無磷緩蝕阻垢劑配方，使用柳鋼2#廢水站出水為試驗水，并參考目前現場循環水系統最佳的投加濃度進行統一投加，驗證不同配方的緩蝕性能，篩選較優配方。試驗結果，見圖1。

圖1 不同配方試驗后腐蝕率對比圖

由圖1柱形圖可知，在使用柳鋼2#廢水站出水為試驗水的前提下，在投加濃度為60 ppm結果為：所有配方的黃銅和不銹鋼腐蝕率均低于0.005 mm/a，符合指標要求。

試驗后的碳鋼掛片腐蝕率情況：2#配方、6#配方、8#配方的腐蝕率超過0.075 mm/a的要求；1#配方、3#配方腐蝕率在0.05 mm/a以上，接近限值；4#配方、5#配方、7#配方、9#配方腐蝕率較好，在0.035 mm/a以下。因此，優選出4#配方、5#配方、7#配方、9#配方進行下一步試驗。考慮不銹鋼材質掛片在不加藥劑的情況下均不產生腐蝕，因此，以下比對試驗均不對不銹鋼掛片進行懸掛。

2.3.2 4個配方的不同濃度對系統的影響

本次繼續使用柳鋼2#廢水站出水為試驗水的前提下，考察在不同藥劑濃度下，各配方對碳鋼和銅掛片的緩蝕效果。試驗結果，見圖2。

圖2 不同配方不同濃度碳鋼、黃銅腐蝕率對比

由圖2可知，在投加濃度為40 ppm時，7#配方和9#配方碳鋼腐蝕率超過0.075 mm/a的要求，4#配方和5#配方碳鋼腐蝕率均小于0.05 mm/a；投加濃度在50 ppm和60 ppm時，所有配方碳鋼掛片腐蝕率均達標。黃銅掛片在投加濃度為40～60 ppm之間時，腐蝕率均達標。因此，通過本次試驗，4#配方和5#配方在低濃度條件下效果最優，因此，篩選出4#配方、5#配方進行不同水質的性能試驗。

2.3.3 不同水質藥劑的緩蝕效果

在所有配方、所有水質均按照40 ppm的投加濃度前提下，考察藥劑配方在不同水體中對碳鋼和銅掛片的緩蝕效果，試驗結果，見圖3。

圖3 配方不同水質條件下碳鋼、黃銅腐蝕率對比

在投加濃度均為40 ppm的前提下，4#配方、5#配方在使用生活水作為試驗水時，碳鋼腐蝕率均小于0.03 mm/a，遠低于0.075 mm/a的標準要求；4#配方、5#配方在使用柳鋼1#廢水站作為試驗水時，碳鋼腐蝕率均小于0.035 mm/a，遠低于0.075 mm/a的標準要求；4#配方、5#配方在使用柳鋼2#廢水站作為試驗水時，碳鋼腐蝕率均小于0.045 mm/a，遠低于0.075 mm/a的標準要求；試驗所有配方的黃銅掛片腐蝕率均低于0.005 mm/a，均達到較好的緩蝕效果。試驗證明：在同等條件下，使用三種不同水質作為試驗水時，4#、5#配方的碳鋼、黃銅腐蝕率均達標。較好的為生活水，其次1#廢水站，第三為2#廢水站，說明無磷配方對低硬度的水質更具有較高的緩蝕作用。

2.4 阻垢性能試驗結果

在藥劑濃度相同的情況下，考察4#配方和5#配方的的阻垢性能，結果如下。

表3 緩蝕阻垢劑阻垢性能試驗結果

由表3、圖4可知，4#配方、5#配方可將水體中的鈣離子與碳酸根離子形成較為松散的片狀碳酸鈣垢，不易附著在管道上，在水流的沖擊下帶出管道，不易在管壁上產生結垢。由圖5可知，在100目顯微鏡下觀察試驗后形成的碳酸鈣垢的形態可知，未加有藥劑的碳酸鈣垢有長棒狀的透明晶體和不規則小塊狀的透明晶體；4#配方和5#配方形成的碳酸鈣垢為塊狀的形貌，這說明藥劑對碳酸鈣晶體的晶格具有畸變作用，加入藥劑改變了碳酸鈣垢的形態，從而產生了阻垢的效能。

圖4 阻垢性能試驗后效果圖

圖5 阻垢性能試驗后垢樣在100倍顯微鏡下效果圖

3 結語

通過不斷對自研無磷緩蝕阻垢劑配方進行試驗、調試，進行緩蝕性能和阻垢性能試驗進行驗證，優選出4#配方和5#配方2個低成本緩蝕阻垢劑配方。這兩個配方的腐蝕性能試驗在投加濃度為40 ppm時，使用生活水、1#廢水站出水、2#廢水站出水作為試驗水時，試驗后的碳鋼和銅掛片的緩蝕性能均能達到較優的水平；阻垢性能試驗在投加濃度為40 ppm時，也具有較好的阻垢性能。