水處理劑(俗稱水質穩定劑),是用于工業循環冷卻水系統的一大類精細化工產品,包括阻垢劑、分散劑、緩蝕劑、混凝劑、助凝荊、殺生劑、清洗劑和消泡劑等,廣泛應用于化工、冶金、化纖、制藥、發電、石油開采和其它任何需應用循環冷卻水的工業部門,文中只介紹其中的前三類。
中國水處理劑的研究開發已取得一定成果,尤其是近年來,陸續開發出的新型水處理劑,填補了國內空白[1]。但由于國內水處理劑的工業發展歷史較短,基礎相對薄弱,與國外相比,技術落后,整體水平不高。因此,隨著全球環保意識的提高,國內水處理劑的開發,應以性能良好、無毒、無污染、多功能、環保高效的水處理劑為主要研究方向。
1.1 絮凝劑
絮凝劑在水處理中具有重要的作用[2]。它可以用來降低水的濁度、色度等感觀指標,去除多種高分子有機物、某些重金屬和放射性物質。低分子無機鹽類絮凝劑主要有鋁鹽和鐵鹽,目前工業應用很少。無機高分子絮凝劑與傳統的鐵鹽相比,具有凝聚性好、絮凝體形成速度快、密集、質量大、沉降速度快等優點,而且比有機高分子絮凝劑價格低廉。它在技術上經歷了從單一品種到多品種、從單組分到多組分、從一般功能到特殊功能或多功能的發展過程,品種有聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚***鐵、聚合***鐵鋁等。有機高分子混凝劑投加量少,一般在2×10-6以下,效果好,形成的絮體大,而且強度大,不易破碎,不增加泥量,降低熱值,無腐蝕性。常用的有機絮凝劑有:聚丙烯酞胺、聚丙烯酸鈉、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸鹽等,其中聚丙烯酞胺的應用最多,占有機高分子絮凝劑的80%左右。而這一類絮凝劑由于存在著生物降解難、殘留單體有毒等問題,限制了它的應用。復合型絮凝劑能克服使用單一絮凝劑的許多不足,適應范圍廣,對有色廢水、多種工業廢水,都有良好的凈水效果,脫污泥性能好, pH使用范圍大。然而復合型絮凝劑在有機合成制備上,手續復雜,成本較高,并有可能存在二次污染。目前,復合絮凝劑由工業化生產和使用的品種還比較少,應用比較成功的有TS系列無機復合型高效混凝劑和CAF復合型絮凝劑。今后的研究應用,應著眼于優化絮凝劑的制備工藝,改進產品的性能和穩定性;同時根據特定的水質成分,開發相應的絮凝劑品種和配方;并結合高效混合反應器和智能化投藥監控技術,進一步提高絮凝效果。復合型混凝劑以其高效價廉的優勢,必將迅速發展。對于天然高分子,需解決其電荷密度小、分子量低、不穩定、溶解性不好等問題,今后可發展性能更優的絮凝劑。
1.2 阻垢劑
最早的阻垢分散劑是聚丙烯酸(鈉),它對碳酸鈣垢有良好的阻垢性能,但對磷酸鈣沉積的抑制作用極低。此類聚梭酸型阻垢劑,不僅有凝聚和分散作用,還有使晶體在生長過程中發生晶格歪曲的作用,從而阻礙了金屬傳熱面上的垢層的牢固沉積。后來發現,丙烯酸共聚物對二者的抑制能力極佳,因而逐漸取代了聚丙烯酸(鈉)。有機多元磷酸鹽是陰離子型緩蝕劑,也是非化學當量螯合型阻垢劑,對鈣、鎂、鋅、鐵等離子不僅具有明顯的低限制作用,而且對其它藥劑還有協同作用,廣泛用于冷卻水的處理中。有機磷酸醋屬于陽離子型緩蝕劑,阻垢機理主要是晶格畸變。它是一種對金屬鐵的緩蝕劑,但也有控制鈣垢的作用;用量比磷酸鹽要小并能水解,因此不存在藥劑量的積累和排污問題,水解產物可以被生物降解。近年來,國內分散劑有長足的發展,目前,人們特別注目的是將磺酸基團引人聚合物分子中,以增加阻垢劑的分散能力。使用這類聚合物可使總硬度達到1 000×10-6(碳酸鈣)以上,拓寬了水處理劑的應用范圍。此外,中國還探索在聚合物分子中引進酰胺、羥基、氨基、羧基等。
1.3 緩蝕劑
主要的緩蝕劑品種有無機鹽類、有機鹽類和芳香唑類,主要有鉻酸鹽/磷酸鹽/硫酸鋅/硅酸鹽/鉬酸鹽/鎢酸鹽和有機磷酸鹽。東南大學研究了一系列新型的以鎢酸鹽、鎢雜多酸鹽絡合物的過氧化物為主體的緩蝕劑,對高氯高鹽水有較好的緩蝕阻垢效果。芳香唑類是用于銅及其合金的緩蝕劑,國內常用的是苯并三氮唑和巰基苯并三唑,生物高分子聚天冬氨酸對環境無害,被譽為綠色緩蝕劑。
中國的緩蝕劑品種很多,如磷酸鹽、鉻酸鹽、硝酸鹽等,其中鉻酸鹽因其毒性大而被淘汰,磷酸鹽則占據著重要地位[3]。磷酸鹽較好地解決了冷卻水系統產生碳酸鈣垢的問題,但是有機多元磷酸不能有效地抑制磷系和磷鋅系水處理配方中產生的磷酸鈣垢、鋅垢和其他垢類。同時隨著世界各國對污水磷排放的規定,也限制了它的使用。從20世紀90年代起,無磷或低磷型循環水處理劑在國內外得到了快速發展,代表性產品有磷酞基竣酸、多氨基多竣基甲叉磷酸等,大分子的有有機磷類和聚天冬氨酸、肉桂醛類等無磷緩蝕阻垢劑,及相應的復合配方。它們的特點是,對鈣的容忍度較高,能穩定鋅、鐵離子,適合在苛刻的水質條件下應用,基本不含磷或含磷較低。
綠色水處理劑及其清潔化生產,是水處理劑研究的必然發展趨勢,但目前僅有阻垢劑與緩蝕劑在綠色化上取得了一定發展,而絮凝劑作為最主要的且用量最多的藥劑,在目前所使用的無機與有機絮凝劑中,還存在著二次污染問題,而且容易對人體健康造成重大的傷害,因此,應加大其綠色化進程的研究開發。在開發過程中,以天然產物如農、林產品作為原料,輔以W /W乳液聚合技術,使生產和使用過程中均實現綠色化,并且無二次污染的產生。同時加強對微生物絮凝劑的研究開發,并對微生物絮凝劑分子結構和性能的關系、絮凝基團的定位、工程菌的組建、培養基成本及工業發酵的可行性研究等問題,進行進一步的研究,從而開發出更具潛力的微生物絮凝劑[4]。
水資源貧乏一直是中國面臨的一大難題,尤其是近年來隨著國內經濟的迅速發展,用水量急劇上升,水資源的污染也日趨嚴重。工業水處理技術對于節約水資源、減少水污染、延長設備使用壽命等,具有重要意義。因此,隨著工業水處理及環境保護要求的不斷提高,國內的水處理劑品種不斷豐富,性能不斷提高。 按照可持續發展的要求,水處理技術的綠色化進程將會加快,開發研制適合環境保護需求的無磷或低磷、非氮和可生物降解的綠色水處理劑,將成為工業水處理領域中最主流的研究方向。研究應從三個方面著手: 一是盡量選擇天然品為原料,在合成路線上盡量實現原子經濟性;二是對水處理劑的開發,引進分子設計和計算機模擬,向分子中插入氧原子,就可能獲得既具優良的阻垢作用,又容易生物降解的產品; 三是從綠色理念出發,重視生產過程對環境的影響,改進水處理劑的生產工藝,開發研制適合環境保護需求的低磷、非氮和可生物降解的多功能綠色水處理劑,這將成為工業水處理領域中最主流的研究方向。
[參考文獻]
[1]韓 晶.我國水處理劑的研究與應用現狀[J].精細石油化工, 2001(5): 38-42.
[2]張秋禹.綠色水處理劑的研究與應用[ J].安徽大學學報,2006, 30(1): 89-92.
[3]廖江芬.我國水處理劑的研究現狀[ J].環保與安全, 2004(10): 39-44.
[4]唐 瓊,張新申,李正山.有機絮凝劑的研究現狀及其應用前景[J].中國皮革, 2005(10): 33-34.
