摘　要:綜述工業(yè)水處理劑的研究現(xiàn)狀,展望其發(fā)展方向,并對(duì)武鋼水處理劑的應(yīng)用情況進(jìn)行簡要分析, 指出發(fā)展多功能和綠色水處理劑是未來工業(yè)水處理劑的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:工業(yè)水處理劑;多功能;綠色;研究現(xiàn)狀

水處理劑是工業(yè)用水、生活用水和廢水處理 過程中所需的化學(xué)藥劑。經(jīng)過這些化學(xué)藥劑的處 理,它可以使水的質(zhì)量達(dá)到一定的要求。其主要 作用是控制水垢、污泥的形成,減少泡沫,減少與 水接觸材料的腐蝕,除去水中懸浮固體和有毒物 質(zhì),除臭、脫色、軟化和穩(wěn)定水質(zhì)等;根據(jù)其作用可 分為緩蝕劑、阻垢劑、絮凝劑、殺菌滅藻劑等[1]。

1　研究現(xiàn)狀與方向

1.1　絮凝劑

絮凝劑在水處理中具有很重要的作用。它可 以用來降低水的濁度、色度等感觀指標(biāo),去除多種 高分子有機(jī)物、某些重金屬和放射性物質(zhì)。

低分子無機(jī)鹽類絮凝劑主要有鋁鹽和鐵鹽, 目前工業(yè)應(yīng)用很少。無機(jī)高分子絮凝劑與傳統(tǒng)的 鐵鹽相比,具有凝聚性好、絮凝體形成速度快、密 集質(zhì)量大、沉降速度快等優(yōu)點(diǎn),而且比有機(jī)高分子 絮凝劑價(jià)格低廉。它在技術(shù)上經(jīng)歷了從單一品種 到多品種、從單組份到多組份、從一般功能到特殊 功能或多功能的發(fā)展過程,品種有聚合氯化鋁、聚 合硫酸鐵、聚氯硫酸鐵、聚合氯化硫酸鐵鋁等。

有機(jī)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(qiáng)度大,不 易破碎,不增加泥量,降低熱值,無腐蝕性。常用 有機(jī)絮凝劑有:聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚氧乙 烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸鹽等,其中聚丙烯酰胺 的應(yīng)用最多,占有機(jī)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(yīng)用。

復(fù)合型絮凝劑能克服使用單一絮凝劑的許多 不足,適應(yīng)范圍廣,對(duì)有色廢水、多種工業(yè)廢水都 有良好的凈水效果,脫污泥性好,pH使用范圍 大。然而復(fù)合型絮凝劑在有機(jī)合成制備上手續(xù)復(fù) 雜,成本較高,并有可能存在二次污染。目前,復(fù) 合絮凝劑有工業(yè)化生產(chǎn)和使用的品種還比較少, 應(yīng)用比較成功的有TS系列無機(jī)復(fù)合型高效混凝劑和CAF復(fù)合型絮凝劑。 今后的研究應(yīng)用應(yīng)著眼于優(yōu)化絮凝劑的制備 工藝,改進(jìn)產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性;同時(shí)根據(jù)特定的 水質(zhì)成分開發(fā)相應(yīng)的絮凝劑品種和配方;并結(jié)合 高效混合反應(yīng)器和智能化投藥監(jiān)控技術(shù),進(jìn)一步 提高絮凝效果[2]。復(fù)合型混凝劑以其高效價(jià)廉的 優(yōu)勢(shì)必將迅速發(fā)展,對(duì)于天然高分子,解決其電荷 密度小、分子量低、不穩(wěn)定、溶解性不好等問題,可 發(fā)展性能更優(yōu)的絮凝劑。

1.2　緩蝕劑

我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(jù)著重要地位。磷酸鹽較好解決了冷卻水 系統(tǒng)產(chǎn)生碳酸鈣垢的問題,但是有機(jī)多元膦酸不 能有效地抑制磷系和磷鋅系水處理配方中產(chǎn)生的 磷酸鈣垢、鋅垢和其他垢類。同時(shí),隨著世界各國 對(duì)污水磷排放的規(guī)定,也限制了它的使用。

從20世紀(jì)90年代起,無磷或低磷型循環(huán)水 處理劑在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展,代表性產(chǎn)品有 膦酰基羧酸、多氨基多羧基甲叉膦酸等大分子有 機(jī)膦類和聚天冬氨酸、肉桂醛類等無磷緩蝕阻垢 劑及相應(yīng)的復(fù)合配方。它們的特點(diǎn)是對(duì)鈣的容忍 度較高,能穩(wěn)定鋅、鐵離子,適合在苛刻的水質(zhì)條 件下應(yīng)用,基本不含磷或含磷較低。如中石化的 Qs-l6水穩(wěn)劑、腐植酸鈉等。

鉬酸鹽、鎢酸鹽緩蝕性能良好且低毒,但成本 高,用量偏大。如何降低成本,增強(qiáng)效能將是今后 的研究方向。硅酸鹽緩蝕劑價(jià)廉、無毒,但會(huì)生成 硅垢,尋找一種阻止硅垢生成的分散劑將是關(guān)鍵。

1.3　阻垢分散劑

最早的阻垢分散劑是聚丙烯酸(鈉),它對(duì)碳 酸鈣垢有良好的阻垢性能,但對(duì)磷酸鈣沉積的抑 制作用極低。此類聚羧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(fā)生晶格歪 曲的作用,從而阻礙了金屬傳熱面上垢層的牢固 沉積。后來發(fā)現(xiàn)丙烯酸共聚物對(duì)二者抑制能力極 佳,因而逐漸取代了聚丙烯酸(鈉)。有機(jī)多元膦 酸鹽是陰離子型緩蝕劑,也是非化學(xué)當(dāng)量螯合型 阻垢劑,對(duì)鈣、鎂、鋅、鐵等離子不僅具有明顯的低 限制作用,而且對(duì)其它藥劑還有協(xié)同作用,廣泛用 于冷卻水處理中。有機(jī)膦酸酯屬于陽離子型緩蝕 劑,阻垢機(jī)理主要是晶格畸變。它是一種對(duì)金屬 鐵的緩蝕劑,但也有控制鈣垢的作用;用量比膦酸 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(chǎn)物可以被生物降解。

自20世紀(jì)80年代以來,人們相繼開發(fā)了磺 酸基團(tuán)和磷酸基團(tuán)共聚物的新產(chǎn)品,它們具有很 好的阻垢和分散能力,并有一定的緩蝕作用。梁 海燕等[3]合成了含膦基、羧基和磺酸基的共聚物。 它兼有機(jī)膦酸、羧酸和磺酸基團(tuán)的優(yōu)點(diǎn),在水中既 有良好的阻碳酸鈣垢和磷酸鈣垢能力,又有好的 顆粒分散性,可認(rèn)為是一種多功能的藥劑,能廣泛 用于鋼鐵、冶金、化工等行業(yè)的工業(yè)循環(huán)冷卻水以 及鍋爐用水等領(lǐng)域。

1.4　殺生劑

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國內(nèi)循環(huán)冷卻水殺生劑有近 80種,分為兩類:一為氧化型殺生劑;一為非氧化 型殺生劑,包括某些表面活性劑。

氧化型殺生劑主要有氯類、溴類、臭氧類等, 其中以氯類為主。氯氣作為殺生劑在過去很長一 段時(shí)間里占主導(dǎo)地位,但由于其使用水體PH條 件的局限性和國家對(duì)排放水余氯的控制,用氯受 到限制。二氧化氯殺生劑在循環(huán)冷卻水處理中越 來越受到青睞,這是因?yàn)樗昧可?藥效持久,不 與水中的氨和大多數(shù)胺類起作用,殺菌效果不受 pH值影響,很適宜堿性水處理系統(tǒng)。含溴類殺 生劑,目前我國尚處于開發(fā)階段,僅有小批量生 產(chǎn),正在試用階段。

非氧化型殺生劑,過去用得比較多的是酚類, 但由于毒性較大,使用受到限制。季銨鹽類殺生 劑最常用的是潔爾滅,其特點(diǎn)是具有適應(yīng)pH范 圍廣,分散、滲透能力強(qiáng)和無積累毒性等優(yōu)點(diǎn)。二 硫氰基甲烷不易溶于水,所以在使用時(shí),通常要與 一些特殊的分散劑和滲透劑共同使用�？司鷱�(qiáng)是 美國Rolm-Hass公司開發(fā)進(jìn)入中國市場(chǎng)的殺菌 劑,主要成分為異噻唑啉酮類。它是一種高效、廣 譜殺生劑。

1.5　其他輔助劑

為了更好發(fā)揮水處理劑的功效,還需要一系 列與水處理劑配套使用的藥劑,如清洗劑、消泡 劑、除氧劑、含油浮選劑、預(yù)膜劑等。這些輔助劑 大多是復(fù)配產(chǎn)品,與水處理劑有顯著的協(xié)同作用。 例如清洗劑,一般都為表面活性劑的復(fù)配產(chǎn)物,有 時(shí)也可作為緩蝕劑、螯合劑的復(fù)配產(chǎn)物。預(yù)膜劑 有六偏磷酸鈉與硫酸鋅配方的,也有將運(yùn)行的水 處理劑加大濃度至10~30倍用作預(yù)膜劑的。

2　多功能水處理劑與綠色水處理劑

多功能水處理劑是一類具有一劑多效的水處理劑。如聚毗啶和聚喹啉的季銨鹽衍生物,具有 緩蝕、殺菌、絮凝等多種功能。聚鹵代醇噻啉季銨 鹽的絮凝能力較強(qiáng),特別適用于選礦作業(yè)中有用 礦石與水的分離,同時(shí)還具有一定的殺菌和緩蝕 作用。聚季噻嗪可用作絮凝劑、緩蝕劑、殺菌劑 等。高鐵酸鉀[4]是一種集氧化、吸附、絮凝、助凝、 殺菌、除臭為一體的新型高效多功能水處理劑,它 以其獨(dú)特的水處理功能吸引著越來越多的學(xué)者從 事其制備工藝的研究及應(yīng)用開發(fā),具有十分廣闊 的開發(fā)前景。

所謂綠色水處理劑,是指其制造過程是清潔 的,在使用過程中對(duì)人體的健康和環(huán)境沒有毒性, 并可以生物降解成對(duì)環(huán)境無害的水處理劑。目前 國內(nèi)外研究和應(yīng)用的綠色水處理劑主要有聚天冬 氨酸類、聚環(huán)氧琥珀酸類、烷基環(huán)氧羧酸類、天然 高分子類四個(gè)方向。湯谷平、梁志群等為改善聚 天冬氨酸的阻垢性能,引入一些新的官能團(tuán),合成 了一系列聚天冬氨酸衍生物及其復(fù)配物,并對(duì)其 性能進(jìn)行了比較。聚環(huán)氧琥珀酸類阻垢活性較 高,具有良好的生物降解性能,并適用于高堿度、 高硬度水系,但其單一的羧基官能團(tuán)阻磷酸鈣垢、 硅酸鈣垢、硅酸鎂垢及分散鐵的能力并不理想。 國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)通過研究PESA的生產(chǎn)工藝,率先 在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),產(chǎn)品性能優(yōu)越。烷基環(huán) 氧羧酸類與少量無機(jī)鹽(磷酸鹽或鋅鹽等)復(fù)配 時(shí),對(duì)碳鋼具有緩蝕作用,用于高pH、高堿度、高 硬度、高濃縮倍數(shù)的冷卻水系統(tǒng),且對(duì)環(huán)境損害很 小。天然高分子綠色水處理劑大多數(shù)性能不穩(wěn) 定,藥劑用量大,阻垢和分散效果不及合成聚合物 阻垢劑,亦有報(bào)道[5]衍生后效果不錯(cuò)的,但其來源 廣、價(jià)廉、可生物降解,并可通過對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以 制備經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的聚合物阻垢劑。因此,它 是一類開發(fā)前景好的綠色緩蝕阻垢劑。

3　水處理劑在武鋼的應(yīng)用

武鋼作為國內(nèi)特大型的鋼鐵聯(lián)合企業(yè),從采 礦到軋鋼的每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開水,工業(yè)循環(huán)冷 卻水、冶煉廢水只有經(jīng)過水處理劑的處理才能減 少在使用過程中產(chǎn)生的腐蝕、結(jié)垢及菌藻滋生等 多種危害,避免對(duì)自然界水體的污染。武鋼水處 理藥劑的用量相當(dāng)大,費(fèi)用從2001年的1 265.79 萬元上升到2004年的3 824.31萬元,到2005年 已接近5 000萬元。目前使用的水處理劑及其應(yīng) 用領(lǐng)域如表1。

由表1可以看出,武鋼目前使用的水處理劑 以生產(chǎn)工藝成熟、價(jià)格相對(duì)低廉的品種為主,從水 質(zhì)監(jiān)測(cè)的結(jié)果來看,基本能滿足主體廠礦生產(chǎn)用 水和環(huán)保的要求。一些新生代的水處理劑在武鋼 的應(yīng)用極少,一方面是因?yàn)樾律乃幚韯┥?產(chǎn)廠家少,而且價(jià)格一般較高,大量使用會(huì)大大增 加企業(yè)水處理的成本;另一方面是由于有些水處 理劑需要特定的工藝設(shè)備系統(tǒng),若不對(duì)水處理工 藝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整,就無法使藥效最大化,甚至比不 上常規(guī)品種。近幾年,武鋼技改步伐加快,主體廠 新建成的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的要求都很高,對(duì) 水處理技術(shù)和藥劑提出了更高的要求。目前,能 動(dòng)公司對(duì)照寶鋼、邯鋼等兄弟企業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),實(shí) 行“水處理劑技術(shù)協(xié)作總承包”的管理模式,即由 廠家對(duì)水處理方案、藥劑的選擇、投用及水質(zhì)達(dá)標(biāo) 全盤負(fù)責(zé),能動(dòng)公司只負(fù)責(zé)水質(zhì)的監(jiān)督,這樣既能 保證能動(dòng)公司水處理劑費(fèi)用的降低,也便于廠家 根據(jù)武鋼特定水質(zhì)開發(fā)和使用一些新型的性價(jià)比更高的水處理藥劑。

4　結(jié)　語

我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,對(duì)水處理劑的需求將 越來越大。從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略出發(fā),多功能和綠 色化無疑是21世紀(jì)水處理劑發(fā)展的中心戰(zhàn)略。

因此,有必要做到以下幾點(diǎn):

(1)要正確理解綠色水處理劑的概念,不能一 味追求水處理藥劑的無磷、非氮等純粹綠色概念, 對(duì)某些含磷的水溶性共聚物或低磷、微磷的水處 理藥劑配方,也可以稱為綠色水處理劑或準(zhǔn)綠色 水處理劑并鼓勵(lì)使用;

(2)要注重藥劑的作用機(jī)理、協(xié)同效應(yīng)等基礎(chǔ) 理論的研究,在不斷提高、完善現(xiàn)有品種的生產(chǎn)技 術(shù)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)開發(fā)國內(nèi)空白又確屬需求的新 品種,尤其要加強(qiáng)多功能水處理藥劑的研究;

(3)要重點(diǎn)研究那些原料是天然品或原料來 源廣泛的藥劑,如天然高分子綠色水處理劑、鉬酸 鹽、鎢酸鹽緩蝕劑等,通過分子修飾或改進(jìn)生產(chǎn)工 藝以克服其性能不好和成本較高等問題;

(4)水處理藥劑的快速發(fā)展,對(duì)于武鋼這樣一 些水處理藥劑用量非常大的企業(yè),應(yīng)加快水處理 系統(tǒng)工藝的優(yōu)化,以使藥效最大化;同時(shí),根據(jù)武 鋼特定水質(zhì)改良現(xiàn)有品種或開發(fā)新品種,以滿足 水質(zhì)的要求。

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