摘要：某化工企业的循环水水质比较复杂，换热管中结垢较严重且已经出现腐蚀现象，严重影响了企业的正常生产。针对这一问题，采用不含磷、氮的原料马来酸(MA)和烯丙基磺酸钠(SAS)合成一种绿色环保型药剂MA/SAS。将其与药剂进行复配，采用静态阻垢实验及旋转挂片实验在企业循环水中测定复配药剂的阻垢性能和缓蚀性能。实验结果表明，该复配药剂应用于该化工企业的循环水系统后，有效抑制了结垢和腐蚀现象的发生，可以满足技术指标要求，为企业带来了一定的经济效益。

　　关键词：环保型水处理剂；循环水；阻垢；缓蚀

　　0引言

　　在工业上，循环冷却水在持续循环的过程中，随着水分的不断蒸发，系统中的盐类及其他离子逐渐浓缩，浓度随之增大，导致系统中出现结垢和腐蚀现象[1-7]。为确保整个循环水系统能够稳定且安全地运行，必须向系统中加入适当的水处理剂。

　　近年来，由于我国地下水开采过量以及水资源浪费现象日益严重，国家已出台了一系列政策措施，以保障水资源的合理利用。部分城市甚至已经开始禁止企业开采地下水作为循环水使用[8-12]。在此背景下，某化工企业积极响应国家号召，开始采用中水进行生产。然而，由于中水的成分相当复杂，该企业生产系统频繁因结垢现象而受到影响，导致生产效率下降[13-20]。因此，迫切需要开发一种合适的水处理药剂，以满足企业的生产需求。

　　本研究中，合成了一种环保型药剂MA/SAS，并将其与其他药剂进行复配。随后，在实验室中，使用企业现场的中水进行了实验，期望该药剂能够展现出良好的阻垢和缓蚀效果，从而为企业带来实际的经济效益。

　　1实验部分

　　1.1实验药品与仪器

　　主要实验药品：马来酸、烯丙基磺酸钠、亚硫酸氢钠、过硫酸铵、双氧水、PBTCA(2-磷酸基丁烷-1，2，4-三羧酸)等。

　　主要实验仪器：BSA423S-CW型电子天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；HH-S8型电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；Inspect S50型扫描电子显微镜，美国FEI公司；XYZK-A旋转挂片实验装置，高邮市新邮仪器厂。

　　1.2实验用水

　　对该企业的循环水水质进行分析，数据结果如表1所示。

　　1.3实验方法

　　1.3.1环保型药剂的合成

　　在四口烧瓶中加入一定质量的SAS和蒸馏水，在搅拌的状态下升温，直至温度达到95℃,然后将称重后的MA加入到系统中，等待系统升温至95℃,添加一定比例的引发剂过硫酸铵和链转移剂异丙醇，打开氮气阀门使得整个系统中不再有氧气后，将一定浓度的亚硫酸氢钠和双氧水在一定时间内滴加入系统。恒温维持6 h，最终得到黄色液体为产物MA/SAS。

　　1.3.2药剂阻垢性能的评定

　　评定药剂对企业循环水(中水)的阻碳酸钙垢作用时采用静态阻垢法，实验按照国家标准GB/T 16632—2019《水处理剂阻垢性能的测定碳酸钙沉积法》[21]进行，实验用水采用该企业现场的循环水。在实验用水中加入一定量的药剂，在水浴锅温度为80℃条件下，蒸发浓缩至2.0倍，恒温静置10 h后，用EDTA测定上层清液中的Ca2+浓度，阻垢率η的计算见如下公式。

　　式(1)中：Ca为实验原水中的Ca2+离子浓度(mg/L)；Ca为加入阻垢剂水样并且加热后的Ca2+浓度(mg/L)；Ca+为实验原水未加药剂加热后的Ca2+浓度(mg/L)。

　　1.3.3药剂分散性能的评定

　　在容器中加入一定浓度的配制水，其中含有钙离子10 mg/L、亚铁离子10 mg/L，然后在配制水中加入一定浓度的药剂。含有药剂的水溶液采用四硼酸钠调节pH值=9左右，磁力搅拌3 min，之后在50℃的恒温水浴锅中保温5 h，采用分光光度计测定清液的透光率，蒸馏水的透光率为100%。以此为基准，透光率越大说明液体中含有的杂质越少，容器底部会出现更多的沉淀，则说明该药剂的分散效果较差。

　　1.3.4药剂腐蚀率的测定

　　测定药剂的腐蚀率时是采用旋转挂片法，参照国标GB/T 18175—2014《水处理剂缓蚀性能的测定旋转挂片法》[22]，实验用水为企业循环水。将A3碳钢片(50 mm×25 mm×2 mm)悬挂于实验用水中，在40℃条件下以旋转速度75 r/min匀速旋转，这样更为接近实际的循环水运行条件，运行时间为72 h，以mm/a表示的腐蚀率X的计算方式如下：

　　式(2)中：W为碳钢片在旋转挂片试验前的重量(g)；W0为旋转挂片试碳钢片试片的重量(g)；A为碳钢试片的表面积(28 cm2)；D为碳钢试片的密度(7.850 g/cm3)；T为试验时间(72 h)，如表2所示。

　　1.3.5腐蚀试片表征

　　采用扫描电子显微镜对旋转挂片实验前和实验后的A3碳钢试片进行观察。可以清晰观察到试片表面的形貌及腐蚀程度。

　　2结果与讨论

　　2.1药剂的性能测试结果

　　2.1.1药剂的阻垢性能

　　将药剂MA/SAS应用于实验用水中，测定其不同添加浓度时的性能。其阻垢性能的测定结果，如图1所示。由图1可以看出，在加药量为0～20 mg/L的范围内，该环保型药剂的阻垢率随着加药量的增加不断增大，在药剂投加量达到20 mg/L时，其阻垢率达到了100%。随着药剂浓度的增加，阻垢效果呈平稳状态。

　　2.1.2药剂的分散性能

　　在循环水系统中，水体中的氧气或氢氧根会与Fe2+形成氧化铁，沉积在壁面上，使得垢下腐蚀更加严重，这会大大地降低整个系统的换热效率，也会影响设备及管道的使用期限。因此药剂的分散性能也显得至关重要，这对保障整个系统的正常运行很重要。由图2可以看出，在添加低浓度的药剂时，药剂的分散性能呈下降趋势，加药量在0～20 mg/L时，澄清液的透光率从97.60%降至37.80%，之后再增加加药量，透光率的下降趋势不再明显，药剂从20 mg/L下降至40 mg/L时，分散实验后上层清液的透光率仅从37.80%下降到了35.40%。

　　上述实验表明，在采用企业的循环水作为实验用水进行分散性实验时，该环保型药剂表现出了很好的分散性能。将氧化铁沉淀分散在系统中，随水流冲走，这将会大大降低垢下腐蚀发生的概率，对整个系统的长期运行起到了很积极的作用。

　　2.1.3药剂的腐蚀率

　　通过阻垢率和分散性能的测试，可以得出该药剂的投加量为20 mg/L时，其对碳酸钙的阻垢率和对氧化铁的分散性能都很优异。基于以上研究，在加药量为20 mg/L的条件下，测定该药剂的腐蚀率，图3为该药剂的腐蚀率测定结果。在MA/SAS共聚物的投加量为20 mg/L时，腐蚀率测定结果为0.205 6 mm/a，增加药剂投加到25 mg/L时，腐蚀率测定结果为1 156 mm/a。由此可以看出，在药剂阻垢和分散性能都表现很优异的情况下，其腐蚀率并不理想。

　　2.2复合配方的性能测试结果

　　由图3可知，药剂的投加量为25 mg/L时，其对碳钢的腐蚀率为0.115 6 mm/a，依然无法达到国标要求的小于0.075 mm/a，说明该药剂的缓蚀性能需要提高。因此，选择PBTCA、锌盐与合成的MA/SAS进行复配，希望提高其缓蚀性能，达到国家标准要求。对复配后的药剂进行阻垢、分散以及缓蚀性能的测试，在改变各组分浓度时得到其性能测定结果，如表3所示。数据显示，配方4、6、7的腐蚀率均小于0.075 mm/a，可以达到国标要求，且其对碳酸钙的阻垢率都可以达到100%，对氧化铁的分散性能也表现得很优异，这也说明了三种药剂之间的协同效果很好。

　　综合考虑配方中各种药剂的环保性能以及最终协同后的阻垢率和腐蚀率，最终选择第6组药剂组合作为最终的复配药剂，即环保型药剂MA/SAS添加量为20 mg/L，PBTCA投加量为15 mg/L和锌盐的投加量2 mg/L。

　　2.3腐蚀实验后的碳钢试片表征分析

　　将原始碳钢试片、空白溶液中的碳钢试片与第6组药剂组合的腐蚀实验中得到的碳钢试片进行电镜扫描分析，得到图4～图6电镜扫描分析结果。图4为原始的碳钢试片，图5为不添加药剂的空白溶液中得到的碳钢试片，图6为第6组实验(MA/SAS添加量为20 mg/L、PBTCA投加量为15 mg/L和锌盐的投加量2 mg/L)时得到的碳钢试片。由图4～图6可以看出，原始碳钢试片表面光滑、纹理清晰；空白溶液中的碳钢试片发生了很大的变化，表面有了很明显的腐蚀现象，原始碳钢试片上的机械纹理已经看不到了，被腐蚀后的现象掩盖；而加有复配药剂的实验中碳钢表面没有腐蚀现象，其纹理清晰可见，和原始碳钢片对比几乎没有变化，这也说明了该复合水处理药剂不仅具有很优异的阻垢性能和分散性能，其缓蚀性能也是相当优秀，它可以作为一种循环水用的阻垢分散缓蚀剂应用到工业循环水系统中。

　　3结论

　　(1)针对某化工企业的循环水系统采用中水的情况，首先合成了一种环保型药剂MA/SAS，经过一系列性能测试实验发现该药剂具有很优异的阻垢和分散性能，但是缓蚀性能需要提高。于是采用将其与其他两种药剂进行复配，通过静态阻垢实验与旋转挂片实验测定药剂的阻垢性能和腐蚀率，筛选出了更适合该企业循环水水质的阻垢分散缓蚀剂：MA/SAS的加入量为20 mg/L、PBTCA的加入量为15 mg/L、锌盐的添加量为2 mg/L，此时药剂的阻垢性能达到了100%，基本无垢，腐蚀率为0.068 5 mm/a，优于国家标准GB/T 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》[23]的要求。

　　(2)将旋转挂片实验得到的碳钢试片进行电镜分析，可以看出添加该复合水处理药剂后的溶液中的碳钢试片和原始碳钢试片相比基本没有变化，说明该水处理药剂确实具有优异的缓蚀性能。

　　(3)实验结果表明，该药剂应用后基本无垢产生，分散性能良好，其缓蚀效果也很优异，可以预计若将该药剂在企业循环水系统中进行应用，将会给企业带来良好的经济效益和环境效益。

　　(4)本文仅在实验室中针对复配的阻垢缓蚀剂于企业循环冷却水进行了应用，未来需要在企业的实际生产中进行应用，以研究该阻垢分散缓蚀剂的适用性。

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