水处理剂(俗称水质稳定剂),是用于工业循环冷却水系统的一大类精细化工产品,包括阻垢剂、分散剂、缓蚀剂、混凝剂、助凝荆、杀生剂、清洗剂和消泡剂等,广泛应用于化工、冶金、化纤、制药、发电、石油开采和其它任何需应用循环冷却水的工业部门,文中只介绍其中的前三类。
中国水处理剂的研究开发已取得一定成果,尤其是近年来,陆续开发出的新型水处理剂,填补了国内空白[1]。但由于国内水处理剂的工业发展历史较短,基础相对薄弱,与国外相比,技术落后,整体水平不高。因此,随着全球环保意识的提高,国内水处理剂的开发,应以性能良好、无毒、无污染、多功能、环保高效的水处理剂为主要研究方向。
1.1 絮凝剂
絮凝剂在水处理中具有重要的作用[2]。它可以用来降低水的浊度、色度等感观指标,去除多种高分子有机物、某些重金属和放射性物质。低分子无机盐类絮凝剂主要有铝盐和铁盐,目前工业应用很少。无机高分子絮凝剂与传统的铁盐相比,具有凝聚性好、絮凝体形成速度快、密集、质量大、沉降速度快等优点,而且比有机高分子絮凝剂价格低廉。它在技术上经历了从单一品种到多品种、从单组分到多组分、从一般功能到特殊功能或多功能的发展过程,品种有聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚***铁、聚合***铁铝等。有机高分子混凝剂投加量少,一般在2×10-6以下,效果好,形成的絮体大,而且强度大,不易破碎,不增加泥量,降低热值,无腐蚀性。常用的有机絮凝剂有:聚丙烯酞胺、聚丙烯酸钠、聚氧乙烯、聚乙烯胺、聚乙烯磺酸盐等,其中聚丙烯酞胺的应用最多,占有机高分子絮凝剂的80%左右。而这一类絮凝剂由于存在着生物降解难、残留单体有毒等问题,限制了它的应用。复合型絮凝剂能克服使用单一絮凝剂的许多不足,适应范围广,对有色废水、多种工业废水,都有良好的净水效果,脱污泥性能好, pH使用范围大。然而复合型絮凝剂在有机合成制备上,手续复杂,成本较高,并有可能存在二次污染。目前,复合絮凝剂由工业化生产和使用的品种还比较少,应用比较成功的有TS系列无机复合型高效混凝剂和CAF复合型絮凝剂。今后的研究应用,应着眼于优化絮凝剂的制备工艺,改进产品的性能和稳定性;同时根据特定的水质成分,开发相应的絮凝剂品种和配方;并结合高效混合反应器和智能化投药监控技术,进一步提高絮凝效果。复合型混凝剂以其高效价廉的优势,必将迅速发展。对于天然高分子,需解决其电荷密度小、分子量低、不稳定、溶解性不好等问题,今后可发展性能更优的絮凝剂。
1.2 阻垢剂
最早的阻垢分散剂是聚丙烯酸(钠),它对碳酸钙垢有良好的阻垢性能,但对磷酸钙沉积的抑制作用极低。此类聚梭酸型阻垢剂,不仅有凝聚和分散作用,还有使晶体在生长过程中发生晶格歪曲的作用,从而阻碍了金属传热面上的垢层的牢固沉积。后来发现,丙烯酸共聚物对二者的抑制能力极佳,因而逐渐取代了聚丙烯酸(钠)。有机多元磷酸盐是阴离子型缓蚀剂,也是非化学当量螯合型阻垢剂,对钙、镁、锌、铁等离子不仅具有明显的低限制作用,而且对其它药剂还有协同作用,广泛用于冷却水的处理中。有机磷酸醋属于阳离子型缓蚀剂,阻垢机理主要是晶格畸变。它是一种对金属铁的缓蚀剂,但也有控制钙垢的作用;用量比磷酸盐要小并能水解,因此不存在药剂量的积累和排污问题,水解产物可以被生物降解。近年来,国内分散剂有长足的发展,目前,人们特别注目的是将磺酸基团引人聚合物分子中,以增加阻垢剂的分散能力。使用这类聚合物可使总硬度达到1 000×10-6(碳酸钙)以上,拓宽了水处理剂的应用范围。此外,中国还探索在聚合物分子中引进酰胺、羟基、氨基、羧基等。
1.3 缓蚀剂
主要的缓蚀剂品种有无机盐类、有机盐类和芳香唑类,主要有铬酸盐/磷酸盐/硫酸锌/硅酸盐/钼酸盐/钨酸盐和有机磷酸盐。东南大学研究了一系列新型的以钨酸盐、钨杂多酸盐络合物的过氧化物为主体的缓蚀剂,对高氯高盐水有较好的缓蚀阻垢效果。芳香唑类是用于铜及其合金的缓蚀剂,国内常用的是苯并三氮唑和巯基苯并三唑,生物高分子聚天冬氨酸对环境无害,被誉为绿色缓蚀剂。
中国的缓蚀剂品种很多,如磷酸盐、铬酸盐、硝酸盐等,其中铬酸盐因其毒性大而被淘汰,磷酸盐则占据着重要地位[3]。磷酸盐较好地解决了冷却水系统产生碳酸钙垢的问题,但是有机多元磷酸不能有效地抑制磷系和磷锌系水处理配方中产生的磷酸钙垢、锌垢和其他垢类。同时随着世界各国对污水磷排放的规定,也限制了它的使用。从20世纪90年代起,无磷或低磷型循环水处理剂在国内外得到了快速发展,代表性产品有磷酞基竣酸、多氨基多竣基甲叉磷酸等,大分子的有有机磷类和聚天冬氨酸、肉桂醛类等无磷缓蚀阻垢剂,及相应的复合配方。它们的特点是,对钙的容忍度较高,能稳定锌、铁离子,适合在苛刻的水质条件下应用,基本不含磷或含磷较低。
绿色水处理剂及其清洁化生产,是水处理剂研究的必然发展趋势,但目前仅有阻垢剂与缓蚀剂在绿色化上取得了一定发展,而絮凝剂作为最主要的且用量最多的药剂,在目前所使用的无机与有机絮凝剂中,还存在着二次污染问题,而且容易对人体健康造成重大的伤害,因此,应加大其绿色化进程的研究开发。在开发过程中,以天然产物如农、林产品作为原料,辅以W /W乳液聚合技术,使生产和使用过程中均实现绿色化,并且无二次污染的产生。同时加强对微生物絮凝剂的研究开发,并对微生物絮凝剂分子结构和性能的关系、絮凝基团的定位、工程菌的组建、培养基成本及工业发酵的可行性研究等问题,进行进一步的研究,从而开发出更具潜力的微生物絮凝剂[4]。
水资源贫乏一直是中国面临的一大难题,尤其是近年来随着国内经济的迅速发展,用水量急剧上升,水资源的污染也日趋严重。工业水处理技术对于节约水资源、减少水污染、延长设备使用寿命等,具有重要意义。因此,随着工业水处理及环境保护要求的不断提高,国内的水处理剂品种不断丰富,性能不断提高。 按照可持续发展的要求,水处理技术的绿色化进程将会加快,开发研制适合环境保护需求的无磷或低磷、非氮和可生物降解的绿色水处理剂,将成为工业水处理领域中最主流的研究方向。研究应从三个方面着手: 一是尽量选择天然品为原料,在合成路线上尽量实现原子经济性;二是对水处理剂的开发,引进分子设计和计算机模拟,向分子中插入氧原子,就可能获得既具优良的阻垢作用,又容易生物降解的产品; 三是从绿色理念出发,重视生产过程对环境的影响,改进水处理剂的生产工艺,开发研制适合环境保护需求的低磷、非氮和可生物降解的多功能绿色水处理剂,这将成为工业水处理领域中最主流的研究方向。
[参考文献]
[1]韩 晶.我国水处理剂的研究与应用现状[J].精细石油化工, 2001(5): 38-42.
[2]张秋禹.绿色水处理剂的研究与应用[ J].安徽大学学报,2006, 30(1): 89-92.
[3]廖江芬.我国水处理剂的研究现状[ J].环保与安全, 2004(10): 39-44.
[4]唐 琼,张新申,李正山.有机絮凝剂的研究现状及其应用前景[J].中国皮革, 2005(10): 33-34.
