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水處理防垢技術解讀
時間:2018-04-26來源:本站

水處理防垢技術解讀

 

北極星水處理網訊:冷、熱水系統中,換熱器、輸送管道、泵閥等設備的結垢現象十分普遍,水垢會縮短設備使用壽命、加快金屬腐蝕,導致維護費用增加,對設備的安全運行構成威脅,由此產生的經濟損失巨大,英、美兩國每年因結垢導致的經濟損失分別達15億、500億美元。因此解決系統的積垢問題具有重要意義。筆者對常用的水垢防治技術及其研究進展進行了綜述,并指出了水垢防治技術的發展方向,為后續研究提供一定的理論參考。

1水垢的形成

水垢是具有反常溶解度的難溶或微溶鹽,易在器壁尤其是金屬表面處析出沉積。其形成過程為:微細結晶在過飽和溶液中處于溶解-結晶的亞穩定狀態,結晶在器壁聚集黏附并有序長大,結成水垢。水垢是否形成主要取決于鹽類是否過飽和及其結晶的生長過程,與成垢離子、水質情況、器壁形態等密切相關。系統中的成垢離子越飽和、水的硬度越高,結垢傾向越嚴重;粗糙的金屬表面和雜質對結晶過程也有催化作用,會促進水垢析出。

大部分水垢外觀呈白色或灰白色,質硬且致密,以碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鈣鹽和硅酸鹽的鈣鎂鹽為主,其中最典型的是碳酸鈣垢,此外工業鍋爐中還可能產生鐵垢和銅垢等。

2水垢防治方法

水垢的防治方法有阻垢和除垢2種,前者是抑制或消除結垢,后者是對系統中已經形成的垢進行清除。

防垢方法有化學法、物理法、生物法、化學/物理法,筆者主要對化學法及物理法進行介紹。

2.1化學方法

化學防治方法主要有石灰軟化法、加堿沉淀法、碳化處理、加酸處理、離子交換軟化法和投加阻垢劑法等,前4種方法比較傳統,效果直接但耗費藥劑量大,產生的廢液需進行處理,應用成本較高,因此已逐漸淘汰。目前國內外較為先進的處理方法為離子交換軟化法和投加阻垢劑法。

2.1.1離子交換軟化法

離子交換軟化法采用鈉型陽離子交換樹脂對硬水進行處理,水中的Ca2+、Mg2+等與Na+發生交換,并與樹脂結合:

該方法可除去水中的Ca2+、Mg2+結垢離子,達到阻垢目的。離子交換法可以起到深度軟化水的效果,但是設備在使用過程中需重復再生。

2.1.2投加阻垢劑法

目前水處理系統中采用的阻垢劑主要為阻垢緩蝕劑和阻垢分散劑。阻垢緩蝕劑有無機聚合磷酸鹽、有機磷酸鹽,循環水系統多采用有機多元磷酸。阻垢分散劑主要是中、低分子質量的水溶性聚合物,包括均聚物和共聚物2大類,均聚物有聚丙烯酸、聚環氧琥珀酸、聚天冬氨酸及其鈉鹽等;共聚物的品種較多,以丙烯酸系和馬來酸系的二元或三元共聚物為主,還有磺酸類共聚物和含磷共聚物等。

由于水處理藥劑多為磷系,存在富營養化問題,易產生“赤潮”公害。隨著環保意識的增強,一些低磷、無磷的綠色阻垢劑成為國內外水處理領域的研究熱點。20世紀90年代開始即有綠色阻垢劑的開發研究,目前已有報道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及緩蝕性能,且具有可生物降解性,應用前景廣闊。

2.2物理方法

物理方法主要是利用電、磁、光、聲等技術阻垢或除垢,典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金屬材料換熱面、膜法水處理、靜電水處理、電子水處理、磁化處理和超聲波處理等。其中物理清洗只能清除已生成的老垢,但其操作簡單,適用于對控垢要求不高的場合;采用防腐阻垢涂料及非金屬換熱面可改變設備材料的表面性能,使成垢離子難以在接觸設備上沉積,達到阻垢目的,但由于施工復雜,應用場合受到限制。目前采用的典型物理方法有膜分離法、磁化處理法、靜電水處理法、電子水處理法、超聲波水處理法等。

2.2.1膜分離法

該方法以膜作為分離介質,通過膜兩側的推動力(壓力差、濃度差、電位差等)使水與微粒分離。膜法水處理主要有納濾和反滲透。反滲透法一般應用在鍋爐上,對硬度離子的去除率達到90%以上。納濾膜(孔徑1.0~3.0nm)可使水中大部分單價離子透過,而二價離子和高價離子如Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe3+等基本不透過,其硬度去除率能達到90%以上。

使用膜法除垢的最大問題之一是膜污染。在膜工作過程中,水中的微粒、膠體粒子或溶質大分子在膜面或膜孔內發生吸附、沉積,導致膜孔變小或堵塞,使膜產生透過流量和分離特性的不可逆變化,需進行重新清洗,處理成本增加。

2.2.2磁化處理法

磁化處理是利用磁場作用改變水質,影響成垢離子的溶解、結晶、聚合等過程,生成疏松的軟垢,防止硬垢產生,并使已成硬垢的方解石轉變成文石,隨污排走。

磁化處理根據磁源位置的不同可分為內磁式和外磁式。其中外磁式在檢修時不必停水及拆卸管道,也不易引起磁短路現象,具有更大的優越性。按磁場形成方式又可分為永磁式和電磁式。永磁式磁水器的優點是不耗電、結構簡單、操作維護方便,國內外應用較廣泛,但其磁場強度有賴于新型磁性材料和充磁技術的開發,且磁場強度一般不能調節,此外還存在隨時間延長或水溫提高而退磁的現象。電磁式磁水器耗電量大,但磁場強度容易調節,處理能力強、效率高,不受時間及溫度的影響,穩定性好,適宜在對水質要求較高的場合中使用。

盡管磁化防垢技術已有很大進展,而且在工業、農業和生物醫學領域中得到廣泛應用,但水系統的復雜性及多變性使得深入研究磁化水處理比較困難,目前磁化控垢機理尚未形成統一定論。大多數研究都是從各自的實驗結果出發,導致磁化阻垢除垢的應用設計缺乏有力依據,工作穩定性無法保證,影響其應用成功性。

2.2.3靜電水處理

靜電水處理器由高壓直流電源和水靜電化裝置組成。采用靜電水處理時將水通過高壓靜電場(3400~6000V),可改變水的分子結構或電子結構,使成垢離子不在器壁聚集,達到阻垢、溶垢的目的。高壓靜電場可使水生物的細胞壁發生破裂,因此其還具有較強的抑菌滅藻功能。靜電水處理存在一個作用時間,超過作用時間以后成垢離子仍會發生沉積,且需定期清理靜電水處理器過濾系統的垢渣。

2.2.4電子水處理

電子水處理與靜電水處理有很多共同點,其設備核心是電子水處理器。陽極為不溶性金屬電極,一般為鈦修飾電極,陰極一般采用鍍鋅無縫鋼管,電源為低壓直流或具有某種特定波形的低壓脈沖電源。待處理水從處理器下部進水口處進入,與金屬陽極接觸一段時間后,從上部出水口處流出。在接觸過程中,低壓電場可使粒子的水合程度和聚集狀況發生變化,改變水分子的自身狀態和締合程度,一方面增加了水的溶解能力、減少水垢形成,另一方面促進已形成的水垢逐漸松散、剝落,達到除垢的效果。徐浩等的研究顯示,電子水處理的阻垢率>90%。也有研究表明電子水處理還具有殺菌滅藻、緩蝕防腐的功效。但電子水處理技術研究起步晚,技術發展還不夠成熟,裝置性能不穩定,電極需定期或不定期清理。

2.2.5超聲波水處理

超聲波在介質中傳播時,會使媒質中的粒子間發生相互作用;當超聲波的機械能振動使粒子加速度達到一定值時,就會產生一系列物理和化學效應(高速微渦效應、剪切應力效應、超聲凝聚效應),從而起到防垢及除垢雙重作用。劉天慶等采用超聲-臭氧技術處理循環冷卻水系統中的生物垢,研究發現頻率為20kHz、振幅為20%的超聲波可有效抑制生物垢的形成,還可移除90%以上的已形成生物垢。超聲波阻垢除垢技術作為一種環保、先進的水處理技術已應用到電力行業、油田系統中,但其理論研究方面比較薄弱,尤其國內研究得不夠充分。

3結語

目前已發展的水垢防治方法各有所長,在實際應用中常需結合使用2種或2種以上的控垢方法。目前應用較多的是化學類防垢除垢方法,其操作簡單,除垢效果穩定,效率高,但藥劑及人工費用較高,且當處理不當或藥劑使用不當時都會導致設備和管道腐蝕,此外化學除垢藥劑對操作人員的健康也有一定損害,除垢處理后的廢液易對環境構成威脅,其發展受到一定限制。因此進一步開發生物降解性能好、除垢效率高且經濟易行的新型阻垢劑,將是今后水垢防治的重要研究方向之一。

物理防垢方法自動化程度高且操作簡單,在阻垢、殺菌和除藻等方面有一定效果,但處理強度較高的硬垢和腐蝕產物時效果一般不理想。物理防垢方法的作用機理尚不清楚,工作穩定性也有待提高,但其對環境危害小,適于大規模推廣應用,是水垢防治的一個重要研究方向,具有廣闊的發展前景。

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