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一文读懂循环水阻垢缓蚀机理
来源: | 作者:工业水处理工作室 | 发布时间: 756天前 | 689 次浏览 | 分享到:
随着工业发展,尤其北方地区陆续出现供水紧张,近年来更为突出,由于水资源匮乏,已经严重影响着国民经济的发展,连生活用水都出现了危机。冷却水占工业用水主体,提高其重复利用率、循环使用是节水节能的必须手段,但是工业中循环水由于工艺条件所致造成的水质变化所产生的危害如腐蚀、结垢、菌藻、粘泥等问题,不得到解决,则无法进行安全生产,使工艺条件无法满足,带来管道堵塞,换热器穿孔,传热系数下降等严重的现实问题,致使生产无法正常进行,由此造成的工业损失常以亿计。下文对循环水足够缓蚀机理进行简单分析:
1、结垢的原因
  • 天然水中溶解有各种盐类,如重碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等,其中以溶解的重碳酸盐如Ca (HCO3)2和Mg (HCO3) 2最不稳定,受热容易分解生成碳酸盐。因此,如果使用重碳酸盐含量较多的水作为循环水,随着水温的升高会发生下列反应:Ca(HCO3)2→CaCO3↓+H20+CO2↑

  • 如果水中有磷酸盐时,将会生成磷酸钙, 2P043-+3Ca2+→Ca3(P04)2

  • 上述反应中生成的碳酸钙和磷酸钙均属微溶性盐,同时它们的溶解度随着温度的升高而降低,因此这些微溶性盐很容易达到过饱和状态并由水中结晶析出。当循环水流速较小或换热面较粗糙时,这些结晶沉淀物就容易沉积在传热表面上。此外水中溶解的硫酸钙、硅酸钙、硅酸镁等,当其离子浓度的乘积超过其本身溶度积时,也会生成沉淀,沉积在管道和换热面上。

  • 垢的产生会引起水冷设备换热效率下降,管线的阻力增大,导致循环水量减少或换热管的堵塞等。

  • 敞开式循环冷却水系统中影响结垢的主要因素是冷却水pH、Ca2+、 总碱度、水温、换热器表面温度、表面状态等。

2、阻垢机理
由于阻垢机理较复杂,目前对其看法尚不统-一, 归纳起来可分为以下几类:
  • 鳌合增溶作用:水溶性的阻垢分散剂分子能与水中离子形成鳌合物(如EDAT可与Ca2+、Mg2+形成鳌合物),而这种鳌合物往往是可溶于水的而提高了冷却水中Ca2+、Mg2+离子的允许浓度, 相对来说就增大了钙、镁盐的溶解度。例如CaSO4在25℃时的正常溶解度为2100mg/L,当加入微量的ATMP后,其水溶液含有6500 mg/L的CaSO4, 仍不产生沉淀。 

  • 凝聚与随后的分散作用:对于聚羧酸盐类聚合物阻垢剂,在水溶液中解离生成的阴离子在与CaCO3微晶碰撞时,会发生物理化学吸附现象而使微晶表面形成双电层。聚羧酸盐的链状结构可吸附多个相同电荷的微晶,它们之间的静电斥力可阻止微晶的相互碰撞,从而避免了大晶体的形成。在吸附产物又碰到其它聚梭酸盐离子时,会把已吸附的晶体转移过去,出现晶粒的均匀分散现象。从而阻碍晶粒间及晶粒与金属表面间的碰撞,减少溶液中的晶核数,进而将CaCO3稳定在水溶液中。 

  • 晶格畸变作用:水垢CaCO3微晶成长过程中,抑制剂被吸附在结晶成长格子中,此吸附作用会改变结晶正常形态,而阻碍其成长为较大晶体。由于晶格中吸附有阻垢分散剂分子,大大破坏了结晶的规整性,使结晶的晶格变形,导致水垢结晶的强度降低,变得较为松散而易被水流冲刷,使水垢从传热表面剥落。

  • 阈值效应:在水中投加几种阻垢剂(数量级为每升数毫克)可将,比按化学计量比高得多的钙离子稳定在水中。一般认为产生这一现象的原因在于阻垢剂的阴离子和金属阳离子的螯合作用并非按化学计量比而进行。而有些人则认为是由于CaCO3微晶吸附上阻垢剂后可抑制CaCO3晶体的析出。

3、腐蚀原因
  • 由于碳钢在冷却水接触过程中,会形成许多微小的腐蚀电池,从而受到腐蚀,其反应如下:

2Fe +02 +H20→Fe (OH)2;如果水中溶解氧比较充足,则Fe (0H)2,会进一步氧化成黄色的锈Fe0(OH)或Fe203H2O,如果水中溶解氧不充足会进一步氧化成绿色的水合Feg04H20或黑色的Fe304。但由于循环水经凉水塔曝气后,溶解氧充足,生成物大多为前者,即黄色的锈Fe0 (OH)。 
  • 按保护膜的类型可分为两种理论,即吸附理论和成膜理论。

①吸附理论认为,缓蚀剂之所以能阻止、延缓金属的腐蚀,是由于缓蚀剂通过物理和化学吸附在金属表面,减小了介质与金属表面接触的可能性,从而达到缓蚀的效果。
②成膜理论认为,缓蚀剂与金属作用生成氧化膜(或钝化膜),或与介质中的离子反应生成沉淀膜,以及通过特性集团吸附在金属表面形成吸附膜,从而起到抑制金属腐蚀的目的。
(1)氧化膜型缓蚀剂的典型例子是铬酸盐和亚硝酸盐,它们使钢铁表面氧化,生成主要成份为γ -Fe2O3的保护膜,其厚度通常为几十A,从而抑制了钢铁的腐蚀。
(2)沉淀膜型缓蚀剂的典型例子是硫酸锌和碳酸氢钙等,沉淀膜的厚度一般都比钝化膜厚,约为几百到- -A,其致密性和附着力都比钝化膜差,所以保护效果比氧化膜型缓蚀剂要差。
(3)吸附膜型缓蚀剂的例子有硫脲和乌洛托品等,它们能吸附在金属表面,形成一层屏蔽层或阻挡层,从而抑制了金属的腐蚀。吸附膜是分子级的厚度较氧化膜为薄。
21世纪的主题是绿色,水资源的危机推动水回用的发展,工业循环水必将面临着节水与资源化的双重压力,这对循环水处理剂提出了更高的要求,水处理剂也会成为重要的开发方向。