有机膦酸和共聚物在阻垢作用中的协同效应

　

运用分形概念对几种常用有机膦酸阻垢剂PBTCA、HEDP、ATMP 和均聚物PAAS (聚丙烯酸钠) 及螯合剂EDTA (乙二胺四乙酸二钠) 进行了 分形评价,从几何形态上揭示了阻垢剂的阻垢机理及药剂间的协同效应,得出不同阻垢剂的阻垢性能与其分子结构有关的结论。一般认为,阻 垢作用受两个因素的影响,一是阻垢剂吸附在晶面的位置;其次是阻垢剂和晶体表面的化学键合程度。阻垢剂因吸附在晶面的活性生长点上而有 阻垢作用。因为HEDP 分子中碳原子上的2OH 基团可与CaCO3 垢形成氢键,键合程度比ATMP牢,导致CaCO3 晶形畸变更严重,垢形分维值增大,故 阻垢效果比ATMP好。另外,有机膦酸对晶面的吸附作用较强,而聚羧酸型阻垢剂对换热面上微晶的分散作用较强,二者复合可提高药效。但这 种协同效应在药剂浓度较小时并不明显,只有在药剂浓度大到一定程度时才表现出来。

有机膦酸对CaCO3的阻垢机理主要是化学吸附作用并导致CaCO3晶形严重畸变;而共聚物对CaCO3 的阻垢主要靠氢键和范 德华力等物理化学作用,两者各有侧重且联系紧密。在具体应用过程中,发现单一使用有机膦酸进行阻垢时,析出CaCO3 的颗粒较大且粗糙,易粘 附在器壁上;而与共聚物配合使用时,析出CaCO3的颗粒很细,易于流动。这也就是为什么在配方中必须把有机膦酸和共聚物分散剂协同使用的缘故。

另一现象是,有机膦酸在与共聚物配合使用时,共聚物性能的高低直接影响到配方使用的边界条件,例如,有机膦酸与丙烯酸均聚物( PAAS) 配方的循环水边界条件要求Ca2 + + M - 碱度≤600mg/L (均以CaCO3 计,以下同) ;有机膦酸与丙烯酸/ 丙烯酸酯二元或三元共聚物配方要求Ca2 + +M - 碱度≤900mg/ L ;而有机膦酸与丙烯酸/ 磺酸二元或三元共聚物配方则要求Ca2 + +M- 碱度≤1200mg/ L ,并且共聚物性能愈佳则其在配方中所占的比例就愈小。

化肥厂循环冷却水在选择复合配方时应注意以下两个问题:一是尽量少用易水解的聚合磷酸盐和不耐氯的有机膦酸作为阻CaCO3 垢的关键组 分,防止降解的正磷酸与循环水中已有的氨氮共同构成微生物的营养源。二是选择分散性能较好的二元或三元共聚物作为配方中的分散组分,可以提高水处理药剂的整体性能。

讨论

在非沸腾条件下,对传热面垢层生长起主要作用的是传热面上的晶体生长过程,即以按( Ⅰ)→( Ⅱ) 进行的过程 ,见图1。然而,传热面附近液层中尚存在一定数量的瞬时晶核,它们是处于 过渡状态的一种中介微晶粒子,通过相互间的聚结容易形成稳定的大颗粒并进而在传热面上沉积,从而对结垢亦有一定贡献,这就是按( Ⅲ) →( Ⅳ) 进行的过程。

有机膦酸和聚合磷酸盐主要通过抑制( Ⅰ) →( Ⅱ) 的反应链来阻垢,它们对CaCO3 晶体均具有良好的吸附作用,以其结构中的甲叉膦酸基团或0 = P - O- 结构单元提供配位电子与CaCO3 表面 晶格中Ca2 + 离子形成配位化学键,牢固地吸附在晶体表面,这种吸附优先发生在晶体表面的活性生长点处,从而起到了减缓结晶成垢的作用。而 聚羧酸型阻垢剂的阻垢效果还可通过对( Ⅲ) →( Ⅳ) 反应链的抑制作用实现。这类聚羧酸型阻垢剂在晶体表面的吸附作用不如有机膦酸或聚合磷 酸盐,而对微晶的分散作用却明显优于后两者。由于共聚物能有效地分散微晶,使其难于聚结,因而能抑制按( Ⅲ) →( Ⅳ) 反应链进行的结垢过程。

综上所述,有机膦酸与共聚物分散剂之间的协同效应主要是由于它们组成的复合配方同时抑制了( Ⅰ) →( Ⅱ) 及( Ⅲ) →( Ⅳ) 两个结垢子过程。