磷酸过滤机结垢结晶的简单介绍

冷、 热水系统中 磷酸过滤机结垢结晶，换热器、 输送管道、 泵阀等设备的结垢现象十分普遍 〔1〕磷酸过滤机结垢结晶，

水垢会缩短设备使用寿命 、加快金属腐蚀，导致维护费用增加 ，对设备的安全运行构成威胁，由此产生的经济 损失巨大 ，英、美两国每年因结垢导致的经济损失分别达 15 亿 、500 亿美元。 因此解决系统的积垢问题具有重要意义。博泰达水处理公司对常用的水垢防治技术及其研究进展进行了综述，并指出了水垢防治技术的发展方向，为后续研究提供一定的理论参考。

　　1 水垢的形成

　　水垢是具有反常溶解度的难溶或微溶盐，易在器壁尤其是金属表面处析出沉积。其形成过程为 磷酸过滤机结垢结晶：微细结晶在过饱和溶液中处于溶解-结晶的亚稳定状态，结晶在器壁聚集黏附并有序长大，结成水垢 。水垢是否形成主要取决于盐类是否过饱和及其结晶的生长过程，与成垢离子、水质情况、器壁形态等密切相关。系统中的成垢离子越饱和、水的硬度越高，结垢倾向越严重 ; 粗糙的金属表面和杂质对结晶过程也有催化作用 ，会促进水垢析出 。

　　大部分水垢外观呈白色或灰白色，质硬且致密，以碳酸盐、硫酸盐、磷酸钙盐和硅酸盐的钙镁盐为主，其中最典型的是碳酸钙垢，此外工业锅炉中还可能产生铁垢和铜垢等。

　　2 水垢防治方法

　　水垢的防治方法有阻垢和除垢 2 种，前者是抑制或消除结垢，后者是对系统中已经形成的垢进行清除。 防垢方法有化学法、物理法、生物法、化学/物理法，笔者主要对化学法及物理法进行介绍 。

　　2.1 化学方法

　　化学防治方法主要有石灰软化法、加碱沉淀法、碳化处理、加酸处理、离子交换软化法和投加阻垢剂法等 ，前 4 种方法比较传统，效果直接但耗费药剂量大，产生的废液需进行处理 ，应用成本较高 ，因此已逐渐淘汰 。 目前国内外较为先进的处理方法为离子交换软化法和投加阻垢剂法 。

　　2.1.1 离子交换软化法

　　离子交换软化法采用钠型阳离子交换树脂对硬水进行处理 ，水中的 Ca2+、Mg2+等与 Na+发生交换，并与树脂结合：

　　该方法可除去水中的 Ca2+、Mg2+结垢离子，达到阻垢目的。 离子交换法可以起到深度软化水的效果 ，但是设备在使用过程中需重复再生。

　　2.1.2 投加阻垢剂法

　　目前水处理系统中采用的阻垢剂主要为阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂 。 阻垢缓蚀剂有无机聚合磷酸盐、 有机磷酸盐，循环水系统多 采用有机多元磷酸 。阻垢分散剂主要是中、低分子质量的水溶性聚合物 ，包括均聚物和共聚物 2 大类 ，均聚物有聚丙烯酸、 聚环氧琥珀酸、 聚天冬氨酸及其钠盐等 ; 共聚物的品种较多 ，以丙烯酸系和马来酸系的二元或三元共聚物为主，还有磺酸类共聚物和含磷共聚物等。

　　由于水处理药剂多为磷系 ，存在富营养化问题，易产生“赤潮 ”公害 。 随着环保意识的增强，一些低磷、无磷的绿色阻垢剂 成为国内外水处理领域的研究热点 。 20 世纪 90 年代开始即有绿色阻垢剂的开发研究 〔2〕，目前已有报道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及 缓蚀性能 ，且具有可生物降解性，应用前景广阔 〔3〕。

　　2.2 物理方法

　　物理方法主要是利 用电、磁、光、声等技术阻垢或除垢 ，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属材料换热面、膜法水处理、静电水处理、 电子水处理、 磁化处理和超声波处理等 。其中物理清洗只能清除已 生成的老垢 ，但其操作简单 ，适用于对控垢要求不高的场合 ; 采用防腐阻垢涂料及非金属换热面可改变设备材料的表面性能 ，使成垢离子难以在接触设备上沉积 ，达到阻垢目的 ，但由于施工复杂 ，应用场合受到限制 。 目前采用的典型物理方法有膜分离法、磁化处理法、静电水处理法、 电子水处理法、 超声波水处理法等。

　　2.2.1 膜分离法

　　该方法以膜作为分离介质 ，通过膜两侧的推动力 ( 压力差、 浓度差、 电位差等) 使水与微粒分离。 膜法水处理主要有纳滤和反渗透。 反渗透法一般应用在锅炉上，对硬度离子的去除率达到 90%以上 〔4〕。 纳滤膜( 孔径 1.0~3.0 nm) 可使水中大部分单价离子透过，而二价离子和高价离子如 Ca2+、Mg2+、SO42- 、Fe3+ 等基本不透过，其硬度去除率能达到 90%以上 〔5〕。

　　使用膜法除垢的最大问题之一是膜污染。 在膜工作过程中 ，水中的微粒、 胶体粒子或溶质大分子在膜面或膜孔内发生吸附、沉积 ，导致膜孔变小或堵塞，使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化，需进行重新清洗，处理成本增加 。

　　2.2.2 磁化处理法

　　磁化处理是利用磁场作用改变水质 ，影响成垢离子的溶解、结晶、聚合等过程 ，生成疏松的软垢 ，防 止硬垢产生，并使已成硬垢的方解石转变成文石〔6〕，随污排走。

　　磁化处理根据磁源位置的不同可分为内磁式和外磁式 。 其中外磁式在检修时 不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路现象，具有更大的优越性。 按磁场形成方式又可分为永磁式和 电磁式 〔7〕。 永磁式磁水器的优点是不耗电、结构简单、操作维护方便 ，国内外应用较广泛 ，但其磁场强度有赖于新型磁性材料和充磁技术的开发，且磁场强度一般不能调节，此外还存在随时间延长 或水温提高而退磁的现象 。电磁式磁水器耗电量大，但磁场强度容易调节，处理能力强、 效率高，不受时间及温度的影响 ，稳定性好，适宜在对水质要求较高的场合中使用 。

　　尽管磁化防垢技术已有很大进展 ，而且在工业、农业和生物医学领域中 得到广泛应用 ，但水系统的复杂性及多变性使得深入研究 磁化水处理比较困难，目前磁化控垢机理尚未形成统一定论。 大多数研究都是从各自的实验结 果出发 ，导致磁化阻垢除垢的应用设计缺乏有力依据 ，工作稳定性无法保证，影响其应用成功性。

　　2.2.3 静电水处理

　　静电水处理器由高压直流电源和水静电化装置组成 。 采用静电水处理时将 水通过高压静电场( 3 400~6 000 V)，可改变水的分子结构或 电 子 结构 ，使成垢离子不在器壁聚集，达到阻垢、溶垢的目的 。 高压静电场可使水生物的细胞壁发生破裂 ，因此其还具有较强的抑菌灭藻功能 〔8〕。 静电水处理存在一个作用时间 ，超过作用时间以后成垢离子仍会发生沉积 ，且需定期清理静 电水处理器过滤系统的垢渣 。

　　2.2.4 电子水处理

　　电子水处理与静电水处理有很多共同点 ，其设备核心是电子水处理器 。 阳极为不溶性金属电极 ，一般为钛修饰电极 ，阴极一般采用镀锌无缝钢管 ，电源为低压直流或具有某种 特定波形的低压脉冲电源 。 待处理水从处理器下部进水口 处进入 ，与金属阳极接触一段时间后 ，从上部出水口处流出 。 在接触过程中 ，低压电场可使粒子的水合程度和聚集状况发生变化 ，改变水分子的自身 状态和缔合程度 〔9〕，一方面增加了水的溶解能力、减少水垢形成，另一方面促进已形成的水垢逐渐松散、 剥落，达到除垢的效果 。 徐浩等 〔10〕的研究显示 ，电子水处理的阻垢率 > 90%。 也有研究表明电子水处理还具有杀菌灭藻、 缓蚀防腐的功效 〔11〕。 但电子水处理技术研究起步晚 ，技术发展还不够成熟，装置性能不稳定 ，电极需定期或不定期清理。

　　2.2.5 超声波水处理

　　超声波在介质中传播时 ，会使媒质中的粒子间发生相互作用 ; 当超声波的机械能振动使粒子加速度达到一定值时 ，就会产生一系列物理和化学效应( 高速微涡效应、剪切应力效应、超声凝聚效应 ) 〔12〕，从而起到防垢及除垢双重作用 。 刘天庆等 〔13〕采用超声 -臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢 ，研究发现频率为 20 kHz、 振幅为 20%的超声波可有效抑制生物垢的形成，还可移除 90%以上的已形成生物垢。 超声波阻垢除垢技术作为一种环保、 先进的水处理技术已应用到电力行业、 油田系统中 ，但其理论研究方面比较薄弱 ，尤其国内研究得不够充分。

　　3 结语

　　目前已发展的水垢防治方法各有所长，在实际应用中常需结合使用 2 种或 2 种以上的控垢方法 。目前应用较多的是化学类防垢除垢方法，其操作简单，除垢效果稳定 ，效率高，但药剂及人工费用较高，且当处理不当或药剂使用不当时都会导致设备和管道腐蚀，此外化学除垢药剂对操作人员的健康也有一定损害 ，除垢处理后的废液易对环境构成威胁，其发展受到一定限制 。 因此进一步开发生物降解性能好、 除垢效率高且经济易行的新型阻垢剂 ，将是今后水垢防治的重要研究方向之一 。

　　物理防垢方法自动化程度高且操作简单 ，在阻垢、 杀菌和除藻等方面有一定效果 ，但处理强度较高的硬垢和腐蚀产物时效果一般不理想 。 物理防垢方法的作用机理尚不清楚，工作稳定性也有待提高，但其对环境危害小 ，适于大规模推广应用 ，是水垢防治的一个重要研究方向 ，具有广阔的发展前景。