羧酸基型阻垢剂在纺织厂空调喷淋水系统中的性能研究
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作者:马婧洁 颜苏芊 苗苗 杨进岗
摘 要：针对纺织厂喷淋水的水质特点，自主合成羧酸基型阻垢剂，并研究其在纺织厂空调喷淋水系统的实际性能。采用电镜扫描和模拟喷淋水系统的方法，发现该阻垢剂有较大的比表面积，在与垢体发生碰撞时能够进行较好的物理化学吸附，阻碍垢体的形成;当投加的阻垢剂质量浓度为5 mg/L时，其动态性能达到最佳，随着运行时间增长，喷淋水的水质总硬度有所上升，后趋于稳定，钙硬度先上升后小幅下降，总碱度、电导率在运行初期，呈现急剧上升趋势，后较稳定，pH值随运行时间上下起伏;对比常用的yc2655型阻垢剂，该阻垢剂能有效控制喷淋水的总碱度和电导率，避免发生腐蚀。
关键词：纺织厂;喷淋水;阻垢剂;动态性能;硬度
Abstract：Based on the water quality characteristics of spray water in textile mills， carboxylic acid scale inhibitors were synthesized， and their practical performances in air conditioning spray water system in textile mills were studied. Studies with scanning electron microscopy and simulating spray water system showed that the scale inhibitor had a large specific surface area， and performed well in physical and chemical adsorption at the time of colliding with scale to hinder the formation of scale. The scale inhibitor could achieve the best dynamic performance if the mass concentration reached 5 mg/L. The total hardness of spray water increased with the passage of time， and then tended to be stable. Calcium hardness increased first and then decreased slightly. Total alkalinity and conductivity increased sharply at the beginning of operation， and then tended to stabilize. pH value fluctuated during operation. Compared with common yc2655 scale inhibitor， the synthesized scale inhibitor can control the total alkalinity and conductivity of spray water effectively， and avoid corrosion.
Key words：textile mill; spray water; scale inhibitor; dynamic performance; hardness
纺织行业属于一个高能耗的行业，其生产成本日渐提高，导致企业利润严重下降[1]。其中空调能耗占纺织企业的动力消耗比重相当大，其设备用电量约占企业总用电量的20%～30%，用水量更高，甚至占到了总用水量的60%～70%[2]。纺织空调中的喷淋水系统，在长期循环使用的过程中，喷淋水中的各种离子和矿物质浓度增加，且水中带有飞花、短纤维等，常常会引起管路、设备结垢和腐蚀等问题，使得喷淋水系统运行效率下降，严重时还会导致生产事故的发生，给企业带来损失[3-4]。
目前国内对纺织空调喷淋水系统进行治理，一般采用转笼过滤器和砂石过滤水池，能够去除水中的大颗粒物及飞花纤维等，但对于一些易导致结垢和腐蚀问题的离子，还需通过化学方法进行处理。通过对国内外研究现状的了解，投加阻垢剂的方法可有效实现对纺织喷淋水的处理，解决喷淋水的水质问题，从而获得适合车间需求的生产用水[5-8]。
本研究对自主研发的羧酸基型阻垢剂进行表征说明，将该阻垢剂投加于咸阳地区纺织厂空调喷淋水中，通过测定总硬度、钙硬度、总碱度、电导率及pH值，对该阻垢剂的动态性能作出评价，并与常用的yc2655型阻垢剂对比分析，为解决喷淋水系统的结垢、腐蚀问题提供参考。
1 羧酸基型阻垢剂的合成与表征
1.1 羧酸基型阻垢劑的合成
根据纺织厂喷淋水的特点，通过自由基溶液共聚合反应合成含有羧酸基、磺酸基、羟基、酯基的共聚物阻垢剂，即羧酸基型阻垢剂。羧酸基型阻垢剂的合成步骤如下：
a）将13.01 g衣康酸、4.12 g烯丙基磺酸钠、2.8 mL甲基丙烯酸羟乙酯、2.01 g叔丁醇，于200 mL蒸馏水中溶解，置于三口烧瓶中;
b）称取过硫酸铵于100 mL蒸馏水中溶解，置于恒压滴液漏斗中;
c）开启恒温水浴，升温至90 ℃，打开磁力搅拌器加入转子，当温度达到90 ℃时，架上回流冷凝管，恒温匀速滴加过硫酸铵，控制滴加速度，在2 h内滴完;
d）滴加完毕后使反应釜中物料维持温度在90 ℃，保温2 h;
e）冷却至室温后出料，制得淡黄色的透明液体，即为羧酸基型阻垢剂溶液。
1.2 羧酸基型阻垢剂的表征
就阻垢剂而言，含磷阻垢剂的使用由于磷的存在而受到了一定限制，聚天冬氨酸作为一种环境友好型绿色阻垢剂，其合成成本高且制作工艺复杂，综合使用性不高。因此，对提纯后呈白色粉末状的羧酸基型阻垢剂进行电镜扫描，如图1所示。 由图1可以看出，羧酸基型阻垢剂的比表面积较大，有利于阻垢剂充分、完全地吸附在垢体上，使得在微晶表面形成双电子层且带有负电荷。随着微晶表面负电荷密度的增大，使得微晶粒子间的排斥力变大，能够减少微晶间的碰撞，阻碍垢体的形成。
为进一步说明羧酸基型阻垢剂的效果，对咸阳某纺织厂喷淋水系统中管壁上的垢体进行采样，图2、图3分别为加入阻垢剂前、后垢体的SEM图。
图2中，未加入羧酸基型阻垢剂的垢体表面光滑完整，主要是因晶体在生长过程中按照一定的晶格排列，使其呈立方体结构，且结构致密、坚硬。图3中，加入羧酸基型阻垢剂后的垢体结构发生了破坏，因晶体的生长受到了阻垢剂的严重干扰，发生了畸变，呈畸形扭曲的状态且质地较为疏散。由于羧酸基型阻垢剂能够吸附在垢体上，致使结垢晶体间的排斥力变大，无法形成致密、坚硬的垢层，破坏晶体的生长速度，降低了垢体生成的概率。同时，羧酸基型阻垢剂能与成垢离子相結合，形成较为稳定的螯合物，并且增大成垢盐类的溶解度，将成垢离子稳定在水中，避免形成垢体。
2 实验台的搭建
纺织空调系统主要由风窗、风机、喷水室、风道等设备组成，其中，喷水室又称喷淋室，具体工作流程为：空气依次进入一级喷淋室和两级喷淋室，冷水则先进入两级喷淋室，从两级喷淋室水池中抽出后，进入一级喷淋室完成喷淋。另外，喷水方式大多采用双排对喷形式，水雾覆盖断面较大，即增大空气与水的接触时间，提高换热效率。
根据纺织喷淋水系统的构成及工作原理，准备管材、水泵及塑料膜等搭建实验台，进行喷淋水的循环模拟，如图4所示。
实验台由一个容积为45 L的水箱、一台潜水泵、喷淋排管、一个喷嘴、支架及塑料膜组成。其中，水泵参数为：功率0.37 kW，扬程20 m，流量5 m3/h，管网均采用UPVC材料管道，内径为Φ40，喷嘴采用孔径5 mm、喷水量0.5 m3/h的靶式撞击流喷嘴。
3 动态性能的分析
对咸阳地区纺织厂喷淋水取样，通过实验台模拟喷淋水系统的循环，探究羧酸基型阻垢剂的动态性能。根据实验台水箱容积及喷嘴喷水量，计算得到循环周期为5.4 min，连续实验10 d，期间进行阻垢剂质量浓度的调节（0、1、3、5、7、9 mg/L）。
参照GB/T 29044—2012《采暖空调系统水质》中对循环水系统水质的要求，选择总硬度、钙硬度、总碱度、电导率、pH值5项指标作为关键性指标，来较全面地反映喷淋水的水质问题，表1为各指标的规范值。
3.1 总硬度
水硬度是表明水质情况的一个重要指标，总硬度指水中钙、镁等离子的总浓度，硬度与纺织空调喷淋水系统的运行有关，是形成水垢及影响空调喷淋效果的主要因素，不同运行时间下喷淋水总硬度变化如图5所示。
投加羧酸基型阻垢剂后，喷淋水的总硬度随运行时间呈现波动变化，整体上先小幅增长，后趋于稳定。由于运行时间的累积，羧酸基型阻垢剂与喷淋水的螯合作用不断加强，在运行过程中释放出游离态的结垢离子，易达到阻垢的效果，因此使得总硬度上升。当阻垢剂与喷淋水充分反应完毕，总硬度不再上升，基本上处于平稳状态。当阻垢剂投加质量浓度为5 mg/L时，喷淋水的总硬度达到最大，此时阻垢剂的性能最好。
3.2 钙硬度
钙硬度指水中钙离子的含量，与纺织空调喷淋水系统的运行有关，是形成水垢及影响空调喷淋效果的主要因素，不同运行时间下喷淋水钙硬度变化如图6所示。
喷淋水钙硬度先上升后小幅下降，阻垢剂与喷淋水的螯合作用先增强后减弱，释放出的钙离子的数量慢慢减少，当钙硬度增长到一定程度后阻垢作用失效，钙硬度下降。阻垢剂投加质量浓度为5 mg/L时，喷淋水的钙硬度变化大于其他情况，表明该质量浓度下羧酸基型阻垢剂对喷淋水的阻垢效果更好，能在喷淋水系统运行过程中分散、释放更多的钙离子，以达到阻止钙垢的形成。
3.3 总碱度
总碱度反映的是水中能与酸发生反应的物质的量，例如氢氧根、碳酸盐、重碳酸盐及一些弱酸盐类和氨等，水中常见的碱性物质，都能与酸反应，能够表明水系统的结垢倾向，同时也可作为辅助指标，反映设备、管道等的腐蚀情况，不同运行时间下喷淋水总碱度变化如图7所示。
喷淋水的总碱度在整体上随着时间的增长呈现变化，前3 d的上升速率较快，后趋于平稳状态，有小幅波动。随着投加质量浓度的增大，总碱度有所上升，在达到5 mg/L时，总碱度得到一定控制，随着阻垢剂与喷淋水的充分反应，总碱度有所上升。总的来说，羧酸基型阻垢剂对喷淋水总碱度的影响较大，阻垢剂与喷淋水的反应，使得总碱度在整个运行过程中一直符合规范。
3.4 电导率
电导率反映了水中含盐量的多少，是水的纯净程度的一个重要指标，当水中有沉淀析出即结垢现象严重时，电导率值会急剧下降。同时，电导率的大小与腐蚀性息息相关，电导率越大，腐蚀性越强，不同运行时间下喷淋水电导率变化如图8所示。
喷淋水的电导率随时间发生变化，运行初期呈现大幅增长的趋势，中后期电导率基本趋于稳定，有小幅波动。在阻垢剂投加质量浓度为5 mg/L时，喷淋水电导率小于其他质量浓度，电导率在一定程度上得到了控制，不再大幅上升，基本上处于平稳状态。
3.5 pH值
pH值（也称氢离子浓度指数）反映水溶液酸碱性的强弱，可作为纺织空调喷淋水系统中腐蚀程度的一个指标，不同运行时间下喷淋水pH值变化如图9所示。
投加羧酸基型阻垢剂后，喷淋水的pH值随着喷淋水的不断蒸发浓缩有小幅增长，并且随着阻垢 剂投加质量浓度的增加而上升。投加阻垢剂后，pH值在循环过程中始终符合规范。
4 与常用阻垢剂的对比分析
目前纺织企业常用yc2655型阻垢剂改善空调喷淋水水质，将羧酸基型阻垢剂与yc2655型阻垢剂进行对比实验。当阻垢剂投加质量浓度为5 mg/L时，喷淋水水质趋于稳定时的各项指标如表2所示。 当喷淋水水质趋于稳定时，投加了羧酸基型阻垢剂的喷淋水总硬度和钙硬度均大于投加了yc2655型阻垢剂的喷淋水，说明羧酸基型阻垢剂能在喷淋水系统运行过程中分散、释放更多的结垢离子，以达到阻止水垢形成的目的。与此同时，喷淋水的总碱度和电导率有小幅上涨，但均符合表1中有关规范标准，而投加了yc2655型阻垢剂的喷淋水的总碱度和电导率高于规范值，引发或加重管道及设备的腐蚀可能性增大。
5 结 论
通過对自主研发的羧酸基型阻垢剂进行表征分析，并搭建实验台探究其在纺织喷淋水系统运行的动态性能，得到如下结论：
a）该阻垢剂有较大的比表面积，在与垢体发生碰撞时能够较好进行物理化学吸附及改变垢体的结构形态，从而抑制垢体的生长、沉积，具有良好的阻垢性能，且其合成成本较低，具有一定优势。
b）探究不同投加量下羧酸基型阻垢剂的动态性能，当羧酸基型阻垢剂质量浓度为5 mg/L时，阻垢剂动态性能最佳，喷淋水水质得到较大改善。
c）投加羧酸基型阻垢剂后的一段时间内，喷淋水总硬度有所上升，后趋于稳定;钙硬度先上升后小幅下降;总碱度、电导率在运行初期呈现急剧上升趋势，后较稳定;pH值随运行时间上下波动。
d）相比较于市面上常见的yc2655型阻垢剂，羧酸基型阻垢剂的阻垢效果更加显著，而且能将喷淋水的总碱度、电导率控制在规范标准内，避免发生管道及设备的腐蚀问题。
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