中等硬度水缓蚀阻垢剂TH-628的性能及应用研究

贺茂才，田忠伟，任泽旭，高灿柱

（1.山东省泰和水处理有限公司，山东 枣庄277100；2.山东大学 环境科学与工程学院，山东 济南250100）

我国水资源极度匮乏，人均占有率仅为世界平均水平的四分之一，而且水资源时空分布不匀。而近年来，随着我国经济的快速发展，工业用水量日益增长，水资源短缺和水污染问题日益显现，节约用水已成为我国可持续发展的必然趋势。其中对占工业用水量70%～80%的冷却水进行浓缩循环使用是一项节水、节能、减排、降耗的有效措施[1，2]。

目前，国内工业循环冷却水处理设计规范要求浓缩倍数一般不小于3倍。而对于长江流域、秦岭淮河流域、西南地区、华北地区和东北地区的补充水经浓缩3倍后其水质多为中等硬度水，所以中等硬度水的使用区域和行业非常广泛。因此，为解决中等硬度循环水的腐蚀和结垢问题，满足市场的应用需要，同时使产品的应用更有针对性，本课题组经多次试验和现场应用，研制了中等硬度水缓蚀阻垢剂TH-628，并实现了大规模工业化生产、销售并应用于工业循环冷却水系统[2-4]。而目前文献中关于中等硬度水的性能和应用研究鲜有报道，因此，本课题组对中等硬度水缓蚀阻垢剂TH-628的性能和应用进行了深入研究。

本文通过试验分别考察了不同药剂浓度下TH-628、ATMP和HEDP的静态CaCO3阻垢率（国标GB/T 16632-2008），通过与ATMP和HEDP的对比，来说明TH-628优异的阻垢性能[5]。此外，通过梯度浓缩试验考察了在不结垢的情况下，TH-628对中等硬度水所能达到的最高钙硬加总碱之和。此外，还参照GB/T 18175-2000标准分别考察了TH-628对碳钢和铜材质的缓蚀效果[6]。结果说明：与ATMP和HEDP相比，TH-628对中等硬度水具有较优异的阻垢效果，同时对碳钢、铜材质具有良好的缓蚀作用，符合GB50050-2007标准要求。

此外，通过在东北一家电厂进行了现场应用，证明TH-628在中等硬度循环冷却水中具有良好的阻垢和缓蚀效果。系统运行6个月后，电厂循环水系统运行良好，循环水管道及凝汽器管壁未发现明显的结垢和腐蚀现象。

此外，HEDP、ATMP等常规有机膦缓蚀阻垢剂因其含磷量高（以磷元素计分别为30.1%、31.1%），已很难适应环保要求。而TH-628的含磷量仅为ATMP或HEDP含磷量的二分之一，而缓蚀和阻垢性能更优异，符合目前水处理药剂的绿色环保的发展方向[7，8]。

1 阻垢剂的组成

中等硬度水缓蚀阻垢剂TH-628主要由多种有机膦羧酸、聚羧酸、含磺酸盐共聚物、缓蚀剂等物质组成，对水中的碳酸钙、磷酸钙等均有很好的螯合分散作用，利用有机膦酸盐和缓蚀剂在金属表面形成的保护膜起到缓蚀作用对碳钢、铜具有良好的缓蚀效果[4，7]。中等硬度水缓蚀阻垢剂TH-628主要用于循环冷却水系统的缓蚀阻垢，如电厂、化工厂、中央空调等循环冷却水系统。其阻垢力强、缓蚀效果好，可实现高浓缩倍率下运行。

2 实验部分

2.1 材料与仪器

试 验 用 NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgSO4、NaCl、EDTA-Na2、四硼酸钠、浓HCl等试剂均为分析级；水为蒸馏水；阻垢缓蚀剂TH-628（30%）、ATMP（50%）和HEDP（50%）均为山东省泰和水处理有限公司产品。

预膜试验仪器（江苏高邮仪器厂）；RCC-I型旋转挂片腐蚀测定仪。

2.2 试验方法

TH-628、ATMP和HEDP的静态CaCO3阻垢试验参考GB/T 16632-2008《水处理剂阻垢性能的测定-碳酸钙沉积法》，通过投加一系列浓度的TH-628、ATMP和HEDP，来考察相同浓度下3种药剂的阻垢效果。

TH-628梯度浓缩试验：考察TH-628能使中等硬度水质所能达到的最高钙硬和总碱度，试验方法见2.4.1。

缓蚀试验为旋转挂片法，方法参照GB/T18175-2000《水处理剂缓蚀性能测定－旋转挂片法》；挂片分别为A3碳钢、铜材质两种；将已称量的金属试片分别挂入加缓蚀剂的试验介质中，在规定条件下浸泡到一定的时间，然后取出试片，经清洗干燥处理后称量，根据试片的质量损失分别计算出腐蚀速率。

2.3 阻垢试验

2.3.1 静态 CaCO3阻垢试验 TH-628、ATMP和HEDP的静态CaCO3阻垢试验采用GB/T 16632-2008《水处理剂阻垢性能的测定-碳酸钙沉积法》。考察相同加药浓度下3种药剂的阻垢率，其加药梯度分别为1、2、3、4、5mg·L-1（干基），实验结果见表1。

表1 补充水水质分析（mg·L-1）Tab.1 Water quality analysis of feeding water

根据表1的结果可知，3种产品中，TH-628的静态阻碳酸钙垢性能最好，在同一加药浓度下均高于HEDP和ATMP的静态阻垢率。此外TH-628的磷含量最低，仅为HEDP或ATMP的二分之一，符合低磷环保的要求。之后通过梯度浓缩试验进一步评价TH-628的阻垢效果。

图1 静态阻垢试验结果Fig.1 Results of static scale inhibition test

2.4 梯度浓缩阻垢试验

由于TH-628在标准GB/T 16632-2008下的阻CaCO3垢效果较好，为了进一步考察TH-628对中等硬度循环水的阻垢效果，进行了梯度浓缩阻垢试验，可以进一步考察在TH-628存在下，体系所能达到的最大钙硬总碱值。因此，用东北地区一家电厂的补充水进行了试验。

2.4.1 试验方法 将数份1L的补充水（水质如表1所示）分别置于2L的烧杯中，每份中加入TH-628药剂（以补充水计 10mg·L-1，干基），不断浓缩，定期取样测剩余水质量，计算浓缩倍数并化验水质，直至水样中出现较多沉淀并且钙硬总碱之和出现大幅下降后停止。通过钙硬总碱之和的最高值评价药剂的阻垢效果，其峰值越高，即达到的最高钙硬总碱之和越高，其对水质的有效阻垢上限越高。

实验条件：恒温水浴40℃；药剂为TH-628（以补充水计 10mg·L-1，干基）；水样为 THK-LN-086补充水（水质分析见表1）。

2.4.2 试验结果 通过表1的水质分析可知，此补充水为低硬水，经3倍循环浓缩后，水质会达到中硬水或硬水，易结垢[4]，实验结果见图2。

图2 阻垢试验结果Fig.2 Results of scale inhibition test

由图2可见，经浓缩试验，在浓缩至超过4倍后，体系开始出现少量结垢，此时体系的钙硬度达到 345.7mg·L-1，钙硬加总碱度值为 890.83mg·L-1。这说明在高碱的中硬水或硬水中，通过不断浓缩，在系统不结垢的情况下，TH-628可以使补充水达到较高的浓缩倍数，完全符合GB50050-2007要求。

由于体系中TH-628的阻垢、分散作用，水中有少量结垢不会对循环水造成影响。因此，随着浓缩倍数的提高，体系的最高钙硬加碱度值还会上升。试验结果显示钙硬加总碱值在浓缩倍数为4.23倍时达到最高，为936.65mg·L-1。达到最大值之后，随浓缩和结垢的不断进行，TH-628的阻垢和分散效果下降，导致其钙硬和总碱之和急剧下降，则停止浓缩试验。因此，TH-628可以有效控制此硬水浓缩到3.5倍以上，并维持循环水系统的正常运转。

2.5 缓蚀试验

参照GB/T 18175-2000《水处理剂缓蚀性能测定－旋转挂片法》，分别进行碳钢和铜材质挂片腐蚀试验。

试验条件：温度（50±1）℃，旋转挂片，试片材质为A3碳钢和铜材质，面积为28cm2，转速90r·min-1，试片不经预膜处理，试验时间72h，试验水为按照循环水的配水。

2.5.1 缓蚀试验 TH-628对循环水的配水的缓蚀性能试验，按循环水的配水一次性加药15mg·L-1（干基），其水质指标如表2。

表2 配水水质分析（mg·L-1）Tab.2 Detection results of preparing water

由表2可见，该水质是中等硬度水，易结垢，且容易引起垢下腐蚀[4]。其缓蚀试验结果如表3所示：TH-628对碳钢、铜材质的腐蚀速率分别为0.0446、0.0017mm·a-1，完全符合国家标准GB50050-2007的要求（碳钢＜0.075mm·a-1，铜材质＜0.005mm·a-1），并且其腐蚀速率远低于国家标准要求。此结果说明：对于中等硬度水质，TH-628对碳钢、铜材质均具有良好的缓蚀效果。

3 现场应用

水处理药剂的使用效果和循环水的现场运行条件密切相关。由于TH-628药剂对中等硬度水的阻垢和缓蚀效果明显。因此，在辽宁一家电厂进行了现场应用，该厂补充水水质分析结果见表1，循环冷却水浓缩3～3.5倍。

对系统投加TH-628，并经过长时间的现场监测，循环水加药量为40mg·L-1，循环水中有机磷控制在约 3.0～4.0mg·L-1之间，实验结果见表3。

表3 TH-628对碳钢和铜的缓蚀试验结果Tab.3 Corrosion results of TH-628 for carbon steel and copper

表4 TH-628对碳钢的缓蚀试验结果Tab.4 Corrosion results of TH-628 for carbon steel on site

结果显示（表4）：运行6个月，电厂运行情况良好。检修发现循环水管道及凝汽器管壁状况良好，循环水池悬挂的挂片表面光滑，无明显腐蚀和结垢现象，其腐蚀速率为 0.0490mm·a-1，符合GB50050-2007的标准要求（碳钢＜0.075mm·a-1）。

4 结论

（1）对比中等硬度水缓蚀阻垢剂TH-628与ATMP和HEDP在相同药剂浓度下的阻CaCO3效率。结果说明：投加相同的药剂量，TH-628的阻碳酸钙效率均高于ATMP和HEDP，TH-628药剂浓度为5mg·L-1时的CaCO3阻垢率为66.4%。

（2）梯度浓缩试验结果说明TH-628能使浓缩后的循环水的钙硬总碱之和达到900mg·L-1以上，使补充水浓缩3倍以上，达到中硬或硬水而不结垢，符合GB50050-2007《工业循环冷却水处理设计规范》要求。

（3）通过TH-628缓蚀性能试验说明TH-628对中等硬度水中的碳钢、铜材质具有良好的缓蚀效果，其腐蚀速率分别为 0.0446、0.0017mm·a-1，均符合GB50050-2007要求。

（4）通过在东北地区一电厂的现场应用6个月，证明TH-628对中等硬度循环水系统具有良好的缓蚀和阻垢效果，其腐蚀速率为0.0490mm·a-1，符合GB50050-2007的标准要求。这对于解决使用区域和行业非常广泛的中等硬度水的腐蚀和结垢问题，具有重要的经济和环境效益。

［1］任树梅.水资源保护［M］.北京:中国水利水电出版社,2003.

［2］郑书忠.循环冷却水水质及水处理剂标准应用指南［M］.北京:化学工业出版社,2003.

［3］GB50050-2007《工业循环冷却水处理设计规范》［S］.中华人民共和国建设部,北京:中国计划出版社出版,2008:

［4］周本省.工业水处理技术（第二版）［M］.北京:化学工业出版社,2002.

［5］GB/T16632-2008《水处理剂阻垢性能的测定》［S］.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化委员会,北京:中国标准出版社出版,2008.1-3.

［6］GB/T18175-2000《水处理剂缓蚀性能的测定-旋转挂片法》［S］.国家质量技术监督局,北京2000.7-12.

［7］鲍其鼐.我国循环冷却水处理30年［J］.工业水处理,2010,30（12）:6-14.

［8］郑书忠.我国工业冷却循环水发展现状与展望［C］.2009中国水处理技术研讨会论文集,桂林,2009.1-9.