节水剂在工业循环水中的应用研究

曾 晖，王义珍， 刘海峰，陈宏霖，李 瑞

(1.中山大学化学工程与技术学院，广东 珠海 519082；2.中山大学广东新材料产业基地联合研究中心，广东 佛山 528244；3.华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510640；4.广州绿众水务工程管理有限公司，广东 广州 510165)

0 引言

我国是一个缺水国家，作为水资源短缺型国家，面临的水安全态势越来越严峻[1-3]。在此形势下科学合理用水非常必要，可以通过技术强化用水管理，改进工业和生活用水方式，提高水资源利用率，避免造成水资源的浪费。

水资源保护是中国当前经济和建设可持续发展的主要工作内容之一，节约用水是实施可持续发展战略的重要措施，有助于高效利用水资源，提高科学用水，合理用水，保障城市经济和建设可持续发展[4-5]。

值得注意的是，目前中国经济发展的过程中，工业和农业用水量不断增多，一是农业用水量成倍增长[6-7]；二是珠三角、江浙地区、京津地区已成为我国工业比较集中的综合性工业生产区域，存在有大批大型、特大型和耗水量大的工业企业，对水资源供应要求更加明显，这就使得工业节水技术发展迫在眉睫[8]。

在工业生产中需要用到大量的冷却水塔，循环冷却水的蒸发损失是整个系统中各项水损失最大的一项，循环水系统节水工作的开展不仅可以节约大量的水资源，还可以减少污水排放量，保护环境[9-10]。目前，工业节水方法主要采用的是优化工业设备，例如优化换热流程和换热器组合，发展新型高效换热器，或者增加水回收设备，这种处理方法设备投资高，运行能耗高，便捷性差[11-13]。

针对上述问题，在水相中加入一种节水剂，利用分子间相互作用力的增强，降低水分的挥发是一个有效的途径，本文研究了一种高分子和多元醇为主的工业节水剂，并试验模拟了其在冷却水条件下的节水效果。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

FA2004分析天平；YP30001B电子天平；101-1S型电热恒温鼓风干燥箱；壁挂式水泵过滤器；磁力加热搅拌器；培养箱。

1.2 节水剂及其水溶液的配制

节水剂：由多元醇和疏水剂、抗氧添加剂、杀菌防腐剂及杀菌防霉剂等功能添加剂组成。首先将约占总用量40%左右的多元醇和规定量的各功能添加剂加入到烧杯中，加热搅拌至全部物质溶解，再加入剩余量的多元醇，混合均匀即得。

0.1%节水剂水溶液：准确称取1.0 g节水剂原液至1 000 mL，用去离子水稀释至刻度。

0.01%节水剂水溶液：准确移取0.1%节水剂水溶液100～1 000 mL容量瓶中，用去离子水稀释至刻度。

1.3 节水剂稳定性测试

把配制好的节水剂原液分装于3个100 mL透明玻璃瓶中，分别置于室温、冰箱冷藏室和干燥箱中，冰箱冷藏室温度控制在4 ℃±2 ℃，干燥箱温度控制在40 ℃±2 ℃，每周取出观察1次，考察1个月内样品在3种环境条件下的状态变化：外观颜色是否发生变化及是否有结晶析出。

0.1%节水剂水溶液和0.01%节水剂水溶液按同样方法进行测试。

1.4 节水剂节水性能测试

1.4.1 含0.1%节水剂的自来水节水性能测试

测试方法：把盛装自来水的容器暴露在空气中，并使水体循环流动，每天测试水蒸发重量，对添加节水剂和未添加节水剂的自来水蒸发量测试结果进行对比。

称取2.0 g节水剂原液至3 L玻璃烧杯中，往烧杯中加入2 kg自来水，记录所加水重量，使配成含有0.1%节水剂的水溶液。在烧杯口上放一壁挂瀑布式水泵过滤器，水流调节旋钮开到最大，接通电源使水在烧杯内不间断循环流动。每天相同时间点称量记录烧杯、水溶液和过滤器总重量，并计算循环水面每天的蒸发量。

空白对照：另取一烧杯加入2 kg自来水，不加节水剂，按上述相同方法进行测试。注意测试时2个样品要一起放于同一实验台上，日照、温湿度、空气流动等环境条件须保持一致。

1.4.2 含0.01%节水剂的自来水节水性能测试

在自来水中添加0.01%的节水剂，按1.3.1相同方法进行测试。

1.5 节水剂抑菌性能测试

细菌悬液制备：取试验菌(金黄色葡萄球菌/大肠杆菌)营养琼脂培养基斜面新鲜培养物(18～24 h)3.0～5.0 mL加入斜面试管内，反复吹吸，以使细菌悬浮均匀。

抑菌性能测试：取无菌试管，加入0.1%节水剂水溶液4.5 mL，再加入0.5 mL菌悬液，混匀并放置24 h。分别吸取混合均匀的悬液1.0 mL加于3个无菌平皿内，将营养琼脂培养基倾注于已加入样液的平皿中，每平皿15～20 mL。待琼脂凝固后，翻转平皿，使底向上，置36 ℃±1 ℃温箱内培养48 h观察结果。同时以未加节水剂溶液的培养基作为阳性对照。

0.01%节水剂水溶液按相同方法进行试验。

2 实验结果与讨论

2.1 稳定性测试结果

配制好的节水剂原液为浅黄色略带粘稠状液体，在室温4 ℃±2 ℃和40 ℃±2 ℃ 3种条件下各存放1个月，期间每周取出观察1次，均未发现外观颜色有明显变化，也未发现有结晶析出。0.1%节水剂水溶液和0.01%节水剂水溶液均为无色透明溶液，在测试期间未发现外观颜色发生变化及无结晶析出。结果见表1。

表1 稳定性测试结果(测试标准要求：外观颜色无变化，无结晶析出)

2.2 节水性能测试结果

把添加0.1%和0.01%节水剂的自来水及空白自来水暴露在空气中，并使水体循环流动，1周内每天测试水面蒸发损失重量。添加0.1%节水剂的自来水及空白自来水蒸发损失测试结果见表2，结果对比图见图1和图2；添加0.01%节水剂的自来水及空白自来水蒸发损失测试结果见表3，结果对比图见图3和图4。

图1 单日水蒸发量结果对比 图2 累计水蒸发量结果对比

图3 单日水蒸发量结果对比 图4 累计水蒸发量结果对比

测试结果显示，添加节水剂的自来水蒸发量明显低于未添加节水剂的自来水蒸发量，添加0.1%和0.01%节水剂的自来水1周内蒸发量分别平均减少32.3%和26.8%。水蒸发量减少的原理是利用节水剂中所含疏水剂溶于水又能在水中成膜的特性，使流动水表面疏水膜持续得到补充保持完整，从而有效抑制水的蒸发。

表2 水蒸发量测试结果(自来水vs添加0.1%节水剂的自来水)

表3 水蒸发量测试结果(自来水vs添加0.01%节水剂的自来水)

2.3 抑菌性能测试结果

0.1%节水剂水溶液能显著抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长，表现出较好的抑菌活性；0.01%节水剂水溶液则对金黄色葡萄球菌可以有效抑制其生长，但对大肠杆菌的抑杀效果不是太好，其原因是0.01%节水剂水溶液中的杀菌剂浓度低于大肠杆菌的最低抑制浓度，测试结果见表4。

表4 抑菌性能测试结果

3 结语

所制备的节水剂能性能稳定，在循环水蒸发试验中，加入0.1%和0.01%的节水剂，可使水蒸发量平均减少32.3%和26.8%，有效降低流动水面的蒸发损失，节水效果显著，同时节水剂在适宜浓度下还可以有效抑制水中细菌的繁殖，延长设备管道的使用寿命，降低维护保养成本。该节水剂使用简便且使用量少，使用过程中无需增加及更换系统设备，在循环冷却水节水方面有着潜在的应用价值。