碳酸钙沉积法测定低温多效海水淡化阻垢剂阻垢性能的研究

焦春联，侯相钰，徐 旭，吴芸芳，成国辰，尹建华，王维珍，樊利华

(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

海水淡化是缓解我国沿海地区水资源短缺的重要途径，低温多效是我国重点发展的两大主流海水淡化技术之一，特别是在北方沿海受到重点关注。低温多效海水淡化装置运行时，常出现结垢现象，碳酸钙垢是低温多效海水淡化过程中常见的无机垢之一，对海水淡化造成严重危害。可导致设备传热效率下降，增加吨水产水能耗、设备腐蚀、设备清洗频次，并增加药耗和降低有效运行时间等，因此需要加入阻垢剂抑制系统的结垢，保障海水淡化装置的正常运转。开展低温多效海水淡化阻垢剂阻垢性能的测定方法研究，对促进低温多效海水淡化技术的发展具有重要意义。

1 试验材料与方法

1.1 试剂和材料

试验所用的碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钾、六水氯化镁、氯化钠、EDTA、盐酸、无水硫酸钠均为分析纯，氯化钙为优级纯。

表1 碳酸钙垢沉积试验用人工海水化学组成Tab.1 Chemical composition of artificial seawater for calcium carbonate scale deposition test mg·L-1

1.2 测试方法

一般采用阻垢率来评定水处理剂的阻垢性能，阻垢率愈大表明水处理剂的阻垢性能愈好。同时，借鉴电厂化学和GB/T34550.2—2017《海水冷却水处理药剂性能评价方法 第2部分 阻垢性能的测定》所列方法，采取计算氯离子浓缩倍数与以甲基橙碱度计算的浓缩倍数之间的差值(△A)评定水处理药剂的阻垢性能，在实际应用中十分有效。而且使用该方法容易筛选出较好水处理药剂，对其现场使用也有良好的指导意义，因此试验研究中同时采用阻垢率和△A对检测结果进行评定。

该方法研究具体测试方法为：在1 000 mL人工海水中加入一定量阻垢剂制得试样。将试样和空白同时置于恒温水浴中，在一定温度条件下进行蒸发浓缩并开始计时。当蒸发浓缩至500 mL时，加盖表面皿。试验从计时起恒温24 h后结束，冷至室温后转移入500 mL容量瓶中，定容、摇匀，用中速定量滤纸过滤[1]。采用 EDTA 络合滴定法[2]测定Ca2+和采用pH值电位滴定法[3]测定碱度，计算阻垢率和△A。

1.3 浓缩倍数和阻垢剂用量

由于目前低温多效海水淡化阻垢剂在进水中的建议加药量一般在3 mg/L～8 mg/L，浓缩倍数一般控制在1.8倍左右，该方法采用的浓缩倍数为2.0倍，并在此加药量范围内开展研究。

2 试验结果与讨论

2.1 实验温度对测试结果的影响

在低温多效海水淡化中，海水最高蒸发温度一般低于70 ℃，在充分利用蒸汽能量的情况下，末效冷凝器的最低温度一般都在40 ℃左右。鉴于此，控制温度选择70 ℃和适当强化的温度80 ℃，为此分别在70 ℃和80 ℃下进行试验，试验结果见图1～图2。

图1 某海水淡化阻垢剂在70 ℃和80 ℃下的阻垢率测定结果Fig.1 Results of scale inhibition rate of a certain scale inhibitor in seawater desalination at 70 ℃ and 80 ℃

由图1～图2可知，在70 ℃条件下，海水淡化阻垢剂起效点明显，在5 mg/L左右，用量大于7 mg/L时，两种温度条件下差异不明显，同时80 ℃会出现硫酸钙等难溶垢倾向。因此，测试温度选择70 ℃较适宜。

图2 某海水淡化阻垢剂在70 ℃和80 ℃下的△A测定结果Fig.2 The results of △A determinatiion of a scale inhibitor for seawater desalination at 70 ℃ and 80 ℃

2.2 测试方法的适用性研究

采用该方法在70 ℃下，对低温多效海水淡化阻垢剂进行阻垢性能评价，其评价结果见图3～图5。

图3 某海水淡化阻垢剂阻垢率和△A随浓度变化图Fig.3 Diagram of scale inhibitor rate and △A with concentration of a scale inhibitor for seawater desalination

图4 三种海水淡化阻垢剂阻垢率随浓度变化图Fig.4 Diagram of scale inhibition rate of three kinds of scale inhibitors with concentration

图5 三种海水淡化阻垢剂△A随浓度变化图Fig.5 Diagram of three kinds of scale inhibitors △A changing with conentration

由图3～图5中阻垢率和△A的变化趋势可知，该方法不仅能有效评价海水淡化阻垢剂阻垢性能，还可对比不同海水淡化阻垢剂阻垢性能的优劣。

2.3 测试方法的重复性和再现性研究(表2)

为了研究该检测方法的重复性和再现性，由6个单位分别对2个阻垢剂产品在2个浓度(3mg/L和6mg/L)下，按此方法进行3次平行测定。然后，对测试结果进行了单元平均值和标准差计算，并进行了一致性和离群值的检查[4]。可接受的实验室数和得到的总平均值mj、重复性方差Srj、各组试验间方差SRj结果如表2和表3所示。

表2 阻垢率总平均值mj、重复性方差Srj和实验室间方差SRjTab.2 Total mean value of scale nihibition rate mj, repeatabillity variance Srj and inter laboratory variance SRj

表3 △A总平均值mj、重复性方差Srj和实验室间方差SRjTab.3 △A Total mean mj, repeatabillity variance Srj and interlaboratory variance SRj

由表2和表3可知， 6家单位用该方法测定阻垢剂的阻垢性能，测试结果的重复性标准差为Sr=4.2%，再现性标准差为SR=6.9%；△A测试结果的重复性标准差为Sr=0.05，再现性标准差为SR=0.07。表明此方法具有很好的重复性和再现性。

3 总结

试验研究了一种测定阻垢剂阻垢性能的方法，该试验方法采用了GB/T34550.2-2017中提供的蒸发浓缩方法，但所用试验用水为模拟了海水主要成分并强化碱度条件的配制人工海水，介质成分统一；测定温度为海水最高蒸发温度70℃；不仅能够有效地评价海水淡化阻垢剂阻垢性能，还可对比不同海水淡化阻垢剂阻垢性能的优劣；具有很好的重复性和再现性。该测试方法为低温多效海水淡化阻垢剂性能的测定及阻垢剂的选择提供重要依据。