聚环氧琥珀酸阻垢剂在纺织空调喷淋水中的应用研究

呼庆锋,颜苏芊,冯 瑞

(1.陕西省现代建筑设计研究院,陕西 西安 710048;2.西安工程大学,陕西 西安 710048)

纺织空调系统采用喷淋水来实现对空气的热湿处理,喷淋系统为敞开式循环水系统,水通过喷嘴喷出,实现与空气接触的热湿交换。实际运行时,因水蒸发损失部分水分,一般采用自来水进行补给。水中的成垢离子和矿物质浓度随着水分蒸发而不断增大,会导致喷淋系统设备和管道结垢,降低设备使用周期,严重影响喷淋水与空气热湿交换效果。

选择使用聚环氧琥珀酸阻垢剂(后简称“PESA阻垢剂”)在咸阳某纺织厂进行实地测试并研究它的实际应用效果。试验设置两种对照运行方案,3#空调室投加PESA阻垢剂,5#空调室不添加阻垢剂。两个空调室运行33 d,监测两种运行方式下喷淋水硬度、p H值、电导率及临界p H指数(p Hc)等指标的变化情况。

1 阻垢剂的选用

PESA阻垢剂是一种无磷、无氮、容易生物降解且不会受高温影响的绿色环保新型高效阻垢剂,是以马来酸酐为原材料在催化剂功效下聚合而成,兼有阻垢缓蚀双重功效,属于一种环保型水处理剂。PESA主要应用于循环水处理,适用于高碱度、高硬度、高温度条件,对碳酸钙、硫酸钙等成垢盐均能表现出较好的阻垢作用[1],对结垢离子螯合能力强,在水处理使用中,它的阻垢性能优于市场上常见的阻垢剂[2]。

2 某纺织厂水质测试及分析

临界p H结垢指数(p Hc)是衡量水质是否结垢的重要指标,在判断水质是否结垢时,用p Hc与实际运行p H比较,当p H大于p Hc时,水质易发生结垢;当p H小于p Hc时,水为不结垢的稳定状态[3],p Hc的计算公式如式(1)、(2)所示。

式中:p HS─碳酸钙在水中呈饱和状态时的p H值;TDS─总溶解固体量,mg/L;CA─Ca2+的含量,mg/L;TA─碳酸盐碱度,以CaCO3计,mg/L;t─水的温度,℉;

对咸阳某纺织厂补水、运行15 d喷淋水的水温、p H值、TDS、Ca2+含量、碱度等进行测试分析。水温为25℃(77℉),通过计算CaCO3在水中呈饱和状态时的p H值(后简称p HS)和p Hc来反映喷淋水质状态,具体水质测试指标见表1。

表1 补水、喷淋水指标

喷淋水在运行过程中,随着水分不断蒸发,喷淋水在高浓缩倍率下运行,使得水中p H值、Ca2+浓度、TDS等指标都明显升高。通过公式(1)、(2)计算该纺织厂补水参数:p HS=6.87,p H=6.91,p Hc=8.67,补水p H小于p Hc,水质不结垢处于稳定状态;运行15 d喷淋水参数:p HS=6.06,p H=8.45,p Hc=7.91,p H大于p Hc,喷淋水处于结垢状态。为了防止喷淋水在运行过程中结垢而影响空调系统正常运行,通过投加PESA阻垢剂对喷淋水进行阻垢处理,并与未投加阻垢剂的循环水进行对比分析。

3 方法与步骤

选择咸阳某纺织厂运行工况相似、水池体积相等的3#、5#两个空调室,两个水池的尺寸均为长4.55 m、宽8.5 m、水深0.4 m,体积为15.47 m3。两个水池都是通过2台功率15 k W、流量120 m3/h、扬程24 m的水泵提供喷水动力,其中设置3#空调室为投加阻垢剂的试验水池,5#空调室为未加阻垢剂的对比水池。为了保证两个水池试验条件相同,试验前清理水池并重新换水,做好试验前的准备。

(1)试验时间总共33 d,测试间隔时间为4 d。参照GB/T 15452-2009《工业循环水中钙、镁离子的测定EDTA滴定法》[4]对水中钙硬度和总硬度测试,水样滴定前后颜色变化如图1所示。通过测试PESA阻垢剂的最佳投加量为15 mg/L。水池水量为15.47 m3,药品投加量约为232 g,使其均匀地分散在水池中,两个水池定期补水,保证两个水池在相同的工况下运行。

图1 试验水样前后颜色变化

(2)每隔4 d分别取3#、5#两个空调室水样进行测试,测试指标有硬度、p H值、电导率。硬度采用滴定法,p H值和电导率使用工业级探头测试,其实物如图2所示。

图2 水质检测器实物

4 水质变化的试验测试

4.1 钙硬度随运行时间变化

喷淋水中钙硬度随时间变化趋势如图3所示。

图3 钙硬度随运行时间变化

由图3可知,在开始运行时,两个水池的钙硬度均为200 mg/L,随着运行时间的增加,投加阻垢剂的3#空调室相比未加阻垢剂的5#空调室中喷淋水钙硬度高且上升速度快,主要由于加入PESA阻垢剂对碳酸钙垢有明显的增溶螯合作用,提高了钙离子在水中溶解度。在前13 d内,阻垢剂与碳酸钙垢不断接触并发生反应,使得钙离子释放速度变快,大量钙离子游离出来;在第13 d之后,钙离子释放速度变缓,主要由于补水不断增加导致阻垢剂被稀释,造成阻垢剂与钙垢反应不充分,阻垢效果逐渐减弱;在第25~33 d之间,阻垢剂基本达到最佳阻垢效果,此时钙离子含量在850 mg/L左右之间波动,其浓度不再明显上升,钙硬度值趋于稳定,整个过程起到阻止水垢形成。

4.2 总硬度随运行时间变化

通过图4喷淋水中总硬度随时间变化趋势可知:2个空调室在开始运行时总硬度均为366 mg/L,随着运行时间的增加,3#和5#空调室喷淋水总硬度变化趋势为先上升后趋于稳定。投加PESA阻垢剂后的3#空调室喷淋水总硬度高于未投加阻垢剂的5#空调室喷淋水的总硬度,主要由于阻垢剂的加入,发生增溶、分散作用破坏了碳酸钙、氢氧化镁等垢物的生长,并阻止了钙离子、镁离子与成垢阴离子的结合,使得结垢状态的钙离子、镁离子处于游离状态,导致总硬度增加;在前17 d之前,总硬度增长速度最快,此时阻垢剂的阻垢作用逐渐达到最佳,在第21 d之后,总硬度基本处于稳定状态,在1 345~1 389 mg/L之间波动,阻垢剂与垢物反应完全,完成了整个阻垢过程,达到阻垢效果。

图4 总硬度随运行时间变化

4.3 pH值随时间变化

试验通过测试加入阻垢剂与未加入阻垢剂喷淋水中p H值的变化,来分析PESA阻垢剂对喷淋水p H值的影响,p H值随运行时间的变化如图5所示。

图5 p H值随运行时间变化

在开始运行的第1 d,两个水池的p H值均为6.91。随着运行时间的增加,循环水浓缩倍率不断增大,未加阻垢剂5#空调室喷淋水的p H值整体呈现上升的状态,第33 d的p H值达到最大8.9还处于上升趋势。加入PESA阻垢剂后的3#空调室喷淋水在前13 d内,p H值呈现上升状态并达到8.22,这是由于阻垢剂增溶螯合作用不断进行,加入阻垢剂的循环水p H值随着循环时间增加不断上升;在第13~33 d之间,循环水在运行过程时会发生反应,该反应进行会生成H+,造成p H值降低的现象;随着反应的不断进行,水中的金属配合物还会继续水解发生,因此p H值先缓慢下降后趋于平缓稳定,在第33 d循环水p H下降达到7.65。

4.4 电导率随时间变化

电导率表示水中含盐量的大小,是衡量水纯度的一个重要指标。水中电导率越低,水越纯净,电导率越大,含盐量越高。试验测试投加与未投加阻垢剂喷淋水电导率变化,来探究PESA阻垢剂对喷淋水电导率影响。空调喷淋水电导率随运行时间的变化如图6所示。两个水池的初始电导率均为0.77 ms/cm,随着运行时间增加,未投加阻垢剂的5#空调室喷淋水电导率一直呈现上升的趋势,由第1 d的0.77 ms/cm上升到第33 d的7.25 ms/cm,电导率上升幅度较大,水中含盐量增加。而投加PESA阻垢剂3#空调室前25 d内,电导率处于上升的状态,这是由于循环水在使用过程中不断蒸发,水中盐浓度不断增加,电导率持续增长。在第25 d后,阻垢剂螯合增溶提高了水中钙镁离子的饱和溶解度,使得循环水电导率达到平衡的时间延长,且达到平衡后,电导率不再上升,在7.0 ms/cm左右浮动,因此阻垢剂的加入有效控制喷淋水电导率,使其处于稳定的范围内。

图6 电导率随运行时间变化

5 应用效果评价

通过测试喷淋水实际运行时硬度、p H值、电导率等指标的变化,发现投加PESA阻垢剂的3#空调室较未投加阻垢剂的5#空调室有明显控制效果,投加阻垢剂后水质指标更稳定。为了进一步探究两种不同运行工况下的水质变化情况,通过p Hc与实际运行的p H值对比来分析运行33 d后两个空调室的水质状态。表2为p Hc与p H随运行时间的变化情况。

表2 喷淋水的p Hc与p H运行变化

由表2可知,未投加阻垢剂的5#空调室与投加阻垢剂的3#空调室水质p Hc随着运行时间增加呈现下降趋势,而实际p H值则呈现上升趋势。5#空调室水质p Hc由第1 d的9.1下降到第33 d的7.78,它的p H值则是从第1 d的6.91上升到第33 d的8.9,同时从第13 d起到第33 d,p H始终大于p Hc,因此5#空调室在运行13 d之后水质处于结垢状态。3#空调室水质p Hc的变化由第1 d的9.1下降到第33 d的7.71,它的p H值由第1 d的6.91上升到第13 d的8.22接着又下降到第33 d的7.65,可以发现阻垢剂的加入有效降低了喷淋水p H值。随着阻垢剂与喷淋水中成垢离子的不断反应,3#空调室喷淋水从第21 d起到第33 d,p H小于p Hc,因此3#空调室在运行21 d之后喷淋水不结垢处于稳定状态,可知PESA阻垢剂的加入控制了喷淋水质的变化,使其在稳定的状态下运行。

6 结论

选择聚环氧琥珀酸类阻垢剂处理咸阳某纺织厂喷淋水,测试并研究其应用效果。通过试验发现:

(1)由于阻垢剂的加入,在水中发生增溶、分散作用破坏了碳酸钙、氢氧化镁等垢物的生长结构,致使钙离子、镁离子处于游离状态,使投加阻垢剂的3#空调室喷淋水比未投加阻垢剂的5#空调室喷淋水钙硬度、总硬度高。3#的p H值和电导率变化先上升后下降,而5#的p H值与电导率则是一直处于上升状态,这主要是由于阻垢剂的加入控制了p H值和电导率上升并使其最终处于稳定的范围内;

(2)在前5 d,喷淋水质处于稳定状态;随着运行时间增加,两个水池p H值均有不同程度的升高,p Hc均降低;投加阻垢剂水池p H值升高及p Hc降低幅度均小于未添加阻垢剂水池。未投加5#空调室的喷淋水在运行到第9 d之后,p H值一直大于p Hc,水质变差,结垢的趋势越来越严重。3#空调室喷淋水随着阻垢剂与成垢离子的不断反应,在运行21 d之后,p H值持续降低同时小于p Hc,喷淋水在21 d之后处于不结垢稳定状态。

综上所述,阻垢剂对喷淋水起到了良好的阻垢效果,改善了水质结垢问题,达到节能减排的目的。