阻垢剂对纺织空调喷淋水系统使用效果的影响

石 博，靳贵铭，颜苏芊，冯 瑞，杨进岗

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048； 2.陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西 神木 719300； 3.咸阳纺织集团有限公司，陕西 咸阳 712000)

纺织厂空调采用循环水喷淋系统来处理空气，喷淋系统运行时，循环水不断蒸发，使得循环水的硬度与碱度升高，造成设备及管道结垢，使得管道阻力增加，最终导致系统运行效率下降[1-2]。目前，纺织行业常用的水处理方法主要有化学方法和物理方法。化学方法是通过加入阻垢剂对循环水中离子进行处理该方法利用阻垢剂对结垢离子的螯合作用以及对结垢晶体的晶格扭曲作用达到阻垢目的[3]。物理方法是利用机械、磁场、电场等方法对设备中的结垢物进行处理，使结垢物无法附着在设备壁上，对循环水中的花毛、杂质进行过滤去除[4-6]。

本文采用化学方法对水质进行处理，选取3种阻垢剂对咸阳某纺织厂喷淋水系统进行阻垢率测试，得出最佳阻垢剂和该阻垢剂的最佳阻垢质量浓度，将其应用于纺织厂喷淋水系统中，通过实验测试的各项指标计算水质稳定指数，并对结果进行方差分析，得到其主要影响因素。

1 阻垢剂的选取

目前常用的阻垢剂有天然聚合物阻垢剂、合成聚合物阻垢剂等。根据阻垢剂的性价比及对无增塑剂聚氯乙烯(UPVC)、镀锌管、不锈钢等材料无腐蚀等因素，选择下面3种阻垢剂进行实验研究。聚环氧琥珀酸(PESA，相对分子质量400～1 500)阻垢性能优异，对水中Ca2+、Mg2+等主要成垢金属离子有很强的络合能力，能有效防止这些离子与成垢阴离子结合生成水垢,对沉积物有着很好的抑制和消除作用[7]；聚天冬氨酸(PASP，相对分子质量为1 000～5000)作为水处理的新型绿色化学品，从原料制备到最终产品都是对环境无害的水处理药剂[8]，对空调喷淋水系统的水垢形成有很好的抑制作用；聚丙烯酸(PAA，相对分子质量800～1 200)性价比较高、用药量较低，被广泛应用于循环水的阻垢，且阻垢效果较好[9-11]。

2 阻垢剂质量浓度对阻垢率的影响

2.1 阻垢率的测定

实验选取PESA型、PASP型、PAA型聚羧酸类阻垢剂(南通永乐化工有限公司)，参照GB/T 16632—2019《水处理剂阻垢性能的测定碳酸钙沉积法》，采用烧杯、量筒、玻璃棒、移液管、电子天平、SD150 PH/EC/DO多参数测定仪(罗威邦公司)进行阻垢率的测定，测试水样取用咸阳某纺织厂空调室运行3个月的循环水。

阻垢率的计算式[12]为：

(1)

式中：η为阻垢率，%；V0为试验水样未加阻垢剂静置24 h后消耗乙二胺四乙酸(EDTA)的量，mL；V1为试验水样加入阻垢剂静置24 h后消耗EDTA的量，mL；V2为试验水样未加入阻垢剂未静置消耗EDTA的量，mL。

2.2 不同阻垢剂质量浓度对阻垢率的影响

取纺织厂空调室运行3个月的循环水，水的温度为21℃，阻垢剂配置质量浓度在3～15mg/L范围内变化。表1示出3种阻垢剂在不同质量浓度时的阻垢率。

表1 3种阻垢剂在不同质量浓度下的阻垢率Tab.1 Scale inhibition rates of the three scale inhibitors at different concentrations

由表1可以看出：随着阻垢剂质量浓度的增大，阻垢率先呈现出显著的上升趋势，当阻垢剂质量浓度小于10 mg/L时，PASP阻垢效果最好，在阻垢剂质量浓度为15 mg/L时，PESA的阻垢效果明显优于其他2种阻垢剂，当阻垢剂质量浓度高于15 mg/L时，阻垢率呈现下降趋势。此外还可发现，PESA质量浓度为15 mg/L时，阻垢率达到了90.14%，明显高于PASP(83.11%)和PAA(79.34%)的阻垢率。所以在纺织空调喷淋水系统中优先选用阻垢剂PESA。

3 阻垢剂对水质稳定指数的显著性分析

3.1 水质稳定指数

水质稳定指数IR是衡量水质是否结垢的重要指标。在运行过程中，损失水量需要不断进行补充，随着水量的不断积累，喷淋循环水中各种指标的浓度均会增大，如硬度(CA)、碱度(TA)、溶解性固体总量(TDS)等，明显影响系统中的水垢沉积。对咸阳某纺织厂水质进行测试分析，通过计算CaCO3在水中呈饱和状态时的pH值(记作pHS)以及IR来反映喷淋水水质状态[13-16]。

运用经验公式计算pHS，见式(2)[17]:

1.84e(0.547-0.006 37+3.58×10-6t2)

(2)

式中：CA为Ca2+含量，mg/L；TA为碳酸盐碱度，以CaCO3计，mg/L；TDS为总溶解性固体量，mg/L；t为水的华氏温度，℉；

水质稳定指数IR计算式见式(3):

IR=2pHS-pH

(3)

式中：pH为水的酸碱度。

稳定指数与水质特性关系如下[18]：IR<5.0时严重结垢，5.0≤IR<6.0时轻度结垢，6.0≤IR<7.0时基本稳定，7.0≤IR<7.5时轻微腐蚀，7.5≤IR<9.0时较严重腐蚀，IR≥9.0时严重腐蚀。据上述特性关系发现，在未加入阻垢剂之前测试水质属于严重结垢范围，加入阻垢剂后属于轻度结垢范围，从而对咸阳某纺织厂喷淋水系统循环水进行未加PESA和加入PESA分别进行实验，测试其水质各项指标并进行回归分析，判断出水质各项指标对IR的影响是否显著[19]。

3.2 未加阻垢剂对IR的分析

3.2.1 实验数据的变化规律及其显著性分析

实验温度为21℃，对未加入阻垢剂的循环水进行实验测试，并根据公式(2)(3)得出pHS,从而计算出IR，相应计算结果见表2。

表2 未加阻垢剂测试的实验数据Tab.2 Experimental data of test without scale inhibitor

由表2可见：随着循环时间的不断延长，喷淋循环水的硬度(CA)、碱度(TA)、溶解性固体总量(TDS)均逐渐增大，从水质稳定指数IR可以看出系统中的水垢沉积越来越多。对表2数据利用Excel进行多元线性回归分析[20-21]，得出在未加入阻垢剂时所对应的分析结果见表3。如表3所示，Sig.F表示F检验中回归方程不显著的概率。因为表3中Sig.F=0.048 102 9<0.05，所以该回归方程显著，得出因变量水质稳定指数IR与循环水的硬度、碱度、溶解性固体总量3个变量之间有显著的线性关系。

表3 未加阻垢剂对IR显著性分析结果Tab.3 Significant analysis results of IR without scale inhibitor

3.2.2 实验数据分析及影响因素的主次顺序

根据上述实验数据得出硬度、碱度、溶解性固体和IR有显著的关系，对3个影响指标进行分析并判断影响的主次顺序，结果如表4所示。

表4 未加阻垢剂对IR方差分析结果Tab.4 Results of IR variance analysis without scale inhibitor

由表4可知，如果回归方程是Y=a+b1x1+b2x2+b3x3，即TDS为x1、CA为x2、TA为x3，根据表中项目列表示回归系数，可知a=5.771，b1=-0.001，b2=-0.012，b3=0.002，回归方程的近似表达式为Y=5.771-0.001x1-0.012x2+0.002x3。根据表格中“t-Stat”绝对值的大小，判断因素的主次顺序，得到溶解性固体总量(TDS)对于水质稳定指数的影响高于钙硬度和碱硬度。

3.3 加入阻垢剂对IR的回归分析

3.3.1 实验数据的变化规律及其显著性分析

实验温度为21℃，在不同的阻垢剂质量浓度下对空调喷淋水系统运行3个月的循环水进行测试并相应计算结果见表5。

表5 加入不同质量浓度阻垢剂的实验数据Tab.5 Experimental data of adding different concentrations of scale inhibitors

给循环水中加入阻垢剂后，随着阻垢剂质量浓度的不断增大，喷淋循环水的硬度(CA)先变大后变小、碱度(TA)呈现不断变大趋势、溶解性固体总量(TDS)含量先变小后增大，水质稳定指数也呈现先减小后增大。对表5数据进行多元线性回归分析，得出在不同阻垢剂质量浓度对IR的显著性，分析结果见表6。

表6 不同阻垢剂质量浓度对IR的显著性分析结果Tab.6 Significant analysis results of different scale inhibitor concentrations on IR

Sig.F表示F检验中回归方程不显著的概率。表6中Sig.F=0.024893958<0.05，该回归方程显著，得出因变量水质稳定指数IR与阻垢剂的质量浓度、循环水的硬度和碱度、溶解性固体总量4个变量之间有显著的线性关系。

3.3.2 实验数据分析及影响因素的主次顺序

根据上述实验数据得出阻垢剂质量浓度、循环水的硬度和碱度、溶解性固体总量和IR有显著的关系，对4个影响指标进行分析并判断影响的主次顺序，结果如表7所示。

表7 不同阻垢剂质量浓度对IR的方差分析结果Tab.7 Variance analysis results of IR with different scale inhibitor concentrations

由表7可知，如果回归方程是Y=a+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4，即阻垢剂质量浓度为x1、TDS为x2、CA为x3、TA为x4，根据表格中项目列，可知a=5.946，b1=-0.058，b2=0.001，b3=-0.006，b4=-0.001，所以回归方程的近似表达式为Y=5.946-0.058x1+0.001x2-0.006x3-0.001x4，根据表格中“t-Stat”绝对值的大小，判断因素的主次顺序，得到阻垢剂质量浓度对于水质稳定指数的影响高于溶解性固体总量、钙硬度和碱硬度。

4 结 论

本文研究了聚环氧琥珀酸(PESA)、聚天冬氨酸(PASP)、聚丙烯酸(PAA)3种阻垢剂在不同的质量浓度下对纺织空调喷淋水系统中碳酸钙、硫酸钙、碳酸镁等的抑制作用。通过对不同质量浓度下实验数据的分析可以得出，PESA的抑制效果最好，在其质量浓度为15 mg/L时阻垢效果为90.14%；PASP、PAA这2种阻垢剂在质量浓度为15 mg/L时的阻垢率分别为83.11%和79.34%，阻垢效果则明显低于PESA的阻垢效率。通过研究未加入PESA和加入PESA对水质稳定指数IR的影响，得出：未加入阻垢剂时TDS对IR的影响最大，加入阻垢剂后对IR影响最为显著的则是阻垢剂质量浓度。由于3种阻垢剂的价格相当且PESA的经济性稍优于其他2种，所以在纺织空调喷淋水系统中优先选用PESA。