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水垢的形成和预防

发布日期:2018-09-27   作者:分集水器   分享:

    工业锅炉以及家庭用的烧水壶,使用一段时间后在金属表面就会结成水垢,这是由于水中溶有一定数量的钙镁盐类,如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐、磷酸盐等同的还含有泥沙和有机物等。这些盐类在受热过程中发生物理和化学变化而形成水垢。水中含有的碳酸氢钙在水温升高过程中会分解生成难溶的碳酸钙, 通常水垢的主要成分是碳酸钙和磷酸钙。
  水中还溶解有一定数量的硫酸钙;硅酸钙等其他无机盐类,随着水的蒸发,它们在水中浓度加大, 当其浓度超过溶解度之后也会生成沉淀,并沉积在传热表面上。在工业锅炉中金属表面的铁锈和铜锈等锈垢也会转化成水垢的成分。 由于水垢大都由无机盐组成,故称为无机垢,而且这些水垢结晶致密,比较坚硬,所以又称为硬垢。实际水垢的成分相当复杂而且成分随着水质情况的不同而变化,所以对不同地区的水垢应作具体分析。通常根据水垢的主要成分将它分为碳酸盐水垢;硫酸盐水垢,磷酸盐水垢,硅酸盐水垢和锈垢几、大类。
  冷、热水系统中,换热器、输送管道、泵阀等设备的结垢现象十分普遍,水垢会缩短设备使用寿命、加快金属腐蚀,导致维护费用增加,对设备的安全运行构成威胁,由此产生的经济损失巨大,因此解决系统的积垢问题具有重要意义。
  水垢的预防:
  防垢方法有化学法、物理法、生物法、化学/物理法,笔者主要对化学法及物理法进行介绍。
    1、化学方法
  化学防治方法主要有石灰软化法、加碱沉淀法、碳化处理、加酸处理、离子交换软化法和投加阻垢剂法等,前4种方法比较传统,效果直接但耗费药剂量大,产生的废液需进行处理,应用成本较高,因此已逐渐淘汰。目前国内外较为先进的处理方法为离子交换软化法和投加阻垢剂法。
   ㈠离子交换软化法
  离子交换软化法采用钠型阳离子交换树脂对硬水进行处理,水中的Ca2+、Mg2+等与Na+发生交换,并与树脂结合:该方法可除去水中的Ca2+、Mg2+结垢离子,达到阻垢目的。离子交换法可以起到深度软化水的效果,但是设备在使用过程中需重复再生。
       推荐使用设备:软化水装置
  ㈡投加阻垢剂法
  目前水处理系统中采用的阻垢剂主要为阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂。阻垢缓蚀剂有无机聚合磷酸盐、有机磷酸盐,循环水系统多采用有机多元磷酸。阻垢分散剂主要是中、低分子质量的水溶性聚合物,包括均聚物和共聚物2大类,均聚物有聚丙烯酸、聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸及其钠盐等;共聚物的品种较多,以丙烯酸系和马来酸系的二元或三元共聚物为主,还有磺酸类共聚物和含磷共聚物等。
  由于水处理药剂多为磷系,存在富营养化问题,易产生“赤潮”公害。随着环保意识的增强,一些低磷、无磷的绿色阻垢剂成为国内外水处理领域的研究热点。20世纪90年代开始即有绿色阻垢剂的开发研究,目前已有报道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及缓蚀性能,且具有可生物降解性,应用前景广阔。
       推荐使用设备:加药装置
  2、物理方法
  物理方法主要是利用电、磁、光、声等技术阻垢或除垢,典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金属材料换热面、膜法水处理、静电水处理、电子水处理、磁化处理和超声波处理等。其中物理清洗只能清除已生成的老垢,但其操作简单,适用于对控垢要求不高的场合;采用防腐阻垢涂料及非金属换热面可改变设备材料的表面性能,使成垢离子难以在接触设备上沉积,达到阻垢目的,但由于施工复杂,应用场合受到限制。目前采用的典型物理方法有膜分离法、磁化处理法、静电水处理法、电子水处理法、超声波水处理法等。
  ㈠膜分离法
  该方法以膜作为分离介质,通过膜两侧的推动力(压力差、浓度差、电位差等)使水与微粒分离。膜法水处理主要有纳滤和反渗透。反渗透法一般应用在锅炉上,对硬度离子的去除率达到90%以上。纳滤膜(孔径1.0~3.0 nm)可使水中大部分单价离子透过,而二价离子和高价离子如Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe3+等基本不透过,其硬度去除率能达到90%以上。
  使用膜法除垢的最大问题之一是膜污染。在膜工作过程中,水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子在膜面或膜孔内发生吸附、沉积,导致膜孔变小或堵塞,使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化,需进行重新清洗,处理成本增加。
 ㈡磁化处理法
  磁化处理是利用磁场作用改变水质,影响成垢离子的溶解、结晶、聚合等过程,生成疏松的软垢,防止硬垢产生,并使已成硬垢的方解石转变成文石,随污排走。
  磁化处理根据磁源位置的不同可分为内磁式和外磁式。其中外磁式在检修时不必停水及拆卸管道,也不易引起磁短路现象,具有更大的优越性。按磁场形成方式又可分为永磁式和电磁式。永磁式磁水器的优点是不耗电、结构简单、操作维护方便,国内外应用较广泛,但其磁场强度有赖于新型磁性材料和充磁技术的开发,且磁场强度一般不能调节,此外还存在随时间延长或水温提高而退磁的现象。电磁式磁水器耗电量大,但磁场强度容易调节,处理能力强、效率高,不受时间及温度的影响,稳定性好,适宜在对水质要求较高的场合中使用。
  尽管磁化防垢技术已有很大进展,而且在工业、农业和生物医学领域中得到广泛应用,但水系统的复杂性及多变性使得深入研究磁化水处理比较困难,目前磁化控垢机理尚未形成统一定论。大多数研究都是从各自的实验结果出发,导致磁化阻垢除垢的应用设计缺乏有力依据,工作稳定性无法保证,影响其应用成功性。
  ㈢静电水处理
  静电水处理器由高压直流电源和水静电化装置组成。采用静电水处理时将水通过高压静电场(3 400~6 000 V),可改变水的分子结构或电子结构,使成垢离子不在器壁聚集,达到阻垢、溶垢的目的。高压静电场可使水生物的细胞壁发生破裂,因此其还具有较强的抑菌灭藻功能。静电水处理存在一个作用时间,超过作用时间以后成垢离子仍会发生沉积,且需定期清理静电水处理器过滤系统的垢渣。
  ㈣电子水处理
  电子水处理与静电水处理有很多共同点,其设备核心是电子水处理器。阳极为不溶性金属电极,一般为钛修饰电极,阴极一般采用镀锌无缝钢管,电源为低压直流或具有某种特定波形的低压脉冲电源。待处理水从处理器下部进水口处进入,与金属阳极接触一段时间后,从上部出水口处流出。在接触过程中,低压电场可使粒子的水合程度和聚集状况发生变化,改变水分子的自身状态和缔合程度,一方面增加了水的溶解能力、减少水垢形成,另一方面促进已形成的水垢逐渐松散、剥落,达到除垢的效果。徐浩等的研究显示,电子水处理的阻垢率>90%。也有研究表明电子水处理还具有杀菌灭藻、缓蚀防腐的功效。但电子水处理技术研究起步晚,技术发展还不够成熟,装置性能不稳定,电极需定期或不定期清理。
 ㈤超声波水处理
  超声波在介质中传播时,会使媒质中的粒子间发生相互作用;当超声波的机械能振动使粒子加速度达到一定值时,就会产生一系列物理和化学效应(高速微涡效应、剪切应力效应、超声凝聚效应),从而起到防垢及除垢双重作用。刘天庆等采用超声-臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢,研究发现频率为20 kHz、振幅为20%的超声波可有效抑制生物垢的形成,还可移除90%以上的已形成生物垢。超声波阻垢除垢技术作为一种环保、先进的水处理技术已应用到电力行业、油田系统中,但其理论研究方面比较薄弱,尤其国内研究得不够充分。 工业锅炉以及家庭用的烧水壶,使用一段时间后在金属表面就会结成水垢,这是由于水中溶有一定数量的钙镁盐类,如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐、磷酸盐等同的还含有泥沙和有机物等。这些盐类在受热过程中发生物理和化学变化而形成水垢。水中含有的碳酸氢钙在水温升高过程中会分解生成难溶的碳酸钙, 通常水垢的主要成分是碳酸钙和磷酸钙。
  水中还溶解有一定数量的硫酸钙;硅酸钙等其他无机盐类,随着水的蒸发,它们在水中浓度加大, 当其浓度超过溶解度之后也会生成沉淀,并沉积在传热表面上。在工业锅炉中金属表面的铁锈和铜锈等锈垢也会转化成水垢的成分。 由于水垢大都由无机盐组成,故称为无机垢,而且这些水垢结晶致密,比较坚硬,所以又称为硬垢。实际水垢的成分相当复杂而且成分随着水质情况的不同而变化,所以对不同地区的水垢应作具体分析。通常根据水垢的主要成分将它分为碳酸盐水垢;硫酸盐水垢,磷酸盐水垢,硅酸盐水垢和锈垢几、大类。
  冷、热水系统中,换热器、输送管道、泵阀等设备的结垢现象十分普遍,水垢会缩短设备使用寿命、加快金属腐蚀,导致维护费用增加,对设备的安全运行构成威胁,由此产生的经济损失巨大,因此解决系统的积垢问题具有重要意义。
  水垢的预防:
  防垢方法有化学法、物理法、生物法、化学/物理法,笔者主要对化学法及物理法进行介绍。
  1、化学方法
  化学防治方法主要有石灰软化法、加碱沉淀法、碳化处理、加酸处理、离子交换软化法和投加阻垢剂法等,前4种方法比较传统,效果直接但耗费药剂量大,产生的废液需进行处理,应用成本较高,因此已逐渐淘汰。目前国内外较为先进的处理方法为离子交换软化法和投加阻垢剂法。
 ㈠离子交换软化法
  离子交换软化法采用钠型阳离子交换树脂对硬水进行处理,水中的Ca2+、Mg2+等与Na+发生交换,并与树脂结合:
  该方法可除去水中的Ca2+、Mg2+结垢离子,达到阻垢目的。离子交换法可以起到深度软化水的效果,但是设备在使用过程中需重复再生。
    推荐使用设备:软化水装置
  ㈡投加阻垢剂法
  目前水处理系统中采用的阻垢剂主要为阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂。阻垢缓蚀剂有无机聚合磷酸盐、有机磷酸盐,循环水系统多采用有机多元磷酸。阻垢分散剂主要是中、低分子质量的水溶性聚合物,包括均聚物和共聚物2大类,均聚物有聚丙烯酸、聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸及其钠盐等;共聚物的品种较多,以丙烯酸系和马来酸系的二元或三元共聚物为主,还有磺酸类共聚物和含磷共聚物等。
  由于水处理药剂多为磷系,存在富营养化问题,易产生“赤潮”公害。随着环保意识的增强,一些低磷、无磷的绿色阻垢剂成为国内外水处理领域的研究热点。20世纪90年代开始即有绿色阻垢剂的开发研究,目前已有报道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及缓蚀性能,且具有可生物降解性,应用前景广阔。
    推荐使用设备:加药装置
  2、物理方法
  物理方法主要是利用电、磁、光、声等技术阻垢或除垢,典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金属材料换热面、膜法水处理、静电水处理、电子水处理、磁化处理和超声波处理等。其中物理清洗只能清除已生成的老垢,但其操作简单,适用于对控垢要求不高的场合;采用防腐阻垢涂料及非金属换热面可改变设备材料的表面性能,使成垢离子难以在接触设备上沉积,达到阻垢目的,但由于施工复杂,应用场合受到限制。目前采用的典型物理方法有膜分离法、磁化处理法、静电水处理法、电子水处理法、超声波水处理法等。
  ㈠膜分离法
  该方法以膜作为分离介质,通过膜两侧的推动力(压力差、浓度差、电位差等)使水与微粒分离。膜法水处理主要有纳滤和反渗透。反渗透法一般应用在锅炉上,对硬度离子的去除率达到90%以上。纳滤膜(孔径1.0~3.0 nm)可使水中大部分单价离子透过,而二价离子和高价离子如Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe3+等基本不透过,其硬度去除率能达到90%以上。
  使用膜法除垢的最大问题之一是膜污染。在膜工作过程中,水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子在膜面或膜孔内发生吸附、沉积,导致膜孔变小或堵塞,使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化,需进行重新清洗,处理成本增加。
 ㈡磁化处理法
  磁化处理是利用磁场作用改变水质,影响成垢离子的溶解、结晶、聚合等过程,生成疏松的软垢,防止硬垢产生,并使已成硬垢的方解石转变成文石,随污排走。
  磁化处理根据磁源位置的不同可分为内磁式和外磁式。其中外磁式在检修时不必停水及拆卸管道,也不易引起磁短路现象,具有更大的优越性。按磁场形成方式又可分为永磁式和电磁式。永磁式磁水器的优点是不耗电、结构简单、操作维护方便,国内外应用较广泛,但其磁场强度有赖于新型磁性材料和充磁技术的开发,且磁场强度一般不能调节,此外还存在随时间延长或水温提高而退磁的现象。电磁式磁水器耗电量大,但磁场强度容易调节,处理能力强、效率高,不受时间及温度的影响,稳定性好,适宜在对水质要求较高的场合中使用。
  尽管磁化防垢技术已有很大进展,而且在工业、农业和生物医学领域中得到广泛应用,但水系统的复杂性及多变性使得深入研究磁化水处理比较困难,目前磁化控垢机理尚未形成统一定论。大多数研究都是从各自的实验结果出发,导致磁化阻垢除垢的应用设计缺乏有力依据,工作稳定性无法保证,影响其应用成功性。
  ㈢静电水处理
  静电水处理器由高压直流电源和水静电化装置组成。采用静电水处理时将水通过高压静电场(3 400~6 000 V),可改变水的分子结构或电子结构,使成垢离子不在器壁聚集,达到阻垢、溶垢的目的。高压静电场可使水生物的细胞壁发生破裂,因此其还具有较强的抑菌灭藻功能。静电水处理存在一个作用时间,超过作用时间以后成垢离子仍会发生沉积,且需定期清理静电水处理器过滤系统的垢渣。
  ㈣电子水处理
  电子水处理与静电水处理有很多共同点,其设备核心是电子水处理器。阳极为不溶性金属电极,一般为钛修饰电极,阴极一般采用镀锌无缝钢管,电源为低压直流或具有某种特定波形的低压脉冲电源。待处理水从处理器下部进水口处进入,与金属阳极接触一段时间后,从上部出水口处流出。在接触过程中,低压电场可使粒子的水合程度和聚集状况发生变化,改变水分子的自身状态和缔合程度,一方面增加了水的溶解能力、减少水垢形成,另一方面促进已形成的水垢逐渐松散、剥落,达到除垢的效果。徐浩等的研究显示,电子水处理的阻垢率>90%。也有研究表明电子水处理还具有杀菌灭藻、缓蚀防腐的功效。但电子水处理技术研究起步晚,技术发展还不够成熟,装置性能不稳定,电极需定期或不定期清理。
 ㈤超声波水处理
  超声波在介质中传播时,会使媒质中的粒子间发生相互作用;当超声波的机械能振动使粒子加速度达到一定值时,就会产生一系列物理和化学效应(高速微涡效应、剪切应力效应、超声凝聚效应),从而起到防垢及除垢双重作用。刘天庆等采用超声-臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢,研究发现频率为20 kHz、振幅为20%的超声波可有效抑制生物垢的形成,还可移除90%以上的已形成生物垢。超声波阻垢除垢技术作为一种环保、先进的水处理技术已应用到电力行业、油田系统中,但其理论研究方面比较薄弱,尤其国内研究得不够充分。
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