循環(huán)水處理藥劑作用機(jī)理及其應(yīng)用石順存湖南科技大學(xué)2010.101醫(yī)學(xué)ppt循環(huán)水處理藥劑作用機(jī)理及其應(yīng)用第一章概述第二章阻垢分散機(jī)理第三章緩蝕機(jī)理第四章殺菌天藻機(jī)理第五章配方篩選第六章系統(tǒng)的投運(yùn)及監(jiān)測(cè)2醫(yī)學(xué)ppt第一章概述

一循環(huán)冷卻水系統(tǒng)存在的危害二循環(huán)冷卻水處理的意義3醫(yī)學(xué)ppt一循環(huán)冷卻水系統(tǒng)存在的危害對(duì)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水在不斷循環(huán)使用過程中，由于水的溫度升高，水流速度的變化，水的蒸發(fā)，各種無機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的濃縮，冷卻塔和冷水池在室外受到陽光照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物的飄落以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料等多種因素的綜合作用，會(huì)產(chǎn)生比直流系統(tǒng)更為嚴(yán)重的結(jié)垢、設(shè)備腐蝕和菌藻微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等危害，這些危害會(huì)威脅和破壞工廠長周期地安全生產(chǎn)。4醫(yī)學(xué)ppt

1結(jié)垢一般天然水中都溶解有重碳酸鹽，這種鹽是冷卻水發(fā)生結(jié)垢的主要成分。在直流冷卻水系統(tǒng)中，重碳酸鹽的濃度較低。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，重碳酸鹽的濃度隨著蒸發(fā)濃縮而增加，當(dāng)其濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)時(shí)，或者在經(jīng)過換熱器傳熱表面使水溫升高時(shí)，會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O冷卻水經(jīng)過冷卻塔向下噴淋時(shí)，溶解在水中的游離CO2要逸出，也將促使上述反應(yīng)向右方進(jìn)行。5醫(yī)學(xué)pptCaCO3沉積在換熱器傳熱表面，形成致密的碳酸鈣水垢，它的導(dǎo)熱性能很差，導(dǎo)熱系數(shù)一般不超過1千卡/（小時(shí)·m2·℃），而鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為38.7千卡/（小時(shí)·m2·℃），可見水垢形成，必然影響換熱器的傳熱效率。結(jié)垢的危害，輕者是降低換熱器的傳熱效率，影響產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)，則被迫停產(chǎn)。6醫(yī)學(xué)ppt

2腐蝕循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，大量的設(shè)備是碳鋼等金屬制成的換熱器。長期使用循環(huán)冷卻水，會(huì)發(fā)生腐蝕。（1）冷卻水中溶解氧引起的電化學(xué)腐蝕敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，水與空氣能充分地接觸，因此水中溶解的O2可達(dá)飽和狀態(tài)，當(dāng)碳鋼與溶有O2的冷卻水接觸時(shí)，由于金屬表面的不均一性和冷卻水的導(dǎo)電性，在碳鋼表面會(huì)形成許多微電池，微電池的陰、陽極上分別發(fā)生氧化還原的共軛反應(yīng)。在陽極上：Fe→Fe2++2e在陰極上：1/2O2+H2O+2e→2OH-在水中：Fe2++2OH-→Fe(OH)2這些反應(yīng)，促使微電池上的陽極金屬不斷溶解而被腐蝕。7醫(yī)學(xué)ppt碳鋼在水中腐蝕過程示意8醫(yī)學(xué)ppt

（2）有害離子引起的腐蝕循冷卻水在濃縮過程中，除重碳酸鹽濃度增加外，其它的鹽類如氯化物、硫酸鹽等的濃度也會(huì)增加，加速碳鋼的腐蝕。Cl-和SO42-離子會(huì)使金屬上保護(hù)膜的保護(hù)性能降低，尤其是Cl-離子半徑小，穿透性強(qiáng)，容易穿過膜層，替換氧原子形成氯化物，加速了陽極過程的進(jìn)行，使腐蝕加速，所以，氯離子是引起點(diǎn)蝕的原因之一。對(duì)于不銹鋼制的換熱器，Cl-離子是引起應(yīng)力腐蝕的主要原因。9醫(yī)學(xué)ppt（3）微生物引起的腐蝕微生物的滋生也會(huì)使金屬發(fā)生腐蝕。這是由于微生物排出的粘液與無機(jī)垢和泥砂雜物等形成的污泥附著在金屬表面，產(chǎn)生氧的濃差電池，促使金屬腐蝕，在金屬表面和污泥之間缺乏氧，因此一些厭氧菌，主要是硫酸鹽還原菌得以繁殖，當(dāng)溫度為25~30℃時(shí)，繁殖更快。它們分解水中的硫酸鹽，產(chǎn)生H2S，引起碳鋼腐蝕。10醫(yī)學(xué)ppt

其反應(yīng)如下：

SO42-+8H++8e→S2-+4H2O+能量（細(xì)菌生存所需）或:SO42-+4H2O+8e→S2-+8OH-+能量（細(xì)菌所需）Fe2++S2-→FeS↓鐵細(xì)菌是金屬銹瘤產(chǎn)生的主要原因，它能使Fe2+氧化為Fe3+，釋放的能量供細(xì)菌生存需要。Fe2+

→Fe3++能量（細(xì)菌生存所需）上述各種因素對(duì)碳鋼引起的腐蝕，常使換熱器管壁被腐蝕穿孔，形成滲漏；或工藝介質(zhì)漏入冷卻水中，損失物料，污染水體；或冷卻水滲入工藝介質(zhì)中，使產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。11醫(yī)學(xué)ppt3菌藻滋生冷卻水中的微生物，一般是指細(xì)菌和藻類，在新鮮水中，一般來說細(xì)菌和藻類都較少。但在循環(huán)冷卻水中，由于養(yǎng)分的濃縮，水溫的升高（適宜的水溫）和日光照射，給細(xì)菌和藻類創(chuàng)造了迅速繁殖的條件。大量細(xì)菌分泌出的粘液，象粘合劑一樣，能使水中飄浮的灰塵雜質(zhì)和化學(xué)沉淀物等粘附在一起，形成粘糊糊的污泥，它們粘附在換熱器的傳熱表面上。這種污泥也被稱為生物粘泥。生物粘泥積附在換熱器管壁上，除了形成上述微生物引起的腐蝕外，還會(huì)使冷卻水流量減少，降低換熱器冷卻效率，嚴(yán)重時(shí)，這些生物粘泥會(huì)將管子堵死，迫使停產(chǎn)清洗。12醫(yī)學(xué)ppt二循環(huán)冷卻水處理的意義如上所述，冷卻水長期循環(huán)使用后，必然會(huì)帶來結(jié)垢、腐蝕和菌藻滋生這三種危害，而循環(huán)冷卻水處理就是設(shè)法使三種危害減輕或消除，這樣做有幾個(gè)好處：1穩(wěn)定生產(chǎn)沒有結(jié)垢腐蝕穿孔和粘泥堵塞等危害，系統(tǒng)中換熱器可以始終在良好的環(huán)境中工作，除計(jì)劃中的檢修外，意外的停產(chǎn)檢修事故就會(huì)減少，從而在循環(huán)冷卻水方面為工廠“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行提供了保證。13醫(yī)學(xué)ppt2節(jié)約水資源某化工廠采用直流冷卻水系（K=1.0），每小時(shí)耗水量約20000m3，當(dāng)改為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，并以K=1.5的濃縮倍數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每小時(shí)耗水量降為1000m3，當(dāng)提高濃縮倍數(shù)到K=3時(shí)，每小時(shí)耗水量只需500m3左右，這樣每小時(shí)節(jié)約冷卻水量約為19500m3。14醫(yī)學(xué)ppt3減少環(huán)境污染直流冷卻水系統(tǒng)直接從水源抽取冷水用于冷卻，然后又將溫度升高了的熱水排放到水源中去，除了將廢熱帶到水源中形成熱污染外，若對(duì)直流冷卻水也采用化學(xué)藥劑處理以消除結(jié)垢、腐蝕，那么大量排放的冷卻水帶走很多藥劑，還將對(duì)水源產(chǎn)生嚴(yán)重的水體污染。由于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可以大大減少冷卻污水的排放量，對(duì)于排放的少量污水通過適當(dāng)處理后達(dá)標(biāo)排放，甚至作進(jìn)一步處理后，可收回作系統(tǒng)的補(bǔ)充水用。因此，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)可大大減少環(huán)境污染。15醫(yī)學(xué)ppt4節(jié)約鋼材一臺(tái)換熱器是由幾十到幾百根金屬管子所組成，往往需要成噸的鋼材來制作。如果作好了循環(huán)冷卻水水處理工作，還可大大減少換熱器因腐蝕穿孔及結(jié)垢堵塞而更換的臺(tái)數(shù)，進(jìn)而節(jié)約鋼材。另外，根據(jù)某宏觀統(tǒng)計(jì)，得出下表：16醫(yī)學(xué)ppt表1—1中國冷卻水處理的經(jīng)濟(jì)效果比較

經(jīng)濟(jì)效益（冷卻水）直流水循環(huán)水水處理成本單價(jià)（元/m3）0.0910.029用水耗電比10.9新鮮水耗電比（濃縮倍數(shù)K=2）100≤5換熱器設(shè)備平均壽命（年）13換熱器傳熱系數(shù)kJ/m2·h·℃498019929平均腐蝕率mm/a10.117醫(yī)學(xué)ppt（摘自<中國化工報(bào)>1999.6.30：我國水處理劑的發(fā)展前景，作者華昊hao）綜上所述，開展循環(huán)冷卻水處理，對(duì)節(jié)水、節(jié)能、節(jié)材、保證生產(chǎn)裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行和保護(hù)環(huán)境等均具有相當(dāng)重要的意義。思考題1為何結(jié)垢會(huì)影響傳熱效率？2電化學(xué)腐蝕的機(jī)理；3微生物引起腐蝕的機(jī)理；4菌藻滋生的原因。18醫(yī)學(xué)ppt

第二章阻垢分散機(jī)理沉積物概念水垢：鈣、鎂等離子所造成；污垢：SS、黏泥、腐蝕產(chǎn)物等。沉積物控制途徑水垢控制：軟化法、加酸調(diào)pH法、投加阻垢劑；污垢控制：降低補(bǔ)充水濁度、設(shè)置旁濾設(shè)備，投加分散劑，投加殺菌滅藻劑、控制腐蝕。19醫(yī)學(xué)ppt在循環(huán)冷卻水處理中，控制結(jié)垢的主要方法是投加阻垢劑：有機(jī)膦酸類和聚合電解質(zhì)等。

1阻垢機(jī)理有機(jī)膦酸和聚合電解質(zhì)等阻垢機(jī)理比較復(fù)雜，目前大致有以下幾種看法：（1）晶格畸變碳酸鈣是結(jié)晶體，它的成長是按照嚴(yán)格順序，由帶正電荷的Ca2+離子與帶負(fù)電荷的CO32-離子相撞，才能彼此結(jié)合，并按一定方向成長，在水中加20醫(yī)學(xué)ppt入有機(jī)膦酸或聚合電解質(zhì)時(shí)，它們會(huì)吸附到晶體活性增長點(diǎn)上與Ca2+離子螫合，抑制了晶格向一定的方向成長，因此使晶格歪曲，長不大，也就是說晶體被有機(jī)膦酸等表面去活劑的分子所包圍而失去活性，這也是產(chǎn)生下面要提到的臨界值效應(yīng)的機(jī)理，同樣這種效應(yīng)也可阻止其它晶體的沉淀。另外，部分吸附在晶體上的化合物隨著晶體增長，被卷入晶格中，使CaCO3晶格發(fā)生錯(cuò)位，在垢層中形成一些空洞，分子與分子之間的相互作用減小，使硬垢變軟。21醫(yī)學(xué)ppt

晶粒增長受到干擾而歪曲，晶粒細(xì)小，垢層松軟，極易被水流沖洗掉，大量實(shí)驗(yàn)（包括掃描電鏡）和生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)了這種說法。（2）絡(luò)合增溶有機(jī)膦酸和聚合電解質(zhì)在水中都能產(chǎn)生離解，放出H+離子，本身成帶負(fù)電荷的陰離子，如：22醫(yī)學(xué)ppt23醫(yī)學(xué)ppt這些負(fù)離子能與Ca2+、Mg2+等金屬離子形成穩(wěn)定絡(luò)合物，從而提高了CaCO3晶粒析出時(shí)的過飽和度，也就是說增加了CaCO3在水中的溶解度。有人通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出水中加入1~2mg/L的HEDP后，可使CaCO3析出的臨界pH值提高1.1左右。另外，由于上述的晶格畸變作用，相對(duì)于不加藥劑的水來說，形成晶粒要細(xì)小得多，從顆粒分散度對(duì)溶解度影響角度看，晶粒細(xì)小也就意味著CaCO3溶解度變大，從而提高了CaCO3析出時(shí)的過飽和度。24醫(yī)學(xué)ppt(3)分散作用根據(jù)斯托克斯公式，球形顆粒滯流時(shí)沉降速度Vt：

顆粒沉降速度（Vt）與顆粒直徑d的平方成正比而與液體的粘度成反比。聚合電解質(zhì)是高分子長鍵化合物，其分子量較大，加入水中會(huì)增加水的粘度，從而使顆粒沉降速度變小，有利于CaCO3晶粒和其它雜質(zhì)懸浮于水中。另外，有機(jī)膦酸和聚合電解質(zhì)會(huì)吸附在晶粒周圍，干擾晶粒成長，使顆粒變細(xì)小，從而減小沉降速度。同時(shí)還由于帶陰離子的聚合電解質(zhì)吸附在晶粒周圍，使其帶有同樣電荷而相斥，這些都有利于晶粒懸浮分散在水中。25醫(yī)學(xué)ppt第三章緩蝕機(jī)理緩蝕劑種類很多，作用機(jī)理各不相同，因此分類方法也不相同。（1）根據(jù)藥劑對(duì)電化學(xué)腐蝕過程的作用不同，可分為陽極型緩蝕劑、陰極型緩蝕劑及混合型緩蝕劑三種。陽極型緩蝕劑和陰極型緩蝕劑能分別抑制陽極和陰極過程的進(jìn)行，而混合型緩蝕劑能同時(shí)抑制陰、陽極過程進(jìn)行。從圖3－1電極過程阻滯的極化曲線看，未加緩蝕劑時(shí)，陽極和陰極的極化曲線相交于26醫(yī)學(xué)pptS0點(diǎn)，腐蝕電流為I0，加緩蝕劑后，陰、陽極極化曲線交于S點(diǎn)，腐蝕電流變?yōu)镮，I比I0要小得多，因此緩蝕劑加入，就可明顯地減緩腐蝕。圖3—1緩蝕劑對(duì)電極過程阻滯的極化曲線27醫(yī)學(xué)ppt陽極型緩蝕劑多為無機(jī)類的氧化劑，如亞硝酸鹽等，它們主要是使金屬鈍化，形成γ-Fe2O3的膜，從而減小腐蝕電流。如果加入量不夠，不足以使金屬全部鈍化，則腐蝕會(huì)集中在未鈍化完全的部位進(jìn)行，從而引起點(diǎn)蝕，因此，陽極型緩蝕劑又稱為危險(xiǎn)性緩蝕劑，這類緩蝕劑的用量往往較多。28醫(yī)學(xué)ppt陰極型緩蝕劑如聚磷酸鹽等是使陰極過程變慢或減少陰極面積，從而減緩腐蝕。這類緩蝕劑的添加量不夠時(shí)，不會(huì)加速腐蝕，因此比較安全，但其抑制效果一般不如陽極型的好。（2）根據(jù)藥劑能使金屬表面形成各種不同的膜，可分為氧化膜型、沉淀膜型和吸附膜型。氧化膜型緩蝕劑大多是能使金屬表面氧化，形成一層致密的耐腐蝕的鈍化膜，其膜厚約幾個(gè)nm。如鉻酸鹽在水溶液中，能使碳鋼表面生成一層γ-Fe2O3的膜，這種膜就是氧化膜。氯離子、高溫及高的水流速度都會(huì)破壞氧化膜，故應(yīng)用時(shí)要考慮適當(dāng)提高其濃度。29醫(yī)學(xué)ppt沉淀膜型緩蝕劑是指藥劑與水中某些離子或腐蝕下來的金屬離子，互相結(jié)合沉淀在金屬表面上，形成一層難溶的沉淀物或表面絡(luò)合物，從而阻止了金屬的繼續(xù)腐蝕，屬于這類的緩蝕劑有聚磷酸鹽、硅酸鹽、鋅鹽和有機(jī)膦酸鹽等。吸附膜型緩蝕劑主要是一些有機(jī)化合物，它們都是具有N、S、O等官能團(tuán)的極性化合物，能吸附在金屬表面上，直鏈脂肪胺中以10~18個(gè)碳原子的吸附力最強(qiáng)。它們之所以能起緩蝕作用是因?yàn)樵诜肿咏Y(jié)構(gòu)中具有可吸附在金屬表面的親水基團(tuán)和30醫(yī)學(xué)ppt遮蔽金屬表面的疏水基團(tuán)。親水基團(tuán)定向吸附在金屬表面，而疏水基團(tuán)則阻礙水及溶解氧向金屬表面擴(kuò)散，從而達(dá)到緩蝕的作用，這類緩蝕劑在使用時(shí)，可加入潤濕劑，以幫助這種緩蝕劑向鐵銹覆蓋的金屬表面滲透，提高緩蝕效果。吸附膜型緩蝕劑的吸附能力與分子中極性基團(tuán)有關(guān)，例如含O極性基團(tuán)的緩蝕劑在50℃時(shí)脫附，含N極性基團(tuán)的緩蝕劑在100℃時(shí)才脫附，而含S極性基團(tuán)的緩蝕劑，溫度雖高達(dá)200℃時(shí)也不脫附。這是因?yàn)槲侥芰＞N＞0，其與親核能力次序是相同的。31醫(yī)學(xué)ppt第四章殺菌滅藻機(jī)理

常用的殺菌天藻劑分為兩類：氧化型和非氧化型。1氧化型殺菌劑這是指具有強(qiáng)烈氧化性的一類藥劑。其殺菌機(jī)理以氯氣及臭氧為例說明如下：32醫(yī)學(xué)ppt氯氣在水中反應(yīng)，生成的次氯酸（即有效氯）是一種非常強(qiáng)的氧化劑，它很容易通過微生物的細(xì)胞壁并和細(xì)胞中的原生質(zhì)化合，與細(xì)胞的蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的氮-氯鍵，并且它還能氧化如磷酸丙糖脫氫酶那樣的酶的巰基，以及減少呼吸作用所必須的還原酶的活性。當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，可破壞整個(gè)細(xì)胞，從而殺死微生物。次氯酸在水中還會(huì)電離為次氯酸根，如：33醫(yī)學(xué)ppt

次氯酸根殺菌的效果遠(yuǎn)不如次氯酸好，據(jù)估計(jì)次氯酸根比次氯酸殺菌的效果要小20倍。所以，一般認(rèn)為，循環(huán)水的pH值在6.5－7.5時(shí)，用氯作殺生劑，效果較理想。為保證殺生效果，在冷卻水系統(tǒng)中要保持一定的余氯量和維持一定的接觸時(shí)間。一般余氯量保持在0.5－1.0mg/l，接觸時(shí)間在4個(gè)小時(shí)左右就可以了。

34醫(yī)學(xué)ppt

臭氧臭氧也是一種強(qiáng)氧化劑，但性質(zhì)不穩(wěn)定，因此，使用時(shí)必須在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生。臭氧之所以能滅菌，是由于在下列反應(yīng)中：O3→O2+[O]放出的初生態(tài)氧具有極強(qiáng)的氧化性，它破壞細(xì)胞的蛋白質(zhì)，降低還原酶的活性，從而殺死微生物，且使用中不帶來任何環(huán)境污染等問題。但臭氧生產(chǎn)成本較高，工業(yè)化應(yīng)用有困難。

35醫(yī)學(xué)ppt

非氧化性殺生劑種類很多，其殺菌效果有的比氧化性殺生劑要好。通常為了使殺生物的控制范圍更廣泛些，就將氧化性殺生劑與非氧化性殺生劑放在一起交替使用。另外,硫酸鹽還原菌一類必須采用非氧化性殺生劑才能有效.其殺菌機(jī)理以季銨鹽為例說明如下：2非氧化性殺生劑36醫(yī)學(xué)ppt季銨鹽通常在堿性PH范圍內(nèi)對(duì)藻類和細(xì)菌的殺滅最有效，季銨鹽在水中電離后帶正電荷，是一種陽離子型的表面活性劑。它們能吸附到細(xì)菌上，與細(xì)胞壁上負(fù)電荷部位結(jié)合并破壞滲透膜的組織，以及細(xì)胞內(nèi)代謝物質(zhì)和輔酶，使蛋白質(zhì)變質(zhì)而引起細(xì)胞死亡。“新潔爾滅”分子結(jié)構(gòu)：37醫(yī)學(xué)ppt

或者說：季銨鹽屬于陽離子型表面活性劑，能夠與細(xì)胞壁上負(fù)電荷部位結(jié)合，在細(xì)胞壁上產(chǎn)生應(yīng)力而引起細(xì)胞的溶解和死亡；或者通過中和蛋白質(zhì)負(fù)電荷，使蛋白質(zhì)沉淀而失去活性，從而對(duì)細(xì)胞起到抑制或致死的作用。而且，由于季銨鹽是陽離子型表面活性劑，除了能殺微生物外，還能對(duì)污泥有良好的剝離作用。38醫(yī)學(xué)ppt第五章配方篩選

一阻垢緩蝕劑的配方篩選

1、單體評(píng)選(1)緩蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)——掛片失重法（a）靜態(tài)掛片除特殊工況（如較濃酸性溶液及油田水）外,循環(huán)水中應(yīng)用較少.39醫(yī)學(xué)ppt（b）動(dòng)態(tài)掛片K=1.5—4.5,T=72h,n=75r/min左右。除此以外，理論研究時(shí)較多采用電化學(xué)測(cè)試法。另外，緩蝕分為預(yù)膜、正常運(yùn)行，但為強(qiáng)化，往往省略預(yù)膜。（2）阻垢試驗(yàn)包括阻鈣、阻磷及阻鋅三方面試驗(yàn)。

2、配方試驗(yàn)在單體評(píng)選基礎(chǔ)上做正交試驗(yàn)，極差分析法得出結(jié)果后，再優(yōu)化條件試驗(yàn)，最后相容性試驗(yàn)，以決定分為哪幾組。40醫(yī)學(xué)ppt

3、動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)此時(shí)可結(jié)合殺菌滅藻劑同時(shí)進(jìn)行，主要控制指標(biāo)為污垢熱阻。二殺菌劑的評(píng)選

1、殺菌性能