牛力　张凤娥　涂保华　董良飞

（常州大学环境与安全工程学院　江苏常州213100）

生活饮用水阻垢剂硅磷晶阻垢性能的实验研究*

牛力张凤娥涂保华董良飞

（常州大学环境与安全工程学院江苏常州213100）

采用静态阻垢法对硅磷晶阻垢剂的阻垢性能进行分析，通过单因素与正交试验探讨了阻垢剂在不同加药浓度、Ca2+浓度、温度、pH等环境条件下的阻垢效果及最佳使用条件。结果表明：阻垢效果最佳组合为：加药浓度2 mg/L，Ca2+浓度300 mg/L，温度30℃，pH=8。各因素对阻垢率影响大小顺序依次为：温度＞加药浓度＞pH＞Ca2+浓度。在此优化组合条件下，硅磷晶阻垢率最大可达95%，用于某制药厂生活饮用水的阻垢率可达94%，效果明显，具有良好的阻垢性能。

硅磷晶 阻垢率 影响因素 最佳组合

0　引言

在生产生活中，水垢的大量形成可能会造成水管道及用水设备的阻塞。在一些热交换设备与管网系统的运行中，会影响其正常运行，严重时还会发生爆炸。另外，水垢的积聚会诱发垢下的局部腐蚀，严重时会导致点蚀和坑蚀，从而加速管道设备的腐蚀穿孔。通常，采用水的离子软化处理能够解决结垢问题，但费用较高。投加阻垢剂仍然是解决问题的首选。

在应用当中，阻垢剂往往因使用环境不同，不能最大化的发挥其阻垢效率。加药浓度、pH等条件控制不当，可能造成成本增加，甚至影响到出水水质。另外，应用于工业给水系统的阻垢剂又往往不能直接用来处理公共建筑与生活饮用水。硅磷晶是一种新型、廉价且对人体无害的晶体型固体阻垢剂，可以在工业与生活给水系统中广泛使用。为了在不同环境条件下最大化地发挥硅磷晶的阻垢作用，有效延长工业及建筑管道设备的使用寿命，降低生产和药剂的使用成本，拟采用静态阻垢法，在不同影响因素条件下对硅磷晶的阻垢性能进行研究。

1　实验部分

1.1实验试剂

硅磷晶：Power Phos，分子式：Na［Na4（PO3）6］、氢氧化钾、硼砂缓冲溶液、乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、盐酸、碳酸氢钠、钙一羧酸指示剂。

1.2实验仪器

FA2004B电子分析天平、HH-6数显恒温水浴锅、PHSJ-4F型pH计。

1.3实验水样

（1）阻垢性能测试标准溶液。在500 mL容量瓶中加入120 mg/L的氯化钙标准溶液（1 mL含有6.0 mg Ca2+）和350 mg/L的碳酸氢钠标准溶液（1 mL含有18.3 mg HCO-3），配制得到Ca2+浓度为240 mg/L，HCO-3浓度为700 mg/L的标准溶液。

（2）取自某市制药厂2014年生活饮用水水样，水质指标见表1。

表1　某市制药厂生活饮用水水质指标

1.4阻垢率测定方法

依据GB/T 166—2008《水处理剂阻垢性能的测定-碳酸钙沉积法》制备实验水样并投加一定浓度的阻垢剂 ，同时做空白水样。将实验水样与空白水样侵入30℃恒温水浴中，放置10 h，实验过程中定时添加蒸馏水以保持水样体积不变。待冷却至室温后过滤并取滤液25 mL，加水50 mL、氢氧化钾5 mL、钙-羧酸指示剂0.1 g，在pH=8.5左右用EDTA标准溶液滴定溶液由紫红色变为亮蓝色为终点 ，阻垢率计算如下：

式中，η为水处理剂阻垢率；X为加入水处理剂的水样试验后的钙离子（Ca2+）浓度，mg/mL；X0为未加水处理剂的空白水样试验后的钙离子（Ca2+）浓度，mg/mL；0.24为试验前配制好的水样中钙离子（Ca2+）浓度，mg/mL。

1.5实验方法

依据1.4节阻垢率测定方法，在原实验条件基础上，分别改变加药浓度、Ca2+浓度、温度、pH等条件，分析各因素对硅磷晶阻垢率的影响。

2　结果与讨论

2.1加药浓度对阻垢率的影响

依据1.5节的实验方法，改变水样的加药浓度进行实验，阻垢率与阻垢剂浓度关系曲线如图1所示。

图1　阻垢剂浓度对阻垢率的影响

由图1可知，当阻垢剂浓度为2.5 mg/L时，阻垢率可达94%；之后随阻垢剂浓度的增大，阻垢率趋于平稳，浓度在2.5～6.5 mg/L之间时，阻垢率均能达到85%以上，这是由于微量的聚磷酸盐长链阴离子可以吸附在微小的碳酸盐晶粒上，与其中的CO2-3进行离子置换，抑制碳酸钙垢的生成，微量的聚磷酸盐就能阻止CaCO3的沉淀析出，即聚磷酸盐的“溶限效应”。

2.2Ca2+浓度对阻垢率的影响

依2.1节实验结果可知，选取阻垢剂最佳用量2.5 mg/L，测定不同Ca2+浓度对阻垢率的影响，结果如图2所示。

图2　Ca2+浓度对阻垢率的影响

由图2可以看出，在Ca2+浓度为300 mg/L时，阻垢率最大可达91%。Ca2+浓度小于300 mg/L时，阻垢率随Ca2+浓度的增加而增大，这是因为硅磷晶的主要成分抑制和干扰了CaCO3晶体的形成，从而有效降低其形成速度。而在Ca2+浓度大于300 mg/L时，随着Ca2+浓度增大，阻垢率开始下降，说明阻垢剂Ca2+的络合以及分散能力是有一定限度的；当Ca2+浓度为500 mg/L时，阻垢率仍能达到80%左右，可见硅磷晶阻垢剂可适用于硬度较高的水质。

2.3温度对阻垢率的影响

依照1.5节的试验方法，仅改变实验温度，测定温度对硅磷晶阻垢率的影响，结果如图3所示。

图3　温度对阻垢率的影响

在实验中发现，硅磷晶阻垢剂在温度高于60℃时易碎裂，因此不适用于蒸汽锅炉等高温条件下的阻垢。由图3可以看出，在30℃时阻垢率最大为92%，20～50℃时阻垢率均达到80%以上。阻垢率随温度的升高先增大后减小，这是由于高温会使聚磷酸盐在水中离解出的-O-P-O-P-链断裂，失去了置换CO2-3离子的能力，且高温会使聚磷酸盐水解成正磷酸盐，从而大大降低了阻垢剂的利用率和阻垢效率。

2.4pH对阻垢率的影响

图4　pH对阻垢率的影响

依照1.5节的试验方法，仅改变水样pH，测定pH对硅磷晶阻垢率的影响，结果如图4所示。95%。但当pH＞9时，阻垢率迅速下降。原因可能是此时溶液中OH-的浓度显著增加，从而H+浓度减少 ，由于反应溶液中存在HCO-3水解平衡，其大量水解促进了CaCO3的大量生成，导致相应的阻垢率大大减小。因此，由实验结果可知，硅磷晶在pH =7～9的中性及弱碱性水质中阻垢效果较好。

2.5正交实验

根据硅磷晶阻垢率单因素实验的测定结果，设计了L9（34）（4因素3水平）的正交试验对阻垢率最佳条件进行了探索。其中，加药浓度选择2 mg/L、2.5 mg/L、3 mg/L，Ca2+浓度选择200 mg/L、300 mg/ L、400 mg/L，温度选择20℃、30℃、40℃，pH选择7、8、9，具体实验因素及水平的设计见表2。

表2　硅磷晶阻垢率影响因素正交实验设计

由图4可以看出，随着pH的增大，阻垢率先增大 ，后迅速下降 。在pH=8时阻垢率最高可达

按照1.4节的方法测定硅磷晶的阻垢率，试液中Ca2+浓度为240 mg/L，HCO-3浓度为700 mg/L，反应时间为10 h。并做独立重复实验，每组实验做两组平行样，取阻垢率平均值，所得实验结果见表3。

表3　硅磷晶阻垢率影响因素正交实验结果

由实验结果可知，阻垢效果最佳的组合为：加药浓度2 mg/L，Ca2+浓度300 mg/L，温度30℃，pH= 8。根据极差分析表明，各因素对阻垢率影响从大到小依次为：温度＞加药浓度＞pH＞钙离子浓度。在此优化组合条件下，硅磷晶阻垢率最大可达95%。

2.6取样实验

取自某市制药厂2014年6月及12月生活饮用水水样（见表1），根据正交试验得出的阻垢效果最佳组合，在实验室条件下进行阻垢率的测定 ，实验方法同1.4节。由结果可知：6月水样阻垢率为94%，12月水样阻垢率为93%，阻垢效果显著。而在实际生活与生产应用当中，应根据具体的水质条件及水处理量，适当的调整硅磷晶加药浓度，以达到最好的阻垢效果。

3　结论

（1）硅磷晶适用于pH=7～9的中性及弱碱性环境，加药浓度在2～3 mg/L时阻垢率均在90%以上。Ca2+浓度为200～500 mg/L的较高硬度水中，硅磷晶阻垢率能达到80%以上。阻垢率的变化受温度影响较大，30℃时阻垢率最大为92%。

（2）各因素对硅磷晶阻垢率影响从大到小依次为：温度＞加药浓度＞pH＞钙离子浓度。阻垢效果最佳的组合为：加药浓度2 mg/L，Ca2+浓度300 mg/ L，温度30℃，pH=8。在此优化组合条件下，硅磷晶阻垢率最大可达95%。

（3）取样实验阻垢率可达94%，阻垢效果明显。实际应用中，应根据水处理量及水质条件合理调整加药浓度。

Experimental Study on Drinking Water Inhibitor Power Phos Scale Performance

NIU Li ZHANG Fenge TU Baohua DONG Liangfei
（School of Environmental and Safety Engineering，Changzhou University Changzhou，Jiangsu 213100）

The scale property of Power Phos scale inhibitor is studied by static scale method.Single factor and orthogonal experiments are carried outto discuss the effects of Power Phos dosing atdifferent concentrations，Ca2+concentration，temperature，pH and other environmental conditions and the bestconditions.The results show that the bestcombination of scale effects should be：drug concentration 2 mg/L，Ca2+concentration of 300 mg/L，temperature 30℃and pH=8.The impactof various factors on the size of the inhibition rate follows：temperature＞dosing concentration＞pH＞Ca2+concentration.Under this optimal combination of conditions，the Power Phos inhibition rate can be up to 95%.When it is used in a pharmaceutical plant，the inhibition rate of drinking water will reach up to 94%，the effect is obvious and it has good scale performance.

Power Phos scale inhibition rate influence factors best combination

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07301-005）。

牛力 ，男，硕士，从事水污染控制方面研究。

（2015-09-15）