阻垢劑種類、濃度、pH、溫度對阻垢劑抑制碳酸鈣結垢影響的研究

李永剛　余松鴻

摘 要：電導率在阻垢劑性能評測方面具有靈活快速、準確可靠的特點。因此，采用電導率法，通過實驗研究了阻垢劑種類、濃度、初始pH、溫度對抑制碳酸鈣垢形成的影響。結果表明：在一定范圍內，阻垢劑濃度、初始pH、溫度都呈現出階段性的規律。隨著阻垢劑濃度的增加，阻垢劑對水樣中碳酸鈣垢形成的抑制作用也相應增大。阻垢劑質量分數達到6×10^-6后，抑制結垢的作用沒有顯著增加。溫度越高、初始pH越高，阻垢劑對結垢形成的抑制能力越差，在25～35 ℃實驗溫度區間，沒有表現出顯著差異；當初始pH在10以下時，實驗范圍內未有結垢傾向。

關鍵詞：電導率；濁度；阻垢劑；濃度；pH；溫度；結垢

自1953年美國佛羅里達大學Reld教授發現醋酸纖維素膜對鹽類有分離作用后，反滲透作為一種膜分離技術[1]逐漸在生產生活中得到廣泛應用，如井水除鹽、地表水除鹽、飲用水純凈、超純水制備，醫藥、電子等行業用水的前期處理，化工工藝的濃縮、分離，海水、苦咸水淡化，造紙、電鍍、印染等行業用水及廢水處理[2]。當含鹽水溶液被反滲透進一步濃縮至一定水平時，水中高含量、微溶的離子會在反滲透膜表面形成沉淀和結垢，生成CaCO₃、CaSO4、BaSO₄、金屬氧化物等沉積物，影響反滲透的正常運行，縮短膜使用壽命，而解決這一問題最實用和最經濟的方法是使用化學阻垢劑[3]。阻垢劑具有防止或減緩水垢成核和生長的能力，可以通過破壞生長核的熱力學穩定性干擾晶體生長過程，抑制結晶傾向或阻止結垢的形成[4]。阻垢劑的研發一直是熱點，而阻垢劑發展的關鍵是掌握準確、快速、有效的阻垢性能測定方法。目前，實驗室常用的評價方法是靜態阻垢法，原理簡單、所需設備少，但是實驗易受人為因素影響、重現性較差、監測時間長[5]，目前尚沒有統一的實驗標準。電導率法實驗儀器簡單易操作、實驗條件不受限制，非常靈活方便，國內外有一些文獻報道了電導率法的優越性。Drela I等[6]最早開發并測試了基于溶液電導率測量來評價阻垢劑效率的新方法。該方法可快速、選擇性地區分阻垢劑的穩定性能，確定阻垢劑濃度與結垢化合物相對過飽和度之間的定量關系。董社英等[7]用電導法測定了聚天冬氨酸對CaCO₃的阻垢性能，并與靜態阻垢法進行了比較，探討了兩種測定方法的一致性、重現性和優劣性。

本研究用電導法測定不同阻垢劑類型、濃度、初始pH、溫度對抑制CaCO₃生成性能的影響，以期為阻垢劑的實際應用提供參考，以免使用過程中因缺乏基礎認知而影響其綜合效果。

1?實驗原理

電導率法原理：當水體中形成結垢時，離子濃度會瞬間降低，導致電導率變小。因此，根據電導率的變化可以判斷是否產生了結垢，進而評價阻垢劑的阻垢性能，電導率曲線上電導率突變的點就是開始結垢的臨界點。這種基于電導率測定的方法簡稱電導率法。

本實驗采用滴定的方法，滴定液是CaCl₂，被滴定液是Na₂CO₃溶液，剛開始Ca²⁺、CO₃^2-小于CaCO₃溶度積，此時不會產生沉淀。隨著CaCl₂滴定液的增加，Ca²⁺、CO₃^2-不斷增加，達到臨界值時會形成CaCO₃沉淀。

2?主要實驗儀器

電子天平、恒溫水浴鍋、pH計、DDS-318T型電導率儀、dPette大龍電動移液槍、PHS-3C型酸度計。

3?主要實驗藥品

碳酸鈉、氯化鈣、氫氧化鈉（分析純），稀鹽酸、阻垢劑BH-G205、阻垢劑BH-G401、阻垢劑BH-G420、阻垢劑BH-P205（工業級）。

4?實驗方法

4.1? 試液的制備

0.001 25 mol/L碳酸鈉溶液：稱取0.066 25 g碳酸鈉分析純固體藥品，在50 mL燒杯中加適量水攪拌后轉移到500 mL容量瓶中，定容到500 mL。

0.300 00 mol/L氯化鈣溶液：稱取16.650 00 g氯化鈣固體藥品，在50 mL燒杯中加適量水攪拌后轉移到500 mL容量瓶中，定容到500 mL。

4.2? 阻垢劑種類對CaCO3垢形成的影響實驗

安裝實驗儀器，接通電源，準確移取1 mL阻垢劑? ? BH-G205加入250 mL燒杯中，加入10 mL 0.001 25 mol/L碳酸鈉溶液，用去離子水定容到250 mL，將燒杯固定放入水浴鍋中，調整水浴溫度，穩定在25 ℃，轉速為800 r/min，每次滴加0.300 00 mol/L氯化鈣滴定液50 μL，待電導儀上的讀數穩定1 min后讀數。

每次實驗前，燒杯、電導電極、磁子需用稀鹽酸和去離子水清洗，以此去除附著的沉淀，否則在后續結垢過程中會充當晶體形成的結晶核，使結晶沉淀提早到來，影響實驗準確性。

依次更換阻垢劑BH-G401、阻垢劑BH-G420、阻垢劑BH-P205，分別用上述方法進行實驗。

4.3? 阻垢劑濃度對CaCO₃垢形成的影響實驗

阻垢劑BH-P205為上海寶匯環境科技有限公司項目現場正在使用的品種，因此需要進一步探究其性能。以下實驗圍繞阻垢劑BH-P205展開。

將阻垢劑BH-P205的加入量調整為0、0.5、1.5、3.0 mL分別進行實驗。實驗方法同上。

4.4? 初始pH對CaCO₃垢形成的影響實驗

用稀鹽酸或氫氧化鈉溶液分別將阻垢劑BH-P205實驗溶液pH調節為6、7、8、9、10進行實驗，實驗方法同上。

4.5? 溫度對CaCO₃垢形成的影響實驗

用水浴鍋分別將阻垢劑BH-P205實驗溫度調節為20、25、30、35、40 ℃進行實驗，實驗方法同上。

5?實驗結果

5.1? 阻垢劑種類的影響

不同種類阻垢劑的阻垢效果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著氯化鈣的加入，水樣的電導率先升高，這是因為氯化鈣電離產生鈣離子、氯離子，會增加溶液中導電離子的含量，但電導率達到峰值后繼續增加氯化鈣，水樣的電導率會開始下降，這是由于水樣中Ca²⁺、CO₃^2-的含量達到臨界值后會形成碳酸鈣沉淀，自由移動的Ca²⁺、CO₃^2-會迅速減少。圖1中5條曲線表現出的趨勢一致，但是每條曲線中電導率開始下降的拐點存在較大差異。在水體中不存在阻垢劑的情況下，出現拐點的時間最早，這說明阻垢劑的加入在一定程度上延遲了沉淀的形成。從圖1可以看出，每種阻垢劑產生的延遲效應是不一樣的：BH-G205、BH-P205、BH-G420、BH-G401分別在加入200～250、600～650、900～950、1 150～1 200 μL氯化鈣時形成沉淀。由此可見，5種阻垢劑抑制碳酸鈣沉淀的能力大小為BH-G401＞BH-G420＞BH-P205＞BH-G205。

5.2? 阻垢劑質量分數的影響

不同質量分數阻垢劑的阻垢效果如圖2所示。從圖2可以看出，BH-P205的加入可以顯著抑制碳酸鈣垢的形成，未加阻垢劑時，水樣中加入100～150 μL氯化鈣時便形成沉淀；當所加阻垢劑的質量分數為2×10^-6、4×10^-6、6×10^-6、12×10^-6時，水樣分別在加入氯化鈣550～600、600～650、950～1 000、950～1 000 μL時形成沉淀。由此可以看出，阻垢劑對碳酸鈣垢的抑制能力隨著水樣中阻垢劑的增加而提升，當阻垢劑的加入量為2×10^-6和4×10^-6時，抑制能力相差不大，進一步提高阻垢劑的加入量到6×10^-6時，阻垢劑對結垢的抑制能力明顯提升，但再次增加阻垢劑對碳酸鈣垢的抑制能力并沒有得到明顯提升，說明阻垢劑過量不僅不會提升阻垢效果，反而會增加成本。

5.3? 初始pH的影響

不同初始pH的阻垢效果如圖3所示。從圖3可以看出，在實驗范圍內，當溶液初始pH為6、7、8、9時，氯化鈣的加入量一直提高到2 500 μL電導率都沒有出現下降的拐點，即水樣中沒有產生碳酸鈣沉淀。當初始pH為10時，加入650 μL氯化鈣時電導率開始下降，表明開始有沉淀形成。由此可見，使用該阻垢劑時最好將pH控制在10以下。

5.4? 溫度的影響

不同溫度的阻垢效果如圖4所示。從圖4可以看出，在25、30、35 ℃下，形成沉淀的時間比較接近，電導率都是在加入600～650 μL氯化鈣時開始下降，也就意味著沉淀的生成，在20 ℃下電導率出現下降拐點的時間明顯延后許多，在加入約1 100 μL氯化鈣溶液時出現沉淀，而在40 ℃下加入約550 μL氯化鈣溶液時產生沉淀。由此可見，該阻垢劑在20 ℃下抑制碳酸鈣結垢的效果較好，這可能是由于低溫時二氧化碳在水中的溶解度較大，鈣大多是以碳酸氫鈣的形式存在。在25～35 ℃下，該阻垢劑對碳酸鈣結垢的抑制效果并無明顯差異。如果繼續升高溫度，由于水體中的CO2不斷揮發，更易產生沉淀。

6?結論

電導率法是監測阻垢劑阻垢性能的快捷有效方法，實驗儀器簡單、操作方便，在實驗過程中只需要監測溶液的電導率，實驗進展快，和靜態阻垢法相比，準確度更高、重現性更好。

不同阻垢劑對碳酸鈣結垢的抑制能力不一樣。對于同一阻垢劑，溫度、pH和濃度都是影響阻垢性能的重要因素。在25 ℃條件下，隨著阻垢劑的增加，阻垢性能逐漸提升，阻垢劑質量分數超過6×10-6以后阻垢性能的提升速度變緩，可見6×10-6的加藥量比較科學；初始溶液pH對阻垢性能的影響很大，pH在10以下時再加入氯化鈣均沒有出現沉淀現象，pH為10時，加入650 μL氯化鈣時出現沉淀，溫度在25～40 ℃時沉淀出現的時間比較接近，在20 ℃時沉淀出現的時間明顯延遲。

[參考文獻]

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Study on the influence of the type， concentration， pH and temperature on scale inhibitor inhibition of calcium carbonate

Li Yonggang， Yu Songhong

（Shanghai Baohui Environmental Technology Co. Ltd.， Shanghai 201900， China）

Abstract：Conductivity has the characteristics of being flexible， fast， accurate， and reliable in evaluating the performance of scale inhibitors. Therefore， the conductivity method was used to experimentally study the effects of scale inhibitor types， concentrations， initial pH， and temperatures on the inhibition of calcium carbonate scale formation. The results indicate that within a certain range， the concentration， initial pH， and temperature of scale inhibitors all exhibit periodic patterns. As the concentration of scale inhibitors increases， the inhibitory effect of scale inhibitors on the formation of calcium carbonate scale in water samples also increases accordingly. When the mass fraction of scale inhibitor reaches 6×10-6， the effect of inhibiting scaling did not significantly increase. The higher the temperature and initial pH， the poorer the inhibitory ability of scale inhibitors on scale formation. There was no significant difference in the experimental temperature range of 25 to 35 ℃; when the initial pH is below 10， there is no tendency for scaling within the experimental range.

Key words： conductivity; turbidity; scale inhibitor; concentration; pH; temperature; scaling