1 水垢的形成
水垢是具有反常溶解度的難溶或微溶鹽，易在器壁尤其是金屬表面處析出沉積。其形成過程為 ：微細(xì)結(jié)晶在過飽和溶液中處于溶解-結(jié)晶的亞穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)晶在器壁聚集黏附并有序長大，結(jié)成水垢 。水垢是否形成主要取決于鹽類是否過飽和及其結(jié)晶的生長過程，與成垢離子、水質(zhì)情況、器壁形態(tài)等密切相關(guān)。系統(tǒng)中的成垢離子越飽和、水的硬度越高，結(jié)垢傾向越嚴(yán)重 ; 粗糙的金屬表面和雜質(zhì)對(duì)結(jié)晶過程也有催化作用 ，會(huì)促進(jìn)水垢析出 。
大部分水垢外觀呈白色或灰白色，質(zhì)硬且致密，以碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鈣鹽和硅酸鹽的鈣鎂鹽為主，其中最典型的是碳酸鈣垢，此外工業(yè)鍋爐中還可能產(chǎn)生鐵垢和銅垢等。
2 水垢防治方法
水垢的防治方法有阻垢和除垢 2 種，前者是抑制或消除結(jié)垢，后者是對(duì)系統(tǒng)中已經(jīng)形成的垢進(jìn)行清除。 防垢方法有化學(xué)法、物理法、生物法、化學(xué)/物理法，筆者主要對(duì)化學(xué)法及物理法進(jìn)行介紹 。
2.1 化學(xué)方法
化學(xué)防治方法主要有石灰軟化法、加堿沉淀法、碳化處理、加酸處理、離子交換軟化法和投加阻垢劑法等 ，前 4 種方法比較傳統(tǒng)，效果直接但耗費(fèi)藥劑量大，產(chǎn)生的廢液需進(jìn)行處理 ，應(yīng)用成本較高 ，因此已逐漸淘汰 。 目前國內(nèi)外較為先進(jìn)的處理方法為離子交換軟化法和投加阻垢劑法 。
2.1.1 離子交換軟化法
離子交換軟化法采用鈉型陽離子交換樹脂對(duì)硬水進(jìn)行處理 ，水中的 Ca2+、Mg2+等與 Na+發(fā)生交換，并與樹脂結(jié)合：
該方法可除去水中的 Ca2+、Mg2+結(jié)垢離子，達(dá)到阻垢目的。 離子交換法可以起到深度軟化水的效果 ，但是設(shè)備在使用過程中需重復(fù)再生。
2.1.2 投加阻垢劑法
目前水處理系統(tǒng)中采用的阻垢劑主要為阻垢緩蝕劑和阻垢分散劑 。 阻垢緩蝕劑有無機(jī)聚合磷酸鹽、 有機(jī)磷酸鹽，循環(huán)水系統(tǒng)多 采用有機(jī)多元磷酸 。阻垢分散劑主要是中、低分子質(zhì)量的水溶性聚合物 ，包括均聚物和共聚物 2 大類 ，均聚物有聚丙烯酸、 聚環(huán)氧琥珀酸、 聚天冬氨酸及其鈉鹽等 ; 共聚物的品種較多 ，以丙烯酸系和馬來酸系的二元或三元共聚物為主，還有磺酸類共聚物和含磷共聚物等。
由于水處理藥劑多為磷系 ，存在富營養(yǎng)化問題，易產(chǎn)生“赤潮 ”公害 。 隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，一些低磷、無磷的綠色阻垢劑 成為國內(nèi)外水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 。 20 世紀(jì) 90 年代開始即有綠色阻垢劑的開發(fā)研究 〔2〕，目前已有報(bào)道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及 緩蝕性能 ，且具有可生物降解性，應(yīng)用前景廣闊 〔3〕。
2.2 物理方法
物理方法主要是利 用電、磁、光、聲等技術(shù)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屬材料換熱面、膜法水處理、靜電水處理、 電子水處理、 磁化處理和超聲波處理等 。其中物理清洗只能清除已 生成的老垢 ，但其操作簡單 ，適用于對(duì)控垢要求不高的場合 ; 采用防腐阻垢涂料及非金屬換熱面可改變?cè)O(shè)備材料的表面性能 ，使成垢離子難以在接觸設(shè)備上沉積 ，達(dá)到阻垢目的 ，但由于施工復(fù)雜 ，應(yīng)用場合受到限制 。 目前采用的典型物理方法有膜分離法、磁化處理法、靜電水處理法、 電子水處理法、 超聲波水處理法等。
2.2.1 膜分離法
該方法以膜作為分離介質(zhì) ，通過膜兩側(cè)的推動(dòng)力 ( 壓力差、 濃度差、 電位差等) 使水與微粒分離。 膜法水處理主要有納濾和反滲透。 反滲透法一般應(yīng)用在鍋爐上，對(duì)硬度離子的去除率達(dá)到 90%以上 〔4〕。 納濾膜( 孔徑 1.0~3.0 nm) 可使水中大部分單價(jià)離子透過，而二價(jià)離子和高價(jià)離子如 Ca2+、Mg2+、SO42- 、Fe3+ 等基本不透過，其硬度去除率能達(dá)到 90%以上 〔5〕。
使用膜法除垢的最大問題之一是膜污染。 在膜工作過程中 ，水中的微粒、 膠體粒子或溶質(zhì)大分子在膜面或膜孔內(nèi)發(fā)生吸附、沉積 ，導(dǎo)致膜孔變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量和分離特性的不可逆變化，需進(jìn)行重新清洗，處理成本增加 。
2.2.2 磁化處理法
磁化處理是利用磁場作用改變水質(zhì) ，影響成垢離子的溶解、結(jié)晶、聚合等過程 ，生成疏松的軟垢 ，防 止硬垢產(chǎn)生，并使已成硬垢的方解石轉(zhuǎn)變成文石〔6〕，隨污排走。
磁化處理根據(jù)磁源位置的不同可分為內(nèi)磁式和外磁式 。 其中外磁式在檢修時(shí) 不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路現(xiàn)象，具有更大的優(yōu)越性。 按磁場形成方式又可分為永磁式和 電磁式 〔7〕。 永磁式磁水器的優(yōu)點(diǎn)是不耗電、結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便 ，國內(nèi)外應(yīng)用較廣泛 ，但其磁場強(qiáng)度有賴于新型磁性材料和充磁技術(shù)的開發(fā)，且磁場強(qiáng)度一般不能調(diào)節(jié)，此外還存在隨時(shí)間延長 或水溫提高而退磁的現(xiàn)象 。電磁式磁水器耗電量大，但磁場強(qiáng)度容易調(diào)節(jié)，處理能力強(qiáng)、 效率高，不受時(shí)間及溫度的影響 ，穩(wěn)定性好，適宜在對(duì)水質(zhì)要求較高的場合中使用 。
盡管磁化防垢技術(shù)已有很大進(jìn)展 ，而且在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中 得到廣泛應(yīng)用 ，但水系統(tǒng)的復(fù)雜性及多變性使得深入研究 磁化水處理比較困難，目前磁化控垢機(jī)理尚未形成統(tǒng)一定論。 大多數(shù)研究都是從各自的實(shí)驗(yàn)結(jié) 果出發(fā) ，導(dǎo)致磁化阻垢除垢的應(yīng)用設(shè)計(jì)缺乏有力依據(jù) ，工作穩(wěn)定性無法保證，影響其應(yīng)用成功性。
2.2.3 靜電水處理
靜電水處理器由高壓直流電源和水靜電化裝置組成 。 采用靜電水處理時(shí)將 水通過高壓靜電場( 3 400~6 000 V)，可改變水的分子結(jié)構(gòu)或 電 子 結(jié)構(gòu) ，使成垢離子不在器壁聚集，達(dá)到阻垢、溶垢的目的 。 高壓靜電場可使水生物的細(xì)胞壁發(fā)生破裂 ，因此其還具有較強(qiáng)的抑菌滅藻功能 〔8〕。 靜電水處理存在一個(gè)作用時(shí)間 ，超過作用時(shí)間以后成垢離子仍會(huì)發(fā)生沉積 ，且需定期清理靜 電水處理器過濾系統(tǒng)的垢渣 。
2.2.4 電子水處理
電子水處理與靜電水處理有很多共同點(diǎn) ，其設(shè)備核心是電子水處理器 。 陽極為不溶性金屬電極 ，一般為鈦修飾電極 ，陰極一般采用鍍鋅無縫鋼管 ，電源為低壓直流或具有某種 特定波形的低壓脈沖電源 。 待處理水從處理器下部進(jìn)水口 處進(jìn)入 ，與金屬陽極接觸一段時(shí)間后 ，從上部出水口處流出 。 在接觸過程中 ，低壓電場可使粒子的水合程度和聚集狀況發(fā)生變化 ，改變水分子的自身 狀態(tài)和締合程度 〔9〕，一方面增加了水的溶解能力、減少水垢形成，另一方面促進(jìn)已形成的水垢逐漸松散、 剝落，達(dá)到除垢的效果 。 徐浩等 〔10〕的研究顯示 ，電子水處理的阻垢率 > 90%。 也有研究表明電子水處理還具有殺菌滅藻、 緩蝕防腐的功效 〔11〕。 但電子水處理技術(shù)研究起步晚 ，技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，裝置性能不穩(wěn)定 ，電極需定期或不定期清理。
2.2.5 超聲波水處理
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ，會(huì)使媒質(zhì)中的粒子間發(fā)生相互作用 ; 當(dāng)超聲波的機(jī)械能振動(dòng)使粒子加速度達(dá)到一定值時(shí) ，就會(huì)產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)效應(yīng)( 高速微渦效應(yīng)、剪切應(yīng)力效應(yīng)、超聲凝聚效應(yīng) ) 〔12〕，從而起到防垢及除垢雙重作用 。 劉天慶等 〔13〕采用超聲 -臭氧技術(shù)處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的生物垢 ，研究發(fā)現(xiàn)頻率為 20 kHz、 振幅為 20%的超聲波可有效抑制生物垢的形成，還可移除 90%以上的已形成生物垢。 超聲波阻垢除垢技術(shù)作為一種環(huán)保、 先進(jìn)的水處理技術(shù)已應(yīng)用到電力行業(yè)、 油田系統(tǒng)中 ，但其理論研究方面比較薄弱 ，尤其國內(nèi)研究得不夠充分。
3 結(jié)語
目前已發(fā)展的水垢防治方法各有所長，在實(shí)際應(yīng)用中常需結(jié)合使用 2 種或 2 種以上的控垢方法 。目前應(yīng)用較多的是化學(xué)類防垢除垢方法，其操作簡單，除垢效果穩(wěn)定 ，效率高，但藥劑及人工費(fèi)用較高，且當(dāng)處理不當(dāng)或藥劑使用不當(dāng)時(shí)都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和管道腐蝕，此外化學(xué)除垢藥劑對(duì)操作人員的健康也有一定損害 ，除垢處理后的廢液易對(duì)環(huán)境構(gòu)成威脅，其發(fā)展受到一定限制 。 因此進(jìn)一步開發(fā)生物降解性能好、 除垢效率高且經(jīng)濟(jì)易行的新型阻垢劑 ，將是今后水垢防治的重要研究方向之一 。
物理防垢方法自動(dòng)化程度高且操作簡單 ，在阻垢、 殺菌和除藻等方面有一定效果 ，但處理強(qiáng)度較高的硬垢和腐蝕產(chǎn)物時(shí)效果一般不理想 。 物理防垢方法的作用機(jī)理尚不清楚，工作穩(wěn)定性也有待提高，但其對(duì)環(huán)境危害小 ，適于大規(guī)模推廣應(yīng)用 ，是水垢防治的一個(gè)重要研究方向 ，具有廣闊的發(fā)展前景。
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