王风云，雷武，夏明珠(南京理工大学工业化学研究
所，南京210094)
[摘要】通过阻垢作用机理的回顾，该文对目前常用阻垢剂评定方法的特点与局限性进行r 讨论，认为静态阻垢法、鼓泡法、极限碳酸盐硬度法、pH位移法和电导法评价的只是阻垢剂的
整合能力和部分分散能力，无法考虑其余分散能力和品格畸变能力的贡献．因此都只适用于中低 硬度系统中阻垢剂性能的评定。最后对能够评定阻垢剂分散能力和品格畸变能力的方法进行了初
步介绍。
[关键词】循环冷却水；阻垢剂；性能评定方法
X
P roblems in the methods ofsc ale i nhibitor eval uati ng
Wang Feng,yun．Lei Wu&Xia
Mi ngz hu
(Industrial Chemis try Institute,Nanjing U ni ver si ty ofScience＆Technology,Nanjing 210094) A bs trac t：By reviewing the inhibition mec h anis ms of the sc ale i nhi bi tor,thi s paper is a dis cussion about the pr operti es and the defects of the cu rre nt e val uati on meth o ds．It is prov ed that the static met hod，th e aer ati on meth od，th e li mit har dh es s m eth od，th e p H shift meth od and the c onduc tanc e method a r e c onc ern ed onl y the
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波导
扬州大学职前教育>量子电子学报f di s per s e Th e c ontributions from the remained dis pers e and the cry stal distort a rc e xc l ud ed．T h er efor e，th es e
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i mr oduc ed．K ey words：c ooling water；s c al e i nhi bi tor；eval uati ng me thod
阻垢分散作用是水质稳定剂的主要基本功能。建立正确、简便、客观的阻垢剂性能评定方法是广大水处理工作者的任务之一。目前我国实验室常用的评定方法主要有静态阻垢法{II、鼓泡法12培口极限碳酸盐硬度法pI等。这些方法大多存在测定时间长、操作烦琐、重现性不理想等缺点，为此，在综合评价、改进这些方法的基础上[4,51，我们又先后提出了pH位移法16,7J和电导法[81等评定方法。与经典方法相比，pH位移法和电导法具有实验周期短(由6h～24h缩减到2min～10r ain)、操作相对简单(只需一台pH计或电导率
仪)、
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数据币现性好等特点，但它们的所反映的仍只是螫合作用的贡献，测定结果同样也不能反映阻垢剂的综合性能。虽然量热法191可同时反映晶体成核和生长过程的贡献，但受温度测量精度(采删贝克曼温度训…，测温精度为0．001℃)的影响，方法的系统误差较大．较难反映不同阻垢剂之间的细微差别。因此，探索客观、公正、简便的实验室评定阻垢剂综合阻垢性能的方法，是一项具有实际意义的工作。
1阻垢剂作用机理
从作用机理上来讲，阻垢剂的作用可分为螯合、分散和晶格畸变三部分。且分散作用是螫合作用的补救措施，晶格畸变作用是分散作用的补救措施。
小学数学课堂教学的有效性1．1螯合作用
由中心离子和某些合乎一定条件的同一多齿配位体的两个或两个以上配位原予键合而成的具有环状结构的配合物的过程称为螯合作用。螯合作用的结果是使得成垢阳离子(如ca”、Mg”等)与螫合剂作用生成稳定的螯合物，从而阻止其与成垢阴离子(如C03…、
SO。2、PO。31和Si032等)的接触，使得成垢的几率大大下降。螯合作用是按化学计量进行的(朝I 1个EDTA分了螯合1个二价金属离子)。螫合剂的螯合能力可用钙螯合值来表示。通常商品水处理剂的螫合能力为：ATMP(50％活性含量)约300 mg／g(碳酸钙计)；DTPMP(50％活性含量)约450 mg／g(碳酸钙计)；EDTA(50％活性含量)约1 50 mg／g(碳酸钙计)；HEDP(50％活性含量)约450 r ag／g(碳酸钙计)。
由此可以看出，螯合作用的贡献是很小的。折合算来，lmg螯合剂只能螯合不足0,5
mg CaC03垢。若需将总硬为5 mmol／L的钙镁离子稳定在循环水系统中，所需的螯合剂最为1000 m
g／L，这种投加量在经济上是无法承受的。由此可见，阻垢剂螫合作用的贡献只是其中很小一部分。但在中低硬度水中，起重要作用的仍是阻垢剂的螯合作用。1．2分散作用
分散作用示意吲如图1所示。
图1分散作用示意图
分散作用的结果是阻止成垢粒子间的相互接触和凝聚，从而可阻止垢的生长。成垢悬崖边的贵族
·311·
2005年诺贝尔医学奖粒了口J以是钙、镁离r，也可以是由千百个CaC03、Mg CO，分子组成的成垢颗粒，还可以是尘埃、泥沙或其他水不溶物。分散剂是具有一定分子量(或聚合度)的聚合物，分散性能的高低与分子量(或聚合度)的大小密切相关。聚合度过低，则被吸附分散的粒子数少，分散效率低；聚合度过高，则被吸附分散的粒子数过多，水体变浑浊，甚至形成絮体(此叫的作用与絮凝剂相近)。与螯合作J；}j相比，分散作用是高效的。实验表明，1mg
分散剂可使101mg～102 mg的成垢粒予稳定地存在于循环水中。在中高硬度水中，阻垢剂的分散功能起主要作川。
1．3晶格畸变作用
当系统的硬度、碱度较高，所投入的螯合剂、分散剂不足以完全阻止它们析出的时候，它们就不可避免地析出。如果没有分散剂的存在，垢的生长将服从晶体生长的一般规律，所形成的垢坚I胡地附着在热交换器表面上，如果有足量的分散剂的存在，由于成垢粒子(由成百上千个CaCO，分子组成)被分散剂吸附、包围，阻止了成垢粒子在其规则的晶格点阵上排列，从而使所生成的污垢松软、易被水流的冲刷而带走。投加与不投加分散剂时所形成的垢样的x．衍射图和电子扫描电镜照片如图2、图3所示。
图2无(a)、有(b)阻垢剂时垢样的X一衍射图
从图2、图3可以看出：不加分散剂的CaC03垢样具有规则的外形，质地坚硬，其312
X一衍射图也具有确定的峰；投加分散剂后，CaC03垢样呈无定型状态，质地松软，其x．衍射图的晶体特征较弱，表明分散剂的存在确实改变了晶体的结构，具有较好的晶格畸变作川。在高硬霞垢水中，阻垢剂的晶格畸变性能起主要作用。
图3无(a)、有(”阻垢剂时垢样的扫描电镜照片
2阻垢性能评定方法及其特点
2．1螯合能力与部分分散能力的测定
在阻垢剂评定试验中，将达平衡后的试样“静置10 h”或“凉至室温”，用E DTA滴定“上层清液”或“滤液”中的“稳定”钙离子浓度，以“上层清液”或“滤液”中“稳定”钙离子浓度的多少来评价阻垢剂阻垢性能的优劣。属于这种评定方法的有静态阻垢法、鼓泡法和极限碳酸盐硬度法等。
在有阻垢剂存在的条件下，溶液中ca2+的存在形式有以下几种：自由钙离子f比例很小)、含钙离子对(jtll[C aOH]。，【C aS04】0‟[C aCl]+，【CaC|2】0，[C alI C03r等，比例较小)、钙螫合物(所占比例与所投入的螯合剂浓度有关)、被分散剂吸附且能够悬浮在溶液中的Ca C03颗粒、被分散剂吸附且沉积在容器底部的CaCO，淤泥等。随着硬度的升高或浓缩倍数的升高，溶液中碳酸钙颗粒的个数越来越多，粒径也越来越大，因此被分散剂吸附且不能在溶液中悬浮的CaCO，的比例越来越高
显然，上述所谓的“上层清液”或“滤液”中只含有自由钙离子、含钙离子对、钙螯合物和部分被分散剂吸附且能够悬浮在溶液中的Ca CO，颗粒。在硬度较低、阻垢剂浓度较高的条件下，这也许包含了溶液中总钙的绝大部分，用此时的测定结果表示阻垢剂的阻垢能力是正确的。但当溶液的硬度较高、阻垢
剂浓度相对较低时，沉积在底部的CaC03淤泥状垢已成了溶液中总钙的大部，此刚…仍用“上层清液”或“滤液”中的钙离子含量来表示阻垢剂的阻垢能力则就不正确了。
2．2螫合能力的测定
pH位移法和电导法是测定溶液因Ca”与C03=的结合而引起的溶液pH值和电导变化的测定方法【64l。由于CaC03晶体的生长(或聚集)和老化不能引起溶液中H+浓度和导电粒了数的变化，因此pl{位移法和电导法是单纯测定阻垢剂螯合能力的方法。
研究表明，在一定的硬度范罔内，pH位移法和电导法的测定结果与经典的静态阻垢法和鼓泡法具有相同的变化趋势，表明这两类方法的测定内容的本质是相同或相近的。
进一步nJ以推断，在静态阻垢法、鼓泡法和极限碳酸盐硬度法等测定方法中，相对于螫合能力，分散能力的贡献相对较小。即很少计及分散能力的阻垢贡献。
2 3传统评定方式下常规阻垢剂的阻垢性能
由于常规阻垢剂性能评定方法(静态阻垢法、鼓泡法、极限碳酸盐硬度法、pH位移法和电导法)所测定的主要是药剂的螯合性能，很少计及药剂的分散能力，更不包含药剂的品格畸变能力，因此这些方法在评价中、低硬度水中阻垢剂的阻垢性能是适用的，但对于高垢水质，这些方法则是不适用的，其结
果也是不正确的。由于HEDP和ATMP 具有较好的螫合能力，采_|{j上述评定方法可得到它们的阻垢能力优于任何阻垢分散剂(如PAA，HPMA，PESA，POC A和PAPEMP等)的结论，这显然是不正确的；用这些方法也几乎不能分辨各种阻垢分散剂(包括水法聚马与溶剂法聚马)之间的差别，这显然也是
不合理的。
有一种适用于高硬度、高碱度、高浓缩倍数水质的复合药剂【l ，经典方法评价得到阻垢率为20％～35％的结论，动态模拟法得到阻垢率>90％的结论，现场使用于补水总硬为7．5 mmol／L，碱度为9．2 mmol／L，浓缩倍数为2．5的循环水系统，3年未发生结垢现象。这进一步表明，目前所广泛使用的阻垢性能评定方法(静态阻垢法、鼓泡法、极限碳酸盐硬度法、pH位移法和电导法)是片面的，在评价高硬水中阻垢剂的性能方面与实际相距较远。
3其它评定方法
可_L}；|于评定阻垢剂性能的方法很多，如用扫描电子显微镜可观察晶体的成核、生长、聚集和吸附过程。用原子力显微镜研究有阻垢剂存在的碳酸钙晶体的生长，可以看出阻垢剂对生长的抑制作爿j。用x．衍射法可以比较在不同阻垢剂存在的条件下垢样的细碎程度、晶体的畸变程度及晶系的变化。用粒径分布仪可研究在不同阻垢剂存在的条件下，成垢物质的成核和生长动力学。但这些方法大多需借助专门的仪器，只能被研究机构采纳，很难在广大用户和现场评定中推广。
动态模拟法是评定缓蚀阻垢剂性能的最可靠方法，但由于其实验时间长、物力财力人力消耗大，也不是一种多快好省的方法。我们实验室所采用的硬垢测定法是一种能够·314·
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