3種阻垢劑的阻垢性能測試及動(dòng)力學(xué)研究

當(dāng)水中CaCO₃的濃度等于或大于其飽和度時(shí)，即傾向于結(jié)垢，且CaCO₃的溶解度隨著溫度的升高而減少。在冷卻水系統(tǒng)中，由于水溫高于環(huán)境溫度，CaCO₃結(jié)垢的可能性大大增加，不僅影響換熱效果，還會(huì)引起嚴(yán)重的垢下腐蝕問題。添加阻垢劑進(jìn)行阻垢是眾多阻垢方法中相對高效的一種^〔1〕。

目前，關(guān)于聚天冬氨酸（PASP）、聚環(huán)氧琥珀酸（PESA）、馬來酸/丙烯酸（MA/AA）阻垢性能的報(bào)道較多^〔2〕，而阻垢機(jī)理方面報(bào)道得相對較少，筆者主要從這3種阻垢劑的阻垢性能動(dòng)力學(xué)方面來分析其阻垢機(jī)理。

試驗(yàn)藥品： PASP，工業(yè)純，常州市潤洋化工有限公司；PESA，工業(yè)純，廣州市億源環(huán)保科技有限公司；MA/AA，工業(yè)純，鄒平縣東方化工有限公司；氯化鈣，分析純，成都市科龍化工試劑廠；碳酸氫鈉、氯化鈉，分析純，重慶川東化工（集團(tuán)）有限公司；十水四硼酸鈉，分析純，成都化學(xué)試劑廠。

儀器：電熱恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

在去離子水中加入一定量的CaCl₂、NaHCO₃、NaCl溶液，并加入一定量的硼砂緩沖溶液調(diào)節(jié)其pH。

試驗(yàn)參照 GB/T 16632—2008《水處理劑阻垢性能的測定 碳酸鈣沉積法》，利用靜態(tài)阻垢法測定 PASP、PESA、MA/AA對CaCO₃垢的阻垢性能，并做空白試驗(yàn)。

控制Ca²⁺和HCO₃^-的質(zhì)量濃度均為500 mg/L，pH=8，恒溫10 h，考察PASP、PESA、MA/AA在不同溫度和不同質(zhì)量濃度下的阻碳酸鈣垢性能。

阻垢劑濃度、溫度對碳酸鈣垢阻垢率的影響分別如圖 1、圖 2、圖 3 所示。

圖1 PASP 對 CaCO3 垢阻垢率的影響

圖2 PESA 對 CaCO3 垢阻垢率的影響

圖3 MA/AA 對 CaCO3 垢阻垢率的影響

由圖 1可見，隨著PASP質(zhì)量濃度的增加，其阻垢率逐漸增大。因?yàn)镻ASP能與Ca²⁺形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，降低溶液中Ca²⁺濃度，使形成CaCO₃沉淀的可能性降低。同時(shí)還能和已形成CaCO₃小晶體的Ca²⁺作用，進(jìn)一步達(dá)到阻垢的效果。當(dāng)PASP質(zhì)量濃度（C_inh）在0~2.5 mg/L范圍內(nèi)，溫度為80℃時(shí)其阻垢率最高；當(dāng)C_inh為3.0 mg/L、溫度為70℃時(shí)阻垢率最高。這可能是由于阻垢劑與Ca²⁺結(jié)合速率大于成鈣垢反應(yīng)速率，隨著溫度升高，阻垢劑活性增加，但成鈣垢反應(yīng)加快。圖中阻垢率可能為這兩方面共同作用的結(jié)果，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

由圖 2可見，隨C_inh的增加，PESA阻垢率逐漸增大。C_inh在0~2.5 mg/L范圍內(nèi)，溫度為75℃時(shí)阻垢率最高，當(dāng)C_inh在2.5~3.0 mg/L范圍內(nèi)，溫度在80℃時(shí)阻垢率最高。

由圖 3可見，MA/AA在C_inh為1.5 mg/L時(shí)阻垢率最大，能達(dá)到90%左右，說明此阻垢劑存在劑量效應(yīng)。這可能是因?yàn)樽韫竸㎝A/AA加入越多，溶液中所含羧基或醚基也越多，與碳酸鈣晶體表面氧原子之間形成的氫鍵越多，進(jìn)而提高碳酸鈣晶體表面電荷，增加粒子間的相互排斥，但當(dāng)阻垢劑加入過量時(shí)，反而減弱了這種排斥力。

化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的是濃度、壓力、溫度以及催化劑等各種因素對反應(yīng)速率的影響，還研究反應(yīng)進(jìn)行時(shí)要經(jīng)過哪些具體步驟。所以，化學(xué)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理。研究溫度對反應(yīng)速率的影響，就是研究溫度對反應(yīng)速率常數(shù)的影響，也就是要找出速率常數(shù)隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系^〔3〕。

由上文看出，在相同的阻垢劑濃度下，溫度升高，碳酸鈣成垢速率增加，但是隨著溫度升高，阻垢劑活性增大。溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系滿足阿倫尼烏斯方程，可用阿倫尼烏斯方程（1）計(jì)算指前因子（k₀）、活化能（E_a），艾林方程（2）計(jì)算焓變（ΔH_a）、熵變（ΔS_a）。

式中：C_R——反應(yīng)速率，mg/（L·min）；

T——反應(yīng)體系溫度，℃；

N——阿伏伽德羅常數(shù)；

h——普朗克常量；

R——摩爾氣體常數(shù)。

利用3種阻垢劑對碳酸鈣的阻垢性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Ca²⁺為500 mg/L，對式（1）、式（2）方程兩邊同時(shí)取對數(shù)作圖，不同濃度下PASP、PESA、MA/AA的阿倫尼烏斯和過渡態(tài)線性擬合如圖 4、圖 5所示。

圖4 不同濃度 PASP、PESA、MA/AA 的阿倫尼烏斯線性擬合

圖5 不同濃度 PASP、PESA、MA/AA 的過渡態(tài)線性擬合

由圖 4、圖 5的截距和斜率計(jì)算出k₀、E_a、ΔH_a、ΔS_a，具體數(shù)據(jù)如表 1所示。

由表 1可見，對PASP和PESA而言，在不同濃度下的E_a與空白試液比較接近，但MA/AA在不同濃度的E_a均是空白試液的1.5倍以上，即MA/AA在不同濃度下的E_a大于PASP和PESA。其加入MA/AA的溶液活化分子比加入PASP和PESA均少，活化分子越少，與Ca²⁺結(jié)合形成鈣垢的可能性越低，從而反應(yīng)速率減慢，阻垢率提高。該試液中溶劑為水且對反應(yīng)組分無明顯作用。由籠蔽效應(yīng)可知，如果反應(yīng)的E_a小，反應(yīng)速率快，則為擴(kuò)散控制；若反應(yīng)E_a大，反應(yīng)速率慢，則為活化控制。由此可見，PASP和PESA為擴(kuò)散控制，而MA/AA為活化控制。在工程中若通過攪拌等方法加速PASP、PESA和MA/AA的擴(kuò)散，PASP和PESA的阻垢率變化遠(yuǎn)大于MA/AA的變化。

MA/AA的k₀均高于空白試液的k₀。對不同的阻垢劑來說，其k₀和E_a處于相同變化，則E_a和k₀越大，成鈣垢的可能性越小，其反應(yīng)速率越低。

PASP、PESA和MA/AA的ΔH＞0，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。對PASP和PESA而言，不同阻垢劑濃度下的ΔH_a和ΔS_a值與空白試液比較接近。但MA/AA的ΔH_a和ΔS_a值與空白試液差別較大。由于加入PASP和PESA的試液E_a低，活化分子較多，引起成鈣垢反應(yīng)較快，反應(yīng)速率較大，從而使其混亂度降低，即熵減的反應(yīng)。加入MA/AA的試液其活化能較高、活化分子較少，引起成鈣垢反應(yīng)較慢，試液中Ca²⁺較多，從而其混亂度較大，即熵增的反應(yīng)。

研究結(jié)果表明，MA/AA、PASP、PESA這3種阻垢劑均存在最佳活性溫度。MA/AA的阻垢效果明顯高于PASP、PESA。這是由于MA/AA含有羧基或醚基，可與碳酸鈣晶體表面氧原子之間形成氫鍵，從而提高碳酸鈣晶體表面電荷，增加粒子間的相互排斥，達(dá)到阻垢的效果。加入MA/AA試液的指前因子和活化能均高于空白試液，使其Ca²⁺結(jié)合形成鈣垢的可能性降低，從而反應(yīng)速率減慢，阻垢率提高。對阻垢劑的阻垢性能可通過阻垢反應(yīng)的k₀和E_a進(jìn)行評價(jià)，但MA/AA存在劑量效應(yīng)。

由籠蔽效應(yīng)可知，PASP和PESA為擴(kuò)散控制，MA/AA為活化控制。通過控制類型的研究可對化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究、反應(yīng)器的選用和設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。