有機(jī)磷系阻垢劑對(duì)水中三氧化二鐵的分散效果研究

豐彬田 何小帝(華北電力大學(xué) 河北 保定071003)

前言

長(zhǎng)期的實(shí)踐使人們認(rèn)識(shí)到熱力系統(tǒng)中水的品質(zhì)是影響發(fā)電廠熱力設(shè)備如鍋爐、汽輪機(jī)等安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素之一。沒(méi)有經(jīng)過(guò)凈化處理的天然水含有許多雜質(zhì)，這種水如進(jìn)入汽水循環(huán)系統(tǒng)將會(huì)造成各種危害。一般將能夠防止水垢和污垢產(chǎn)生或者抑制其沉積生長(zhǎng)的化學(xué)藥劑統(tǒng)稱為阻垢劑。阻垢劑在工業(yè)上常用的形式主要有阻垢緩蝕劑和阻垢分散劑兩種。

目前，高溫高壓鍋爐對(duì)補(bǔ)給水采取了二級(jí)脫鹽處理，已經(jīng)避免了低壓的那種以碳酸鹽或硅酸鹽為主要成分的結(jié)垢情況，而是以氧化鐵垢為主，氧化鐵垢已經(jīng)成為高溫高壓鍋爐安全運(yùn)行的最大危害。因此，分析氧化鐵垢和腐蝕的特點(diǎn)和影響因素并提出有效的對(duì)策，對(duì)火電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。

一、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

1.PAL阻垢劑對(duì)氧化鐵分散效果的研究

(1)PAL阻垢劑濃度對(duì)氧化鐵的分散效果

分別取50ml鐵標(biāo)樣于5個(gè)150ml錐形瓶中，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后依次加入0mg，0.01mg，0.02mg，0.03mg，0.04mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將5個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫16個(gè)小時(shí)。16個(gè)小時(shí)后取出后冷去過(guò)濾，取出濾液測(cè)量吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以阻垢劑濃度為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖1 PAL阻垢劑濃度對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖1可以看出，隨著PAL阻垢劑濃度的增大，PAL阻垢劑的阻垢率先快速上升，當(dāng)上升到55%時(shí)開(kāi)始緩慢上升，穩(wěn)定后接近平緩的一條直線，阻垢率幾乎不變。剛開(kāi)始時(shí)，阻垢劑濃度遠(yuǎn)小于鐵離子濃度，阻垢劑能和鐵離子充分反應(yīng)，所以剛開(kāi)始時(shí)，阻垢率隨阻垢劑濃度的增大而快速增大。當(dāng)增大到一定值時(shí)，阻垢劑與鐵離子的反應(yīng)接近于飽和，所以隨著阻垢劑濃度的增大阻垢率幾乎不變。

(2)鐵離子濃度對(duì)氧化鐵的分散效果

分別取10ml，30ml，50ml，70ml鐵標(biāo)樣于4個(gè)150ml錐形瓶中，加入適量去離子水，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后各加入0.02mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將4個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫。16個(gè)小時(shí)后取出，冷去過(guò)濾，取濾液測(cè)量吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以鐵離子濃度為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖2 鐵離子濃度對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖2可以看出，隨著鐵離子濃度的增大，PAL阻垢劑的阻垢率一直下降，且下降的速率越來(lái)越快，穩(wěn)定后無(wú)限接近平0。剛開(kāi)始時(shí)，阻垢劑濃度遠(yuǎn)大于鐵離子濃度，阻垢劑能和鐵離子充分反應(yīng)，鐵離子幾乎完全與阻垢劑反應(yīng)，所以剛開(kāi)始時(shí)，阻垢率最大。當(dāng)鐵離子增大到一定值時(shí)，阻垢劑與鐵離子的反應(yīng)接近于飽和，之后增加的鐵離子將不予阻垢劑反應(yīng)，所以隨著鐵離子濃度的增加，未與阻垢劑反應(yīng)的鐵離子就越來(lái)越多，即阻垢率越來(lái)越低。由圖2可以看出當(dāng)PAL阻垢劑濃度為4mg/L時(shí)，最佳鐵離子濃度為100mg/L，因?yàn)楫?dāng)鐵離子濃度低于100mg/l時(shí)，阻垢率降低速率很小，而當(dāng)鐵離子高于100mg/l，阻垢率下降速率很快。從高效，經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，當(dāng)阻垢劑濃度為4mg/L，鐵離子濃度為100mg/l時(shí)，既可以保證足夠的阻垢率，又可以盡量減少阻垢劑用量，從而達(dá)到高效，經(jīng)濟(jì)的目的。

(3)溫度對(duì)氧化鐵分散效果的研究

分別取50ml鐵標(biāo)樣于5個(gè)150ml錐形瓶中，加入適量去離子水，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后各加入0.02mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。在將4個(gè)容量瓶分別移入20℃，40℃，60℃，80℃的恒溫箱中恒溫。16個(gè)小時(shí)后取出冷去過(guò)濾，取濾液測(cè)量測(cè)出吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵離子的濃度，計(jì)算阻垢率，并以恒溫溫度為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖3 溫度對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖3可以看出，隨著溫度的升高，PAL阻垢劑的阻垢率一直下降，且下降的速率越來(lái)越慢，穩(wěn)定后下降趨勢(shì)幾乎為零，阻垢率穩(wěn)定不變。PAL阻垢劑的溶度積隨溫度的增高而降低。剛開(kāi)始時(shí)，溫度低，阻垢劑完全融于溶液中，溶液中阻垢劑濃度最大，由圖1可以看出，阻垢劑濃度越大，阻垢效果越好。所以剛開(kāi)始時(shí)，阻垢率最大。隨著溫度的升高，阻垢劑的溶度積變小，導(dǎo)致溶液中的阻垢劑濃度降低，所以阻垢率降低。之后由于阻垢劑濃度已經(jīng)很小了，溫度的增加對(duì)溶液中的阻垢劑濃度影響不大，所以阻垢率穩(wěn)定。由圖可以看出，溫度在40℃至60℃之間時(shí)，阻垢率下降的很明顯，所以，溫度應(yīng)維持在40℃之下。

(4)恒溫時(shí)間對(duì)氧化鐵分散效果的研究

分別取50ml鐵標(biāo)樣于4個(gè)150ml錐形瓶中，加入適量去離子水，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后各加入0.02mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將4個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫。各分別恒溫8，16，24，32個(gè)小時(shí)后取出，冷去過(guò)濾，取濾液測(cè)量測(cè)吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以恒溫時(shí)間為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖4 恒溫時(shí)間對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖4可以看出，隨著恒溫時(shí)間的延伸，PAL阻垢劑的阻垢率一直下降，且下降的速率越來(lái)越快。因?yàn)楹銣貢r(shí)間越長(zhǎng)，溶液蒸發(fā)量也越來(lái)越大，阻垢劑的濃度和鐵離子的濃度也越來(lái)越大，但鐵離子濃度的變化率大于阻垢劑濃度的變化率。所以鐵離子濃度增大對(duì)阻垢率的影響大于阻垢劑濃度增大對(duì)阻垢率的影響，從而導(dǎo)致阻垢率降低。而且，恒溫時(shí)間越長(zhǎng)，已經(jīng)阻垢劑和氧化鐵的絡(luò)合物可能分散開(kāi)，導(dǎo)致溶液中氧化鐵含量，從而導(dǎo)致阻垢率阻垢率降低。從圖中可以看出，在恒溫16個(gè)小時(shí)之前，阻垢率下降的很緩慢，16小時(shí)之后，阻垢率下降趨勢(shì)變快，考慮到高效，經(jīng)濟(jì)等因素，恒溫時(shí)間盡量維持在16小時(shí)之前。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，換水周期不要超過(guò)16小時(shí)，這樣既能保證足夠的阻垢率，又能避免頻繁換水帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

2.ATMP阻垢劑對(duì)氧化鐵分散效果研究

(1)ATMP阻垢劑濃度對(duì)氧化鐵的分散效果的研究

分別取50ml鐵標(biāo)樣于5個(gè)150ml錐形瓶中，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后依次加入0mg，0.01mg，0.02mg，0.03mg，0.04mg ATMP阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將5個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫16個(gè)小時(shí)。16個(gè)小時(shí)后取出后冷去過(guò)濾，取出濾液測(cè)量吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以阻垢劑濃度為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖5 阻垢劑濃度對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖5可以看出，隨著ATMP阻垢劑濃度的增大，ATMP阻垢劑的阻垢率先快速上升，當(dāng)上升到60%左右時(shí)開(kāi)始緩慢上升，穩(wěn)定后接近平緩的一條直線，阻垢率幾乎不變。剛開(kāi)始時(shí)，阻垢劑濃度遠(yuǎn)小于鐵離子濃度，阻垢劑能和鐵離子充分反應(yīng)，所以剛開(kāi)始時(shí)，阻垢率隨阻垢劑濃度的增大而快速增大。當(dāng)增大到一定值時(shí)，阻垢劑與鐵離子的反應(yīng)接近于飽和，所以隨著阻垢劑濃度的增大阻垢率幾乎不變。由圖5可以看出ATMP的最佳阻垢劑濃度為4mg/l，因?yàn)楫?dāng)阻垢劑濃度大于4mg/l時(shí)，阻垢率增加量很小，幾乎不變，從高效，經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，阻垢劑為4mg/l時(shí)，既可以保證足夠的阻垢率，又可以盡量減少阻垢劑用量，從而達(dá)到高效，經(jīng)濟(jì)的目的。

(2)鐵離子濃度對(duì)氧化鐵的分散效果的研究

分別取10ml，30ml，50ml，70ml鐵標(biāo)樣于4個(gè)150ml錐形瓶中，加入適量去離子水，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后各加入0.02mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將4個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫。16個(gè)小時(shí)后取出，冷去過(guò)濾，取濾液測(cè)量吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以鐵離子濃度為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖6 鐵離子濃度對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖6可以看出，隨著鐵離子濃度的增大，ATMP阻垢劑的阻垢率一直下降。剛開(kāi)始時(shí)，阻垢劑濃度遠(yuǎn)大于鐵離子濃度，阻垢劑能和鐵離子充分反應(yīng)，鐵離子幾乎完全與阻垢劑反應(yīng)，所以剛開(kāi)始時(shí)，阻垢率最大。當(dāng)鐵離子增大到一定值時(shí)，阻垢劑與鐵離子的反應(yīng)接近于飽和，之后增加的鐵離子將不予阻垢劑反應(yīng)，所以隨著鐵離子濃度的增加，未與阻垢劑反應(yīng)的鐵離子就越來(lái)越多，即阻垢率越來(lái)越低。由圖6可以看出當(dāng)PAL阻垢劑濃度為4mg/l時(shí)，最佳鐵離子濃度為40mg/l，因?yàn)楫?dāng)鐵離子濃度低于40mg/l時(shí)，阻垢率降低速率很小，而當(dāng)鐵離子高于40mg/l，阻垢率下降速率很快。從高效，經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，當(dāng)阻垢劑濃度為4mg/l，鐵離子濃度為40mg/l時(shí)，既可以保證足夠的阻垢率，又可以盡量減少阻垢劑用量，從而達(dá)到高效，經(jīng)濟(jì)的目的。

(3)溫度對(duì)氧化鐵分散效果的研究

分別取50ml鐵標(biāo)樣于4個(gè)150ml錐形瓶中，加入適量去離子水，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后各加入0.02mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將4個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫。各分別恒溫8，16，24，32個(gè)小時(shí)后取出，冷去過(guò)濾，取濾液測(cè)量測(cè)吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以恒溫時(shí)間為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖7 溫度對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，ATMP阻垢劑的阻垢率一直下降，且下降的速率越來(lái)越慢，穩(wěn)定后下降趨勢(shì)幾乎為零，阻垢率穩(wěn)定不變。ATMP阻垢劑的溶度積隨溫度的增高而降低。剛開(kāi)始時(shí)，溫度低，阻垢劑完全融于溶液中，溶液中阻垢劑濃度最大，由圖5可以看出，阻垢劑濃度越大，阻垢效果越好。所以剛開(kāi)始時(shí)，阻垢率最大。隨著溫度的升高，阻垢劑的溶度積變小，導(dǎo)致溶液中的阻垢劑濃度降低，所以阻垢率降低。之后由于阻垢劑濃度已經(jīng)很小了，溫度的增加對(duì)溶液中的阻垢劑濃度影響不大，所以阻垢率穩(wěn)定。由圖可以看出，溫度在40℃至60℃之間時(shí)，阻垢率下降的很明顯，所以，溫度應(yīng)維持在40℃之下?？紤]到高效，經(jīng)濟(jì)等因素，如果溫度低于40℃，可以不考慮溫度對(duì)ATMP阻垢劑對(duì)氧化鐵阻垢效果的影響，如果溫度高于40℃，可以適當(dāng)降低溫度。

(4)恒溫時(shí)間對(duì)氧化鐵分散效果的研究

分別取50ml鐵標(biāo)樣于4個(gè)150ml錐形瓶中，加入適量去離子水，并通入空氣使其充分氧化成氧化鐵，之后各加入0.02mg PAL阻垢劑，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后將4個(gè)容量瓶移入80℃恒溫箱中恒溫。各分別恒溫8，16，24，32個(gè)小時(shí)后取出，冷去過(guò)濾，取濾液測(cè)量測(cè)吸光度。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出鐵樣中鐵的濃度，計(jì)算阻垢率，并以恒溫時(shí)間為橫坐標(biāo)，阻垢率為縱坐標(biāo)作圖。

圖8 恒溫時(shí)間對(duì)氧化鐵分散效果的影響

從圖8可以看出，隨著恒溫時(shí)間的延伸，ATMP阻垢劑的阻垢率一直下降，且下降速率先快后慢。因?yàn)楹銣貢r(shí)間越長(zhǎng)，溶液蒸發(fā)量也越來(lái)越大，阻垢劑的濃度和鐵離子的濃度也越來(lái)越大，但鐵離子濃度的變化率大于阻垢劑濃度的變化率。所以鐵離子濃度增大對(duì)阻垢率的影響大于阻垢劑濃度增大對(duì)阻垢率的影響，從而導(dǎo)致阻垢率降低。而且，恒溫時(shí)間越長(zhǎng)，已經(jīng)阻垢劑和氧化鐵的絡(luò)合物可能分散開(kāi)，導(dǎo)致溶液中氧化鐵含量，從而導(dǎo)致阻垢率阻垢率降低。從圖中可以看出，在恒溫10小時(shí)之前，阻垢率下降的很緩慢，10時(shí)之后，阻垢率下降趨勢(shì)變快，考慮到高效，經(jīng)濟(jì)等因素，恒溫時(shí)間盡量維持在10小時(shí)之前。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，換水周期不要超過(guò)10小時(shí)，這樣既能保證足夠的阻垢率，又能避免頻繁換水帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

結(jié)論

本文以ATMP為有機(jī)磷系阻垢劑，考察其對(duì)三氧化二鐵的分散效果；在此基礎(chǔ)上與聚羧酸阻垢劑進(jìn)行復(fù)配，考察復(fù)配藥劑對(duì)三氧化二鐵的分散效果，得出以下結(jié)論：

ATMP對(duì)三氧化二鐵的分散效果研究結(jié)果表明，當(dāng)阻垢劑投加量為4mg/l，鐵溶液濃度為67mg/l，恒溫溫度為40℃，恒溫時(shí)間為10小時(shí)，阻垢率為63.96%。

綜合以上結(jié)論，對(duì)比可知，在最佳條件下，上述阻垢劑對(duì)氧化鐵的分散效果影響相差不大。但是，復(fù)合藥劑的適用范圍大一些，其中以PAL與ATMP復(fù)合藥劑為阻垢劑時(shí)綜合效果最佳。

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