碳酸鈣沉積法測定低溫多效海水淡化阻垢劑阻垢性能的研究

焦春聯(lián)，侯相鈺，徐 旭，吳蕓芳，成國辰，尹建華，王維珍，樊利華

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

海水淡化是緩解我國沿海地區(qū)水資源短缺的重要途徑，低溫多效是我國重點發(fā)展的兩大主流海水淡化技術之一，特別是在北方沿海受到重點關注。低溫多效海水淡化裝置運行時，常出現(xiàn)結垢現(xiàn)象，碳酸鈣垢是低溫多效海水淡化過程中常見的無機垢之一，對海水淡化造成嚴重危害?？蓪е略O備傳熱效率下降，增加噸水產(chǎn)水能耗、設備腐蝕、設備清洗頻次，并增加藥耗和降低有效運行時間等，因此需要加入阻垢劑抑制系統(tǒng)的結垢，保障海水淡化裝置的正常運轉(zhuǎn)。開展低溫多效海水淡化阻垢劑阻垢性能的測定方法研究，對促進低溫多效海水淡化技術的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試劑和材料

試驗所用的碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鉀、六水氯化鎂、氯化鈉、EDTA、鹽酸、無水硫酸鈉均為分析純，氯化鈣為優(yōu)級純。

表1 碳酸鈣垢沉積試驗用人工海水化學組成Tab.1 Chemical composition of artificial seawater for calcium carbonate scale deposition test mg·L-1

1.2 測試方法

一般采用阻垢率來評定水處理劑的阻垢性能，阻垢率愈大表明水處理劑的阻垢性能愈好。同時，借鑒電廠化學和GB/T34550.2—2017《海水冷卻水處理藥劑性能評價方法 第2部分 阻垢性能的測定》所列方法，采取計算氯離子濃縮倍數(shù)與以甲基橙堿度計算的濃縮倍數(shù)之間的差值(△A)評定水處理藥劑的阻垢性能，在實際應用中十分有效。而且使用該方法容易篩選出較好水處理藥劑，對其現(xiàn)場使用也有良好的指導意義，因此試驗研究中同時采用阻垢率和△A對檢測結果進行評定。

該方法研究具體測試方法為：在1 000 mL人工海水中加入一定量阻垢劑制得試樣。將試樣和空白同時置于恒溫水浴中，在一定溫度條件下進行蒸發(fā)濃縮并開始計時。當蒸發(fā)濃縮至500 mL時，加蓋表面皿。試驗從計時起恒溫24 h后結束，冷至室溫后轉(zhuǎn)移入500 mL容量瓶中，定容、搖勻，用中速定量濾紙過濾[1]。采用 EDTA 絡合滴定法[2]測定Ca2+和采用pH值電位滴定法[3]測定堿度，計算阻垢率和△A。

1.3 濃縮倍數(shù)和阻垢劑用量

由于目前低溫多效海水淡化阻垢劑在進水中的建議加藥量一般在3 mg/L～8 mg/L，濃縮倍數(shù)一般控制在1.8倍左右，該方法采用的濃縮倍數(shù)為2.0倍，并在此加藥量范圍內(nèi)開展研究。

2 試驗結果與討論

2.1 實驗溫度對測試結果的影響

在低溫多效海水淡化中，海水最高蒸發(fā)溫度一般低于70 ℃，在充分利用蒸汽能量的情況下，末效冷凝器的最低溫度一般都在40 ℃左右。鑒于此，控制溫度選擇70 ℃和適當強化的溫度80 ℃，為此分別在70 ℃和80 ℃下進行試驗，試驗結果見圖1～圖2。

圖1 某海水淡化阻垢劑在70 ℃和80 ℃下的阻垢率測定結果Fig.1 Results of scale inhibition rate of a certain scale inhibitor in seawater desalination at 70 ℃ and 80 ℃

由圖1～圖2可知，在70 ℃條件下，海水淡化阻垢劑起效點明顯，在5 mg/L左右，用量大于7 mg/L時，兩種溫度條件下差異不明顯，同時80 ℃會出現(xiàn)硫酸鈣等難溶垢傾向。因此，測試溫度選擇70 ℃較適宜。

圖2 某海水淡化阻垢劑在70 ℃和80 ℃下的△A測定結果Fig.2 The results of △A determinatiion of a scale inhibitor for seawater desalination at 70 ℃ and 80 ℃

2.2 測試方法的適用性研究

采用該方法在70 ℃下，對低溫多效海水淡化阻垢劑進行阻垢性能評價，其評價結果見圖3～圖5。

圖3 某海水淡化阻垢劑阻垢率和△A隨濃度變化圖Fig.3 Diagram of scale inhibitor rate and △A with concentration of a scale inhibitor for seawater desalination

圖4 三種海水淡化阻垢劑阻垢率隨濃度變化圖Fig.4 Diagram of scale inhibition rate of three kinds of scale inhibitors with concentration

圖5 三種海水淡化阻垢劑△A隨濃度變化圖Fig.5 Diagram of three kinds of scale inhibitors △A changing with conentration

由圖3～圖5中阻垢率和△A的變化趨勢可知，該方法不僅能有效評價海水淡化阻垢劑阻垢性能，還可對比不同海水淡化阻垢劑阻垢性能的優(yōu)劣。

2.3 測試方法的重復性和再現(xiàn)性研究(表2)

為了研究該檢測方法的重復性和再現(xiàn)性，由6個單位分別對2個阻垢劑產(chǎn)品在2個濃度(3mg/L和6mg/L)下，按此方法進行3次平行測定。然后，對測試結果進行了單元平均值和標準差計算，并進行了一致性和離群值的檢查[4]?？山邮艿膶嶒炇覕?shù)和得到的總平均值mj、重復性方差Srj、各組試驗間方差SRj結果如表2和表3所示。

表2 阻垢率總平均值mj、重復性方差Srj和實驗室間方差SRjTab.2 Total mean value of scale nihibition rate mj, repeatabillity variance Srj and inter laboratory variance SRj

表3 △A總平均值mj、重復性方差Srj和實驗室間方差SRjTab.3 △A Total mean mj, repeatabillity variance Srj and interlaboratory variance SRj

由表2和表3可知， 6家單位用該方法測定阻垢劑的阻垢性能，測試結果的重復性標準差為Sr=4.2%，再現(xiàn)性標準差為SR=6.9%；△A測試結果的重復性標準差為Sr=0.05，再現(xiàn)性標準差為SR=0.07。表明此方法具有很好的重復性和再現(xiàn)性。

3 總結

試驗研究了一種測定阻垢劑阻垢性能的方法，該試驗方法采用了GB/T34550.2-2017中提供的蒸發(fā)濃縮方法，但所用試驗用水為模擬了海水主要成分并強化堿度條件的配制人工海水，介質(zhì)成分統(tǒng)一；測定溫度為海水最高蒸發(fā)溫度70℃；不僅能夠有效地評價海水淡化阻垢劑阻垢性能，還可對比不同海水淡化阻垢劑阻垢性能的優(yōu)劣；具有很好的重復性和再現(xiàn)性。該測試方法為低溫多效海水淡化阻垢劑性能的測定及阻垢劑的選擇提供重要依據(jù)。