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冷、熱水系統(tǒng)中，換熱器、輸送管道、泵閥等設(shè)備的結(jié)垢現(xiàn)象十分普遍，水垢會(huì)縮短設(shè)備使用壽命、加快金屬腐蝕導(dǎo)致維護(hù)費(fèi)用增加，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，由此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失巨大，英、美兩國(guó)每年因結(jié)垢導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失分別達(dá)15億、500億美元。因此解決系統(tǒng)的積垢問題具有重要意義。以下對(duì)常用的水垢防治技術(shù)及其研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并指出了水垢防治技術(shù)的發(fā)展方向。
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(guò)程為：微細(xì)結(jié)晶在過(guò)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(zhǎng)大，結(jié)成水垢。水垢是否形成主要取決于鹽類是否過(guò)飽和及其結(jié)晶的生長(zhǎng)過(guò)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(guò)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(guó)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(yáng)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(guò)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(wú)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(lái)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(yíng)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(wú)磷的綠色阻垢劑成為國(guó)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，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。
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(jiǎn)單，適用于對(duì)控垢要求不高的場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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。納濾膜(孔徑1.0~3.0 nm)可使水中大部分單價(jià)離子透過(guò)，而二價(jià)離子和高價(jià)離子如Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe3+等基本不透過(guò)，其硬度去除率能達(dá)到90%以上。
使用膜法除垢的最大問題之一是膜污染。在膜工作過(guò)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(guò)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(chǎng)作用改變水質(zhì)，影響成垢離子的溶解、結(jié)晶、聚合等過(guò)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，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(chǎng)形成方式又可分為永磁式和電磁式。永磁式磁水器的優(yōu)點(diǎn)是不耗電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛，但其磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度一般不能調(diào)節(jié)，此外還存在隨時(shí)間延長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(wú)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(guò)高壓靜電場(chǎng)(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(chǎng)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。靜電水處理存在一個(gè)作用時(shí)間，超過(guò)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(guò)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(yáng)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(wú)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(yáng)極接觸一段時(shí)間后，從上部出水口處流出。在接觸過(guò)程中，低壓電場(chǎng)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，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。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))，從而起到防垢及除垢雙重作用。劉天慶等采用超聲-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(guó)內(nèi)研究得不夠充分。
3 結(jié)語(yǔ)
目前已發(fā)展的水垢防治方法各有所長(zhǎng)，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(jiǎn)單，除垢效果穩(wěn)定，效率高，方便快捷。以上是對(duì)常用的水垢防治技術(shù)及其研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并指出了水垢防治技術(shù)的發(fā)展方向，為后續(xù)研究提供一定的理論參考。
