磷酸鹽在水處理中的應(yīng)用
磷酸鹽在冷卻水和鍋爐水處理中主要是作緩蝕劑和阻垢劑,其機(jī)理依品種、用途及使用條件的不同而有所差別。因有緩蝕阻垢效果及環(huán)保方面等因素,磷酸鹽處理技術(shù)經(jīng)歷了不斷的改革。它每一次改進(jìn),都針對(duì)性解決了控制中的某些技術(shù)難題。
水處理可以提高占耗水比例相當(dāng)大的工業(yè)用水循環(huán)利用率。在水處理中使用很多種化學(xué)藥劑,就目前來(lái)看,磷酸鹽仍是水處理中選用的重要化工產(chǎn)品。它們?cè)谒幚?/span>中的作用因處理目的、被處理水的水質(zhì)和處理方法的不同而異。工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐水處理是磷酸鹽在水處理應(yīng)用中的兩大領(lǐng)域,冷卻水在食品、紡織、造紙、化工、石油、鋼鐵和機(jī)械工業(yè)等的用量是很高的。平均占總用水量的67%。其中又以化工、石油、鋼鐵工業(yè)為最高約占85% ~90%。鍋爐水處理是保證鍋爐的熱效率、防止事故、延長(zhǎng)使用壽命,保證鍋爐安全運(yùn)行的重要手段。目前,我國(guó)有40余萬(wàn)工業(yè)鍋爐采用磷酸鹽處理方式處理爐水。
磷酸鹽的緩蝕機(jī)理和阻垢機(jī)理
磷酸鹽在冷卻和鍋爐水處理中主要作緩蝕劑和阻垢劑。其作用機(jī)理即為緩蝕機(jī)理和阻垢機(jī)理。
緩蝕機(jī)理.
磷酸鹽類(lèi)作為緩蝕劑的緩蝕機(jī)理，依其品種、用途及使用條件不同而有所差別。在循環(huán)冷卻水處理中,使用較多的是聚合磷酸鹽。各種聚合磷酸鹽對(duì)碳鋼都具有較好的緩蝕效果。碳鋼在水中的腐蝕是微電池造成的，其電化學(xué)反應(yīng)式為:
陽(yáng)極反應(yīng):Fe Fe2++2e
陰極反應(yīng):O2+2H20+4e 40H-
這種機(jī)理認(rèn)為，當(dāng)水中具有一定濃度的Ca2+或其它二價(jià)金屬離子時(shí)，聚合磷酸根離子與Ca2+形成帶正電荷的配離子,這種配離子以膠溶狀態(tài)存在于水溶液中。鋼鐵在水中腐蝕時(shí)，陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物Fe2+向陰極方向擴(kuò)散移動(dòng),膠溶狀態(tài)的帶正電荷的聚磷酸鈣配離子可再與Fe2+絡(luò)合,生成以聚磷酸鈣鐵為主要成分的配離子，依靠腐蝕電流沉積于陰極表面，形成沉淀皮膜。這種膜具有一定的致密性,能阻擋溶解氧擴(kuò)散到陰極,即抑制了腐蝕電池的陰極反應(yīng)，從而抑制了整個(gè)腐蝕反應(yīng)。
阻垢機(jī)理
聚磷酸鹽在循環(huán)冷卻水處理中常用作阻垢劑。正磷酸鹽作為阻垢劑多用于鍋爐水處理。二者在各自的場(chǎng)合下，按不同的阻垢機(jī)理而發(fā)揮作用。冷卻水中的水垢主要是碳酸鈣垢、磷酸鈣垢、硅酸鈣垢和硅酸鎂垢等。當(dāng)冷卻水中無(wú)過(guò)量的PO3-4或SiO2存在時(shí),磷酸鈣垢和硅酸鎂垢不容易生成,最容易生成的是碳酸鈣垢。在水中加入少量的聚磷酸鹽就能防止碳酸鈣沉淀析出。之所以能有效阻止碳酸鈣沉淀,是由于聚磷酸鹽有效地控制了晶核形成的速度。此外聚磷酸鹽還能螯合Ca2+、Mg2+等離子.形成單環(huán)螯合物或雙環(huán)螯合物。這樣就破壞了碳酸鈣等晶體的正常生長(zhǎng)過(guò)程從而阻止了碳酸鈣水垢的形成。
鍋爐的爐內(nèi)水處理常以磷酸三鈉、磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉等作用。主要反應(yīng)并以不同的機(jī)制發(fā)揮其作防垢劑
如下:
3Ca(HCO3)2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2↓+3Na2CO3 +3CO2↑+3H2O
3CaSO4+2Na3PO4=Ca3(P04)2↓+3Na2SO4
↓+3Na2CO3 +3CO2↑+3H2O
3Mg(HCO3)2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2
3MgSO4+2Na3PO4=Mg3(PO4)2
↓+3Na2SO4
當(dāng)水溫相當(dāng)高,并有足夠的堿度時(shí),磷酸鈣會(huì)變成水渣狀的羥基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6,
反應(yīng)如下:
10Ca3(PO4)2.H2O+6NaOH=3Ca10(OH)2(PO4)6+2Na3PO4+ 10H2O
生成的水渣,可隨鍋爐排污排至爐外。
而磷酸鎂易形成二次水垢,且很難用機(jī)械方法除掉在爐水中加入- -定量的硅酸鹽時(shí)，磷酸鎂可按下式繼續(xù)
反應(yīng):
Mg3(PO4)2+2Na2SiO3+2NaOH+H2O=3MgO.2SiO2.2H2O+2Na3PO4
生成的蛇紋石(3MgO.2SiO2.2H2O)是一種不粘附于 金屬壁上的泥渣。對(duì)于堿性水質(zhì)，為了避免爐水堿度過(guò)高,可用磷酸二氫鈉或磷酸氫二鈉代替磷酸三鈉
磷酸鹽在水處理中的作用
磷酸鹽在水處理過(guò)程中究竟起緩蝕作用,還是起阻垢作用，要看具體配方的成分、使用條件和磷酸鹽用量。如聚磷度時(shí)起緩蝕作用。高濃，酸鹽在低劑量時(shí)起阻垢作用.
在循環(huán)冷卻水處理中的作用
以聚磷酸鹽作為主要緩蝕劑的處理方法,在國(guó)內(nèi)外的循環(huán)冷卻水處理中已得到較為普遍應(yīng)用。目前因緩蝕阻垢效果及環(huán)保方面的因素，各國(guó)都在研制改進(jìn)磷系配方。
用磷酸鹽取代聚磷酸鹽
聚磷酸鹽在使用時(shí)的明顯弊病之一就是會(huì)水解成正磷酸鹽,在冷卻水中造成磷酸鈣沉積,進(jìn)而促進(jìn)垢下腐蝕。用磷酸鹽復(fù)合劑取代聚磷酸鹽是一條改進(jìn) 磷系配方性能的有效途徑。推薦磷酸鹽使用量[2]2~20mg/L.
用新型含磷聚合物阻止磷酸鈣沉積
在繼續(xù)使用聚磷酸鹽的基礎(chǔ)上,加入新型對(duì)阻止磷酸鈣沉積有特殊功效的藥劑，既達(dá)到緩蝕效果又起到阻垢目的。如有機(jī)膦酸鹽對(duì)鈣、鎂等兩價(jià)離子不僅具有明顯的低限制作用，而且對(duì)其它藥劑還有增效協(xié)同作用,它們具有無(wú)毒,無(wú)污染,用量少,不易水解以及在高溫、高PH值下穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
目前我國(guó)對(duì)含磷聚合物也在研究,并有少量品種投產(chǎn)(如含磷聚丙烯酸),含磷丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸
羥丙酯的共聚物等許多品種還有待于繼續(xù)開(kāi)發(fā)。
