氨基三甲叉膦酸与磁场对碳酸钙协同阻垢作用研究

李艳红 刘振法 张彦河 张利辉

(1．河北师范大学化学与材料科学学院，石家庄050016；

2．河北省工业节水_T-程技术研究中心，石家庄050081)

【摘要】 通过静态实验研究了单独使用及其与磁场的协同阻垢性能．利用扫描电子显微镜表征了水垢试样中的碳酸钙晶型．静态实验结果表明：磁场与的协同作用可提高对Ca2+的螯合作用。在的浓度为0.5mg∥L，磁场与ATMP协同作用时，静态阻垢率比单独作用时可提高21．90%。SEM分析结果表明：可使碳酸钙晶型xx扭曲，磁场与协同可使CaC03晶体更加圆滑、分散，扭曲现象更加明显。

【关键词】；磁场；碳酸钙；磁化水；协同作用

循环冷却水处理方法主要有物理处理法和化学处理法。物理处理技术主要有：磁处理、静电处理、光化学处理、超声波处理等，物理处理法具有操作简单、运行费用低、xx无污染等优点。化学处理技术通常是向补充水中加入一定量的阻垢分散剂，利用阻垢分散剂与结垢离子的螯合作用或对结垢晶体的晶格扭曲作用而达到防垢的目的。目前应用于工业循环冷却水处理的药剂几乎都是和共聚物阻垢分散剂。根据我国可持续发展战略和环境保护的要求，开发低磷或环保型无磷水处理产品和工艺，深入开展水处理药剂和不同水处理工艺之间的协同阻垢机理等研究，用环保型水处理产品和工艺取代当前国内外大量采用的易产生富营养化和赤潮公害的磷系水处理药剂意义重大。本文拟采用物理化学综合处理法，将稀土永磁与有机膦阻垢分散剂协同作用于给水。利用静态和动态实验测定有机膦阻垢分散剂与磁场协同阻垢性能：采用扫描电子显微镜(SEM)对CaC03晶型进行分析。通过将磁场和有机瞵阻垢分散剂的集成，可以起到降低有机膦阻垢分散剂用量的目的，为开发一种磁场．水处理药剂协同处理工业循环冷却水的新技术和新工艺提供依据。

1 实验部分

1．1药剂

，工业品，含量50％，。

1．2磁水器

，采用Nu-Fe-B稀土永磁材料制成磁水器，磁场强度0.6T，实验用水通过磁水器后得到磁化水。

1．3静态阻垢率的测定

取750mL实验水，在一定温度下蒸发浓缩至500mL，转移至500mL容量瓶中继续恒温，实验时间共10 h，冷却静置，采用EDTA络合滴定法测定溶液中的Ca2+含量，阻垢剂的阻垢率按式(1)计算：

                （1）

上式中：C2为加入时加热浓缩后溶液中的ca2+含量；Co为空白实验时加热浓缩后溶液中的Ca2+含量：Ct为水样中的ca2+含量。1.5为浓缩倍数。

1．4水垢样品制备

将实验结束后烧杯内的溶液倒出，将附着在烧杯底部及内壁水垢在室温下干燥，用毛刷将烧杯内的干燥水垢刷下，装入垢样袋，密闭保存于干燥器中备用。

1．5测试方法和仪器

采用中科科仪公司产KYKY2800B型扫描电子显微镜对水垢试样进行晶型及分散状态观察。将水垢试样均匀粘在贴有双面胶的试样台上，喷金后置于扫描电子显微镜下观察，加速电压15 kV，放大倍数500~5000。

1.6 实验水样

实验水采用河北省科学院地下水，指标如下：总硬度=639mg／L(以CaC03计)：Ca2+含量=465mg／L(以CaC03计)：总碱度=341mg／L(以CaC03计)

2  实验结果与讨论

2.1 不同水温下，磁场与的协同阻垢性能

将实验水通过磁场强度为0.6T的磁水器，流速为0.01m／s，恒温时间为10 h，ATMP浓度为1.5mg／L(以纯物质计)，单独使用及其与磁化水协同作用时的不同温度下的静态阻垢率，结果如图l所示。

由图可以看出，在单纯加药条件下，随着蒸发浓缩温度的提高，阻垢率逐渐下降：在磁化加药条件下，两者的协同阻垢率比单纯加药的阻垢率要高，同时，两者的协同阻垢率也随着浓缩温度的提高，呈下降趋势，由60℃的96．5％降至70℃的57．4％，而且协同阻垢率比单纯加药的阻垢率提高的百分数随着浓缩温度的提高逐渐降低，由11.2％降为O。因此，在实验范围内，相同条件下，温度的提高降低了磁化加药的协同阻垢效果，说明磁化加药协同作用对温度较低的水样将产生更好的效果。

2.2 不同ATMP用量时，磁场与的协同阻垢性能

实验条件：蒸发浓缩温度60℃，磁场强度0.6T，溶液流速0.01m／s。实验结果如图2所示。当单纯加条件时，随着加药量的增加，阻垢率呈现上升趋势，且随着ATMP由0.5mg／L增加到1．5mg／L，阻垢效果明显提高，阻垢率由43．2％提高到85．3％：。而在磁化加药条件下，两者的协同阻垢率均比单纯加药的阻垢率要高，阻垢率由65．1％提高到96.5％。当加药量为0.5mg／L时，阻垢率提高的百分率为21.9％。当加药量为1.5mg／L时，提高的百分率为11.2％。因此可知，在实验范围内，相同条件下，磁化加药比单独加药有较好的协同阻垢作用，而且药剂浓度较低时，协同作用更好。说明磁场与ATMP协同可以有效降低ATMP的用量。

2.3 SEM结果分析

静态实验垢样分析：按1.4节方法制备静态实验时的垢样，试验条件为：磁场强度0.6T，溶液流速0.01m／s，水浴温度60℃．，浓缩1.5倍，恒温10h，ATMP浓度0．5mg／L(以纯物质计)，垢样的扫描电镜照片见图3。图3(a)、(b)、(c)分别为空白实验、加入的水、磁化水与ATlVIP协同作用时所生成垢样的碳酸钙晶型照片。由图3(a)可以看出，空白实验垢样大部分碳酸钙以针状和集束状的文石形式存在(长度大约30--一40µm)。由图3(b)可以看出，水中单独加入后，碳酸钙晶格xx扭蓝，发生畸变。这是因为ATMP是甲叉膦酸型化合物，主要是通过与水中的Ca2+、Mg+、Zn2+、Fe2+等金属离子形成双五环螯合物，干扰了晶粒按一定方向生长，因而产生畸变。由图3(c)可以看出，磁场与协同作用后，垢样中碳酸钙晶格也xx扭曲，更加规整、边缘更加圆滑。这是因为，水溶液通过磁场后，CaCO3，结晶呈现两大特点，一是结晶主要在水溶液中形成、且颗粒细小分散：二是稳定性较差的文石结构比例增加。这两个特点使ATMP的大分子更容易吸附在Ca2+或CaCO3，微晶的周围，一方面减少了Ca2+与C032-发生碰撞生成CaC03的机会，另一方面也减少了CaC03微晶相互碰撞形成水垢的概率，从而提高了晶体的溶解性能。

3结论

(1)静态阻垢实验表明：对Ca2+有螯合作用。磁场与具有协同增效作用，{zg}可提高ATMP的螯合作用20％左右。在同样阻垢率时，二者协同作用可以有效降低的用量。

(2)SEM分析结果表明：未磁化水的垢样主要晶相为文石，只有很少的方解石。可使碳酸钙晶格xx扭曲，发生畸变。与磁场协同作用时，CaC03结晶也被xx扭曲，但CaC03垢粒变得更加归整、边缘更加圆滑、分散。

参考文献

【I】Coey J M D，Stephen Cass．Magnetic Water Treatment．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2000，

2000：71．74

【2】Low K C，Wheeler A只Koskan L EGrcen Chemistry Applied to Corrosion and Scale Inhibitiors．Adv．Chem．Set．，

1996，248：99-1ll

【3】罗漫，陆柱．磁化水的研究现状及进展忉．水处理技术，1999，25(6)：339～343

【4】Kobe S，Drazic G’McGuiness P J’e‘a1．The Influence of the Magnetic Field on the Crystallisation form of

Calcium Carbonate and the Testing of a Magnetic Water-Treatment Device．J Magn Magn Mater,2001，

236(1．2)：71～76

【5】周本省．工业循环冷却水处理技术进展(II)哪．清洗世界，2004，20(11)：21～23

【6】徐华山，任玉芬等．常用有机膦酸盐静态阻垢性能对比实验研究阴环境工程学报，2007，l(2)：“lO

【7】牛金岭，王洪军．水处理剂的阻垢和缓蚀作用研究阴辽宁化工2003，32(2)：56—60

【8】刘振法，王延吉，等．聚天冬氨酸与磁场协同效应对碳酸钙晶型及阻垢性能的影响【J】化工学报，2006，57

(10)：2361-2366

【9】Botello-Zubiate M E，Alvarez Martinez-Villafane et a1．Influence of Magnetic Water Treatment on the

Calcium Carbonatc Phase Formation and the Electrochemical Corrosion Behavior of Carbon Steel．J Alloys

Compd,2004,369(1．2)：256～259

【10]Higashitani K et a1．Effects of a Magnetic Field on the Formation of CaC03 Particles．J．Coil．int．Sci．，1993，

156：90．95．