CN1273827C - 一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其步骤为：1)用水系统中换热器所用的金属材料制成具有暴露结垢面积的工作电极：2)测量工作电极的重量或厚度；3)以实际水样或配制水作为试验水样；4)将工作电极放入试验水样中阴极极化；5)取出工作电极，再次测量工作电极的重量或厚度；6)计算出极化前后工作电极的重量差或厚度差即结垢量评定试验水样和金属材料的结垢性能或者水处理剂的阻垢性能。本发明用阴极极化的方法使金属材料制成的工作电极在试验水样中加速结垢，然后通过测量该工作电极结垢量的多少来评定试验水样和金属材料的结垢性能或者水处理剂的阻垢性能。该方法快速、简便且分辨率和可靠性较高。

Description

一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法
技术领域
本发明涉及一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法。
背景技术
在水系统中，如锅炉、水暖、冷却水系统，结垢现象普遍存在。特别是冷却水系统随着水资源的日益紧缺，为了节约用水、合理用水，冷却水的浓缩倍率不断提高，结垢、腐蚀、生物危害的矛盾日益突出。各种水处理剂的应用也越来越多。为了防止结垢，必须评定水处理剂的阻垢性能以及水系统中水和换热器金属材料的结垢性能。
现有技术评定结垢和阻垢性能的方法通常采用：
1.静态阻垢法
该方法又分成浓缩的静态阻垢法和不浓缩的静态阻垢法二种。浓缩的静态阻垢法既可以用配制水也可以用实际水样为试验水样，不浓缩的静态阻垢法则以配制的高碱高硬水为试验水样。由于绝大多数水垢是碳酸钙垢，因此静态阻垢法多采用下式定义的阻垢率η表征水处理剂的阻垢性能
阻垢率η＝([Ca2+]2-[Ca2+]1)/(N[Ca2+]0-[Ca2+]1)
[Ca2+]2-加水处理剂的水样试验后的Ca2+浓度
[Ca2+]1-不加水处理剂的水样试验后的Ca2+浓度
[Ca2+]0-水样试验前的Ca2+浓度
N-水样浓缩倍率，如不浓缩则N＝1
该方法的基本原理是在加热条件下，促使碳酸氢钙加速分解成碳酸钙，达到平衡后测定水中的钙离子浓度，试验后水样中剩余的稳定Ca2+浓度愈高，则该水处理剂的阻垢性能愈好，或者说该水样的结垢性愈小。
该方法比较简便。缺点是分辩率不高，重现性较差，误差较大，测试周期较长，为了加速结垢，需采用较高的试验温度，通常是80℃，即使这样仅结垢时间就要10小时以上，如果浓缩水样仅至2倍，浓缩时间就要几十小时。
为了缩短试验周期，迅速带走CO2，加速试验水样达到其自然平衡pH，向试验水样中鼓入一定流量的空气，这就是“鼓泡法”。对不要浓缩的高碱高硬配制水，仅结垢平衡时间也要6小时以上。由于加入了鼓气装置，空气的流量，空气带走水分的多少等因素均会影响试验结果，因此试验装置和操作较繁复。
静态阻垢法实际上反映的是碳酸钙中在水中结晶析出的情况，这与在固体壁面上结垢有较大的区别，特别是有的阻垢剂使碳酸钙晶体变性，不易附着在固体壁面上，它不能反映这一情况，也不能反映不同的金属材料对结垢性能的影响。
2.极限碳酸盐法
该方法也叫极限碳酸盐碱度或者极限碳酸盐硬度法，它主要以实际水样为试验水样，加热蒸发浓缩。如果水中未产生结晶析出沉淀，则水中总碱度M和其它离子浓度随着浓缩倍率N的增长而基本上呈线形增长，若原水的总碱度为M0，则M＝NM0。水在加热蒸发浓缩过程中，CO2不断逸出，碳酸氢钙分解成碳酸钙，当CO3 2-与Ca2+的离子积大于其溶度积时，就会有碳酸钙结晶析出沉淀。一旦有碳酸钙结晶析出，总碱度M就会出现稳定下降或不增长的现象，这时的总碱度M就称为极限碳酸盐碱度，这时的浓缩倍率N就是极限浓缩倍率。水处理剂使极限碳酸盐碱度或者极限浓缩倍率提高得愈多，它的阻垢性能愈好。
该方法的测试周期更长，一个条件的一次试验可长达几百小时。测试的工作量很大，试验开始后的24小时内，每隔8小时取样分析一次总碱度M、浓缩倍率等项目，24小时后每隔4小时取样分析一次，浓缩至接近极限碳酸盐碱度终点时，每隔2小时取样分析一次，当出现转折点时，应每隔0.5小时取样分析一次，至少要连续再测3个点，才可判断是否已到达终点。分析取样后应通过计算加入相应的水量。
与静态阻垢法一样，极限碳酸盐法也不能反映由不同的金属材料壁面对结垢性能的影响，不能反映有的阻垢剂使碳酸钙晶体变性，不易附着在固体壁面上的情况。
3.动态模拟试验法
该方法是在实验室条件下，用常压水蒸汽或热水加热换热器，模拟生产现场的流速、流态、水质、金属材料、换热强度和冷却水进出口温度等主要参数，测出污垢热阻。试验结束时，拆下换热管，再测出垢层厚度和污垢重量，还可计算出污垢沉积率。
该方法在实验室条件下最能反映实际水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能。但是它的试验设备仪器也最庞大、繁复，试验的工作量很大，试验的周期最长，一个条件的一次试验至少要连续15天。该方法需要的试验水量也非常巨大，一个条件的一次试验就需几吨水，这么多水的采取、装运、存放对普通的试验室也是困难的。显然，用该方法进行大量的水处理剂筛选复配是不现实的。它一般用于水处理方案的最终验证。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速、简便且分辨率和可靠性又较高的方法评定水处理剂的阻垢性能以及水系统中水和换热器金属材料的结垢性能。
本发明提出的评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特点是它包括下列步骤：1)用水系统中换热器所用的金属材料制成具有暴露结垢面积的工作电极：
2)测量工作电极的重量或厚度；
3)以实际水样或配制水作为试验水样；
4)将工作电极放入试验水样中阴极极化；
5)取出工作电极，再次测量工作电极的重量或厚度；
6)计算出极化前后工作电极的重量差或厚度差即结垢量来评定试验水样和金属材料的结垢性能或者水处理剂的阻垢性能。
阴极极化方法可以用两种：一种是外加电流法，另一种是牺牲阳极法。外加电流法可以是恒电位法，也可以是恒电流法或其它阴极极化的方法。外加电流法用恒电位法，则是通过恒电位仪将工作电极的电位恒定在一固定值上，取值范围为-300～-1400mV相对于饱和甘汞电极。牺牲阳极法为用一自腐蚀电位低于工作电极的金属材料与工作电极偶接。
由于通过对电极的阴极极化，可以在较短的时间内，如1～4个小时甚至更短的时间内，在电极上产生较多的水垢，足以用称重法或测厚法分辩出结垢量的多少，从而根据结垢量的多少来评定试验水样和金属材料的结垢性能或者水处理剂的阻垢性能。
本发明的有益效果是大大缩短了结垢过程的时间，评定方法非常简便，且具有较高的分辨率和可靠性。
具体实施方式
本方法的具体步骤为：
1)用水系统中换热器所用的金属材料制成具有暴露结垢面积的工作电极，换热器所用的金属材料为常用的金属材料，如碳钢、不锈钢、铜、铜合金等等，暴露结垢面积为为10mm2～60000mm2；
2)测量工作电极的重量或厚度；
3)以实际水样或配制水作为试验水样，为了缩短结垢时间，而且有较大的结垢量，将试验水样配制成高钙高碱度水，如Ca2+＝240mg/L，HCO3 -＝732mg/L；
4)将工作电极放入试验水样中阴极极化，极化的时间为0.5小时-8小时；
5)取出工作电极，再次测量工作电极的重量或厚度；
6)计算出极化前后工作电极的重量差或厚度差即结垢量来评定试验水样和金属材料的结垢性能或者水处理剂的阻垢性能。
水处理剂的阻垢性能通常可用下式定义的阻垢率η表征
阻垢率η＝(W1-W2)/W1
W1-不加水处理剂时电极的结垢量mg
W2-加水处理剂时电极的结垢量mg
为了提高称重的准确性和重现性，可用合适的方法对电极进行干燥。
下面结合实施例对本发明具体实施方式进一步说明。
实施例1，评定二种试验水样的结垢性能。
用不锈钢制成暴露结垢面积为9cm2的工作电极。用分析太平称量工作电极的重量。试验水样一为配制水，Ca2+＝240mg/L，HCO3 -＝732mg/L；试验水样二为山东S电厂的冷却水，Ca2+＝90mg/L，，HCO3 -＝250mg/L。将工作电极放入试验水样中阴极极化2小时，恒电位-1.0V相对于饱和甘汞电极，温度40℃。极化后取出工作电极，用合适的方法对电极进行干燥，然后再用分析太平称量工作电极的重量。为了确定该方法的重现性，进行了重复试验。试验结果见表1。
表1  不同空白水样结垢性能测试
  水质   结垢量1mg   结垢量2mg   结垢量3mg   平均值mg   偏差mg   变异系数％
  试验水样一   6.80   6.85   6.50   6.72   0.19   2.82
  试验水样二   3.35   3.38   3.37   0.02   0.63
从表1可见，试验水样一的结垢量大大高于试验水样二。显然试验水样一比试验水样二更容易结垢。试验结果重现性较好，精度较高。
实施例2，评定二种水处理剂的阻垢性能。
用不锈钢制成暴露结垢面积为9cm2的工作电极。用分析太平称量工作电极的重量。在试验水样一中加入水处理剂A 5mg/l配制成试验水样三。在试验水样一中加入水处理剂B5mg/l配制成试验水样四。将工作电极放入试验水样中阴极极化2小时，恒电位-1.0V相对于饱和甘汞电极，温度40℃。极化后取出工作电极，用合适的方法对电极进行干燥，然后再用分析太平称量工作电极的重量。试验结果见表1。
表2  水处理剂阻垢性能测试
  水质  阻垢率1％  阻垢率2％   平均阻垢率％   偏差   变异系数％
 试验水样三，水处理剂A 5mg/l   89.60   88.84   89.22   0.54   0.60
 试验水样四，水处理剂B 5mg/l   82.00   81.10   81.55   0.64   0.8
从表2可知，水处理剂A的阻垢性能高于水处理剂B。

Claims (7)

1、一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，方法的步骤为：
1)用水系统中换热器所用的金属材料制成具有暴露结垢面积的工作电极；
2)测量工作电极的重量或厚度；
3)以实际水样或配制水作为试验水样；
4)将工作电极放入试验水样中阴极极化；
5)取出工作电极，再次测量工作电极的重量或厚度；
6)计算出极化前后工作电极的重量差或厚度差即结垢量评定试验水样和金属材料的结垢性能或者水处理剂的阻垢性能。
2、根据权利要求1所述的一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，所述的使工作电极阴极极化的方法用外加电流法。
3、根据权利要求1所述的一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，所述的使工作电极阴极极化的方法用牺牲阳极法。
4、根据权利要求1所述的一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，所述的工作电极暴露结垢面积为10mm2～60000mm2。
5、根据权利要求2所述的一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，所述的外加电流法为恒电位法，通过恒电位仪将工作电极的电位恒定在取值范围为-300～-1400mV相对于饱和甘汞电极的固定值上。
6、根据权利要求3所述的一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，所述的牺牲阳极法为用一自腐蚀电位低于工作电极的金属材料与工作电极偶接。
7、根据权利要求1所述的一种评定水系统结垢性能和水处理剂阻垢性能的方法，其特征在于，所述的工作电极放入试验水样中阴极极化时间为0.5小时～8小时。
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