水处理剂简介

作者；梁克中(重庆三峡学院化工系，重庆 404000)
1 前言
我国是水资源短缺和污染比较严重的国家之一，目前有300多个大中城市缺水，其中1/3城市严重缺水，已造成严重的经济损失和社会环境问题，缺水城市分布将由目前集中在三北(华北，东北，西北)地区及东部沿海城市逐渐向全国蔓延。国外学者认为，人均占有水资源量1000m3是实现现代化的最低标准，从现状和未来发展来看，我国北方黄、淮、海河三流域要达到人均占有水资源量1000m3是极其困难的，即使要达到500m3也需要进行很大投入。
节约用水，治理污水和开发新水源具有同等重要的意义。大力发展水处理化学品对节约用水，治理污水起着重要作用。水处理剂是工业用水、生活用水、废水处理过程中所需使用的化学药剂。经过这些化学药剂的使用，使水达到一定的质量要求。
水处理剂的主要作用是控制水垢、污泥的形成，减少泡沫，减少与水接触的材料的腐蚀，除去水中悬浮固体和有毒物质，除臭、脱色、软化和稳定水质等。水处理剂可分为缓蚀剂、阻垢剂、清垢剂、絮凝剂、杀菌灭藻剂、清洗剂、预膜剂等。水处理剂的应用十分广泛，在化工、冶金、机械、轻工、纺织、印染、建筑、医药卫生等行业都有应用。
2 水处理剂在我国的生产及应用状况
2.1 缓蚀剂
能抑制或停止金属在侵蚀介质中腐蚀的物质称为缓蚀剂，水处理缓蚀剂主要分为三类：钝化膜型缓蚀剂、沉淀膜型缓蚀剂和有机吸附膜型缓蚀剂。
(1)钝化膜型缓蚀剂
钝化膜型缓蚀剂是将金属表面钝化，生成一层具有抗腐蚀性的氧化薄膜，从而达到缓蚀的目的。在水处理中，缓蚀剂应用面很广，作为水介质的缓蚀剂，有铬酸盐、锌盐、磷酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐、钼酸盐和钨酸盐等可用于铁、铝制剂的钝化，生成的钝化膜稳定性优良，而且可得十分光亮的钝化膜。铬酸盐因其重铬酸盐毒性大，国内外已很少使用。亚硝酸盐也因为有一定毒性，一般也只用于闭合循环冷却水系统使用。磷酸盐使用很普遍，但未来也面临环保限磷问题。钼酸盐是一种无毒缓蚀剂，其缺点是价格昂贵，用量大，因此国内外一直在进行复合配方的研究。钨酸盐缓蚀性能好，低毒，无环境污染，对铝材也有很好的缓蚀作用，但使用剂量偏大。国外对钨系水处理剂的开发大多采用磷—钨杂晶盐水处理剂，它特别适合在高氯根水中使用，对碳钢缓蚀率可达91.9%，而相同条件下磷系缓蚀率只能达到56.4%。我国钨资源丰富，产量居世界之首，因此钨系水处理剂在我国发展前景广阔。
(2)沉淀膜型缓蚀剂
沉淀膜型缓蚀剂是在金属表面上形成一层沉淀膜，而阻止金属的腐蚀。常用的无机沉淀膜型缓蚀剂有：聚磷酸盐类、硅酸盐类、硼酸盐类等。聚磷酸盐类是目前应用十分广泛的无机沉淀膜型缓蚀剂，它与钙、锌、锰等共存时能提高缓蚀性能，但由于在高温时易水解，常使设备产生蚀点。硅酸盐类多作饮用水的缓蚀剂，特别适用铜、镍设备的缓蚀。硼酸盐的化学稳定性好，毒性小，是很有前途的无机沉淀膜型缓蚀剂。近年来，有机沉淀膜型缓蚀剂的发展很快，如多元醇磷酸酯类、有机多元磷酸酯类等含磷的化合物，它们具有无毒，无污染，用量少，不易水解以及在高温、高pH值下稳定性好和一定的阻垢性而逐步受到重视。
(3)有机吸附膜型缓蚀剂
有机吸附膜型缓蚀剂的分子中含有吸附基和疏水基，吸附基吸附在金属表面，在金属表面形成一层吸附膜，使金属表面与腐蚀性介质隔开而达到缓蚀之目的。常用的吸附膜型有机缓蚀剂主要有：有机胺类、硫醇类、磺酸盐、脂肪酸类和木质素等。
2.2 阻垢剂
能控制产生水垢和污垢的物质称为阻垢剂，工业上循环水和冷却水等使用过程中，易使水中所含杂质沉于设备表面而阻止它们的传热和传质过程，降低热效率，甚至产生事故和危险。20世纪70年代以来，我国在引进和消化吸收基础上开发和应用的水处理阻垢剂主要有两大类：即有机膦酸盐和水溶性聚合物。
(1)有机膦酸盐类有机膦酸盐既是阴极型缓蚀剂，也是非化学当量螯合型阻垢剂，对钙、镁等两价离子不仅具有明显的低限制作用，而且对其它药剂还有协同作用，广泛用于冷却水处理中。主要有羟基亚乙基二膦酸盐(HEDP)、乙二胺四亚甲基膦酸盐(EDTMP)、氨基三亚甲基膦酸盐(ATMP)2-膦酰丁烷-1，2，4三羧酸(PBTCA)及羟基膦酸羧酸(HPA)等。
ATMP、HEDP同属于第一代产品，对水中成垢离子有明显的低限制作用和螯合作用，但当遇到氧化剂时，作用效果有不同程度的降低，且前者的抗氧化性更差一些；PBTCA，HPA属第二代产品，国外于20世纪70年代开发成功，我国也于90年代开发成功，具有更强的抗氧化性和钙离子容忍度，即使在苛刻条件下也不易形成难溶性有机膦酸盐，适用于高强、高硬、高pH值的水质使用。
(2)水溶性聚合物
水溶性聚合物包括均聚物和共聚物。各类高效水溶性聚合物阻垢分散剂的出现，促成了磷系配方的成功开发，进而促进了碱性配方和全有机配方的发展。20世纪70年代初，首先开发成功聚丙烯(PAA)，聚马来酸酐(HPMA)均聚物，其阻CaCO3垢性能良好，这是发展的第一阶段；随着磷系配方的发展，Ca3(PO4)2垢成为突出问题，上述两种均聚物对Ca3(PO4)2垢的抑制作用较差，因而开发了如丙烯酸/马来酸、丙烯酸/丙烯酸羟烷酯等二元共聚物，这类共聚物除抑制CaCO3外，还有优异的抑制Ca3(PO4)2垢能力，这是发展的第二阶段；随着碱性锌处理方案的开发及处理要求的不断提高，开发了带强极性基团的二元共聚物，如苯乙烯磺酸(SS)/马来酸共聚物、丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚物等。此类共聚物的特点是不仅能抑制CaCO3、Ca3(PO4)2垢，而且对锌离子有着稳定作用，对Fe2O3和粘泥也有很好的分散性能，这是发展的第三阶段；新型三元共聚物或四元共聚物，如丙烯酸/烯磺酸/丙烯酰胺等的开发，其特点是阻垢性能进一步提高，特殊功能强，这是发展的第四阶段。
目前我国对含磷聚合物也有研究，并有少量品种投产(如含磷聚丙烯酸)，但是总的来说，国内对含磷聚合物的开发刚起步，含磷丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸羟丙酯的共聚物等许多品种还有待开发。
2.3 杀菌灭藻剂
由于水中含有大量的微生物，在使用水作为冷却水或是其它用途时，微生物易在器壁、管路聚集繁殖，使管道阻力增大，甚至堵塞，传热也会受到不同程度的影响。为了防止水在使用中带入微生物，对设备造成危害，常对水进行处理，以杀死微生物。这种用于杀灭和抑制微生物的水处理剂称为杀菌灭藻剂。可分为氧化性和非氧化性杀菌灭藻剂两大类。
(1)氧化性杀菌灭藻剂
在水处理中，氯气具有高效、快速、广谱、经济等优点，但在pH值大于8.5时，水温较高，浊度大，有机物杂质多的情况下，用氯气控制微生物粘泥，效果并不理想或很难控制，且易产生三氯甲烷等致癌物质。因此，产生了二氧化氯、臭氧、溴类杀生剂等氯气替代品。
二氧化氯由于不产生对人体有害的三氯化物，大量用于自来水和食品加工设备的消毒，其杀菌能力是氯气的2.5倍，且有用量少、作用快、持续时间长、pH范围广等优点，特别适用于碱性处理。臭氧的杀菌作用早已被人们所认可，它是仅次于F2的第二强氧化剂，比氯氧化作用迅速，且氧化也更彻底，不留任何余味和有害残留物。我国自20世纪70年代以来，在用臭氧进行自来水和处理工业废水(如炼油、印染、胶片制作等废水)方面也取得了一些进展。
溴类杀菌灭藻剂因在碱性或高pH值水中或有氨存在的情况下，仍具有杀生能力强，毒性小、易于降解、对环境影响小等优点，越来越受到人们的重视。国外产品主要有溴氯二甲基海因、溴氯甲乙基海因、二溴二甲基海因等。我国尚属开发阶段，未大规模工业化生产和使用。
(2)非氧化性杀菌灭藻剂
一种杀菌灭藻剂使用一段时间后，微生物往往能对其产生抗氧性，影响其控制效果。因此在氧化性剂使用一段时间后，往往冲击式投加非氧化性剂，以达到控制的目的。应用较早的非氧化性杀菌灭藻剂有氯酚类、季胺盐类、有机胺类等。氯酚类由于含有苯环，毒性大，难降解，对环境有毒害作用，因此逐渐被淘汰；有机胺类如二硫氰基甲烷对水的pH值十分敏感，碱性条件下不宜使用，而且毒性也较大，其应用也受到限制；季胺类盐由于本身毒性较低，使用范围宽，价格便宜，因而目前被广泛应用，但微生物对季胺类盐易产生抗药性，且泡沫较多，故人们又开始研制季磷盐、戊二醛、异噻唑啉酮等新型非氧化性杀菌灭藻剂。
3 对发展我国水处理剂的一些建议
1990年我国水处理剂行业组织正式成立，行业管理也列入了原化工部的生产管理系列，这标志着精细化工的该领域已经由起步、开发、试生产、小规模推广正式进入了成长和发展阶段。随着我国改革开放形势的进一步发展，水处理剂行业会有一个长足的发展机遇，但随着我国加入世贸组织和知识产权公约的签订，外国水处理公司将加强对我国市场的开拓，如何把握目前的有利时机，使水处理剂行业得到快速发展，需要领导者保持清醒的头脑，使决策更加科学化。
水处理品剂的研究方向应主要为改进老工艺，以降低消耗，提高质量，减少自身生产的污染，根据用户要求，研究无磷或少磷的水处理配方；研究可以进行计算机控制的能在线测定浓度的水处理剂及其应用计算；研究海水代替淡水作冷却水的水处理剂；研究天然或半天然及生物絮凝剂。水处理剂应用需在每个领域、每个行业加强宣传和推广力度，国家利用经济杠杆作用，如提高水价，限期治理等措施，相信会让水处理剂为消灭污染造福于人类作出应有的贡献。