阻垢剂在矿井水阻垢处理中的应用

５４・ 工业安全与环保 ２０１１年第３７卷第ｌ１期

・

Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｎｅｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１１

阻垢剂在矿井水阻垢处理中的应用

陈雪 蒋仲安 牛伟

（北京科技大学土木与环境工程学院北京１０００８３）

摘要将阻垢剂应用到矿井水阻垢处理中，在原水总硬度为７００ ｍｓ／Ｌ（以Ｃ￣ＣＯ３计）时，通过实验确定最佳阻垢剂组

合为ＡＴＭＰ：ＰＡＡ＝１．４ｍｇ／Ｌ：１．４ｍｓ／Ｌ，阻垢率可以达到９８．２％，从而有效地解决了输水管道内侧结垢的问题。

关键词矿井水阻垢剂复合阻垢

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｈａ＇ｂｉｔｏｒ ｉｎ１Ｗｉｎｅ Ｗａｔｅｒ Ｔｒｅａａｎｅｎｔ

ＣＨＥＮＸｕｅ ＪＩＡＮＧ￣ｏｎｇａｎ ＮＩＵＷｅｉ

（ ｏｆＣｉｖｉｌ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｄｅｎｃｅ ａｎｄ 由ｌｏ ｍｉｊｉｎｇ １０（１０８３）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐ印口ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉａｎ ０ｆ ｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒｉｎｍｉｎｅｗａｔｅｒ蜘∞舡ｒ叫．Ｗｈｅｎｔｈｅｈ８１￣８ ０ｆｉｎｔｌｕｅｎｔ ｄｅｎｓｉｙｔｉｓ７００ｍｓ／Ｌ，

ｈｔｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ ｂｅｓｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｏｆ ｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒｉｓＡＴＭＰ：ＰＡＡ＝１．４ｒａｇ／Ｌ：１．４ｍｓ／Ｌ ａｎｄｔｈｅ ｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｒｏ ｒａｔｅ ｃａＩｌ ｒｅａｃｈ

９８．２％．ｔｈｕｓｉｔ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｏｌｖｅｔｈｅ ｓｃａｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｉｎｍｅｄｉｌａ ｓｉｄｅ ｏｆｗａｔｅｒ ｐｉｐｅ．

ＫｅｙＷｏｒｄｓ ｍｉｎｅｗａｔｅｒ ｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒ ｃｏｎｒｐｔ￣ｉｔｅ—ｓｃａｌｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒ

０引言

于阻垢剂的协同效应，复合阻垢剂的阻垢能力要比任一单项

我国煤炭以井工开采为主，约占整个煤炭产量的９ｒ７％，

药剂的高。因此在综合考虑有机与无机单一药剂阻垢性能

矿井水是矿区所采煤层及开拓巷道附近的地下水，有时也含

后，选择一种有较高阻垢率的药剂做主体药剂，再选择一种

有少量渗入的地表水，煤矿每年产生大量的矿井水，但大部

有机或无机药剂做协同药剂。

分作为废水外排，只有少部分作为生产用水被再次利用，利

阻垢采用静态阻垢法，硬度测定方法采用ＥＤＴＡ滴定法。

用率比较低，不仅污染了周围环境，还造成了水资源的严重

２实验过程

浪费。

２．１主体阻垢剂的选择

由于矿井水的主要来源是地下涌水，其中溶解了大量的 取一定体积的水样，分别加入不同种类的阻垢剂，置于

岩石成分，一般情况下钙镁离子含量较大，而现用的输水管

恒温（８０℃±０．２℃）水浴锅中保持１０ ｈ，冷却后采用ＥＤＴＡ

道大都是铸铁管，当矿井水通过输水管道时，常常会在管道

滴定法测其硬度，从而计算阻垢率，阻垢率越高，表示阻垢效

内侧结垢，导致管道输水有效直径逐渐变小，降低管道的使 果好，即溶液中保留的Ｃａ２＋多，沉淀析出的Ｃａ２ 少，选择用

用性能，并且会腐蚀管道，缩短管道的使用寿命。阻垢剂是

量小、阻垢率高的阻垢剂为主体阻垢剂。

具有能分散水中的难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐

２．１．１ ＥＤＴＡ—Ｎａ２阻垢实验

在金属表面的沉淀、结垢功能，并维持金属设备有良好的传

取２００ ｎｌＬ水样于锥型瓶中，加入ＥＤＴＡ—Ｎａ２阻垢剂，其

热效果的一类药剂，常用的阻垢剂有有机膦系列阻垢剂、有

投加量设为０．０１，０．０３，０．０５，０．１０，０．１５，０．２０，０．３０ ｓ／Ｌ，水浴

机膦酸盐阻垢剂、聚羧酸类阻垢分散剂、复合阻垢剂，以及一

加热１０ ｈ后，测其硬度并计算阻垢率，结果如图１所示。

些专用阻垢剂等。将阻垢剂应用于矿井水处理中，既可解决

６０．０

管道结垢问题，又降低了药剂成本。

４０．０

１实验方法

２０．０

：＼＼

．

０．０

１．１实验材料

匠．２０．０

．

ｏ ０・１５ ０．２５ ０・ ５

本实验所选用的药剂：乙二胺四乙酸二钠盐（ＥｌＹｒＡ一

．

４０．０

投加量／（ａ・Ｌ－ｌ、

２咐为分析纯，来自北京化工厂；氨基三亚甲基膦酸

图１ ＥＤＴＡ—Ｎａ２阻垢效果

（ＡＴＭＰ）、聚丙烯酸（Ｐ从）、聚丙烯酸钠（ＰＡＡＳ）均来自山东泰

由图１可以看出ＥＤＴＡ—Ｎ 在投加量为Ｏ．１５ ｇ／Ｌ的时

和水处理有限公司。

候，阻垢率最高为４５％。

所用水样按照某矿矿井水水质配制，总硬度约为７００

２．１．２ ＡＴＭＰ阻垢实验

ｍｓ／Ｌ。

将阻垢剂换为ＡＴＭＰ，选取ｇＩ＇ＭＰ投加量为０．１，Ｏ．３，０．５，

１．２实验方法

１．０，１．４，４．０，６．８，１３．５，２７．０，５４．０，１０８．０，１６２．０，２１６．０，２７０．０

一

般来说将两种或多种有机药剂组合或将有机药剂和

ｍｇ／Ｌ，保持上述实验条件不变，然后测其硬度并计算阻垢率，

无机药剂组合成复合阻垢剂，在总加药量不变的情况下，由

结果如图２所示。

・

５５ ・

９０．０

７５．０

６Ｏ．０

同药剂的阻垢效果。

２．２．１ ＡＴＭＰ—ＰＡＡＳ复合阻垢实验

选择ＡＴＭＰ投加量为１．４，４．０，６．８ ｍｇ／Ｌ ３个不同水平，

取ＰＡＡＳ用量为１．０，１．４，４．０，６．８，１３．５ ｍｇ／Ｌ，ＡＴＭＰ—ＰＡＡＳ

１００．０ ２００．０ ３００．０ ０．０

槲４５．０

３０．０

聋１５．０

阻垢的实验结果如图５所示。

投加量／（ｍｇ・ ）

图２ ＡＴＭＰ阻垢效果

＼

由图２可以看出，在ＡＴＭＰ投加量为４．０ ｍｇ／Ｌ时，阻垢

瓣

率达到最大为８７％，而随着阻垢剂加入量的增加，阻垢效果

蛊

逐渐下降。

２．１．３ ＰＡＡ阻垢实验

将阻垢剂换为ＰＡＡ，选取其投加量为０．１，０．３，０．５，１．０，１．４，

４．０，６．８，１３．５，２７．０，５４．０，１０８．０，１６２．０，２１６．０，２７０．０ ｍｇ／Ｉ，，保持上 从图５中可看出，在相同的实验条件下，与单独投加

述实验条件不变，然后测其硬度并计算阻垢率，实验结果如

图３所示。

１００．

８０．

０．０ １００・０ ２００．０ ３００・０

投加量／（ｍｇ・ ）

图３ ＰＡＡ阻垢效果

由图３可知，在Ｐ从投加量为１３．５ ｍｇ／ｒ．时，阻垢率达

到最大为９２．３％。当阻垢剂加入过多时，产生沉淀，但一摇

晃就分散在水中。

２．１．４ ＰＡＡＳ阻垢实验

将阻垢剂换为ＰＡＡＳ，选取其投加量为Ｏ．１，Ｏ．３，０．５，１．０，

１．４，４．０，６．８、１３．５，２７．Ｏ，５４．０，１０８．０，１６２．０，２１６．０，２７０．０ ｍ Ｌ，

保持上述实验条件不变，然后测其硬度并计算阻垢率。实验

结果如图４所示。

９０。０

＼ａ

７５．０

６０．０

锝４５．０

３０．０

盘１５．０

０．０ １００．０ ２００．Ｏ ３ｏ０．０

￣／Ｊｎｔ／（ｍｇ・ ‘）

图４ ＰＡＡＳ阻垢效果

由图４可知，ＰＡＡＳ在投加量为２７．０哗／Ｌ时，阻垢率达

到最大为８４％。

２．１．５分析

对比上述４种药剂的实验结果，说明使用聚丙烯型和有

机膦酸盐类阻垢剂可以取得更有效的阻垢效果，当阻垢剂加

入过多时，阻垢率下降，并会产生沉淀，但一摇晃就分散在水

中，流动性也比较好。虽然ＰＡＡ的最高阻垢率比ＡＴＮＰ的

高，但是ＡＴＭＰ可以用最小的剂量达到较好的效果。而且，

ＡＴＭＰ的价格在有机膦酸盐中是最低的，比ＰＡＡ也要便宜。

另外，有不少研究表明ＡＴＭＰ对抑制碳酸钙效果显著，所以

对于组合阻垢剂实验，选择ＡＴｌＶｌＰ为主体药剂。

２．２复合阻垢剂的选择

选择ＡＴＭＰ为主体药剂，再考察其他药剂与之组合为协

ＰＡＡＳ用量／（ｍｇ・ ‘）

图５ ＡＴＭＰ—ＰＡＡＳ复合阻垢效果

ＰＡＡＳ或ＡＴＭＰ相比，复配物明显提高了阻垢性能，采用更小

的用量即可达到更好效果。对于ＡＴＭＰ—ＰＡＡＳ组合，ＡＴＭＰ

取１．４，ｗ／ｒ．效果更好，最好配比为ＡＴＮＰ：ＰＡＡＳ＝１．４ ｍｇ／Ｉ ：

４．０ ｍｇ／Ｌ，阻垢率可以达到９２．７％。

２．２．２ ＡＴＭＰ—ＰＡＡ复合阻垢实验

同样ＡＴＭＰ投加量为１．４，４．０，６．８ ｍｇ／Ｌ ３个不同水平，

取ＰＡＡ用量为１．０，１．４，４．０，６．８，１３．５ ｍｇ／Ｉ￣，进行阻垢实验，

实验结果如图６所示。

雹

ｌ＇ＡＡ￣ｔｔ／（ｍｇ・Ｌ。Ｉ）

－

＊－ＡＴＭＰ用量１．４ ｍｇ／Ｌ ｔ－ＡＴＭＰ用量４．０ ｍ

－

Ａ－ＡＴＭＰ用量６．８ｍｇ／Ｌ

图６ ＡＴＭＰ—ＰＡＡ复合阻垢效果

由图６可知，对于ＡＴＭＰ—ＰＡＡ组合，ＡＴＭＰ取１．４ｍｇ／Ｌ

效果更好，最好配比为ＡＴＭＰ：ＰＡＡ＝１．４ ｍｇ／Ｌ：１．４ ｍｇ／ｌ￣，阻

垢率可以达到９８．２％，而单独使用ＰＡＡ阻垢率只能达到

９ｏ％，说明ＡＴＭＰ—ＰＡＡ的协同反应效果很好。

２．２．３ ＡＴ１ＶＩＰ—ＥＤＴＡ复合阻垢实验

ＥＤ＇ｒＡ—Ｎ 可与有机膦酸盐同时使用，产生协同效应，因

此可以作为其他药剂的补充药剂，控制金属离子结垢。取

ＥＤＴＡ一 用量为０．００５，０．Ｏ１，０．０５，０．１，０．１５ ｇ／Ｔ．，ＡＴＭＰ投加

量同样为１．４，４．０，６．８Ⅱ Ｌ ３个不同水平，ＡＴＭＰ—ＥＤＴＡ阻垢

的实验结果如图７所示。

＼口

９０．０

蛊６０

．

０

５０．０

０．Ｏ ０ ０．Ｏ４ Ｏ．０８ ０．１２ ０．１６

ＥＤ１．Ａ用量／（ｇ・Ｌ。Ｉ）

图７ ＡＴＭＰ一日ⅪＩＡ复合阻垢

由图７可以看出，对于￣ｆＭＰ一咣组合，册取４．０

肛效果更好，最好配比为ＡＴＭＰ￣＂ＥＤＴＡ—Ｎ如＝４．０ｍｇ／Ｌ：Ｏ．０１

，

阻垢率可以达到８３．９％，没有单独使用，￣ＹｔｄＰ时效果好，说

・

５６・

明ＡＴＭＰ—ＥＤＴＡ的协同效应不理想。 垢的目的。同时阻垢剂又发挥低剂量效应，即低剂量的阻垢剂

２．２。４ ＡＴＭＰ—Ｎａ２ｃｏ３复合阻垢实验 就有很好的阻垢效果，这也使药剂成本大大降低。

碳酸钠能有效消除水中的永久硬度，并可以保持水的弱

碱性，因此在复合药剂中常被使用。采用碳酸钠维持一定的

ｃｏ３ 一浓度，首先与ｃａ２ 反应，由于高ｐＨ值，新生成的ｃａｃｏ３

结晶核表面容易吸附ＯＨ一离子，阻碍了晶体的成长，因此沉

淀物不易规则排列生长，从而以无定形水渣形式析出。

取 Ｃ０＝｝用量为０．００５，０．０１，０．０２５，０．０５，０．０７５ ｇ／Ｌ，

ＡＴＭＰ投加量同样为１．４，４．０，６．８ｍｇ／Ｌ ３个不同水平，ＡＴＭＰ—

（ａ）加入复合阻垢剂后 （ｂ）加入复合阻垢剂后

一

ｔ％ｃｏ３阻垢的实验结果如图８所示。

９０．Ｏ

８０．０

毽７蓄０．０

６０．０

５０．Ｏ

Ｏ

Ｎａ，ＣＯ１用量／（ｇ’Ｌ－‘）

－

＃－ＡＴＭＰ用量１．４ ｍｇ／Ｌ－．ｍ－ＡＴＭＰ用量４．０ ｍｇ／Ｌ

－，ｔ，－ＡＴＭＰ用量６．８ ｍｇ／Ｌ

图８ ＡＴＭＰ—Ｎａ￣Ｃｔｈ复合阻垢

由图８可以看出，对于ＡＴＭＰ—Ｎ￣ｃｏ３组合，２ｇｌ＂ＭＰ取１．４

ｍｇ／Ｌ￣更好，最好配比为／ｆＭＰ：Ｎａ２Ｃ０３＝１．４ｒａｇ／Ｌ：０．０１ ｇ／Ｌ，

阻垢率可以达到８５．７％，比．牟 『虫使用ｇｌＳＩＰ时效果要稍好，说明

ｇｒＭＰ一№２０ 有一定的协同效应，在对阻垢率要求不高的情况

下，使用Ｎａ２ＣＯ３作为组合阻垢剂的一个组分可以降低药剂的成

本。

２．２．５分析

对比上述各组合药剂的阻垢效果，得出ＡＴＭＰ：ＰＡＡ＝１．４

ｒａｇ／Ｌ：１．４ ｍｇ／Ｌ为复合阻垢剂最佳配比，可以达到最高阻垢

率。对于单一药剂，ＡＴＭＰ阻垢率没有ＰＡＡ高，而聚丙烯酸型

阻垢剂由于易形成聚丙烯酸钙，使其在含有高浓度ｃ 时单

独使用效果较差。所以ＡＴＭＰ—ＰＡＡ组合是合适的选择，对所

用水样可达到最高的阻垢率９８．２％，而且对于高硬度水可以

保持较好的阻垢效率。经计算药剂成本在Ｏ．０２元／ｔ左右，成

本低廉。

３机理探讨

为了更加清晰看到在矿井水中加入阻垢剂前后垢样的

微观变化，做了电镜扫描实验，在透射电镜下观察的电镜图

片如图９、图１０所示。

（ａ）碳酸钙垢样（３０ＯＯ倍）（ｂ）碳酸钙垢样（５ｏｏｏ￣）

图９水样所成垢样电镜扫描图

原水昕形成的垢样成棒状，主要为碳酸钙，添加阻垢剂后

所成垢样成小圆球连接在一起的絮状，说明矿井水中的钙镁离

子与阻垢剂发生了晶格歪衄反应，即阻垢剂抑制和干扰了碳酸

钙晶体的正常生长，使晶体在生长过程中被扭曲，从而达到了阻

垢样（３ｏｏｏ倍） 垢样（５０００倍）

图ｌ０加入复合阻垢剂后所成垢样电镜扫描图

４结论

针对此模拟水样，选择ＡＩＳＷ为主体药剂，在分别与ＥＤ．

ＴＡ—Ｎａ２、ＰＡＡ、ＰＡＡＳ、Ｎ￣ＣＣｈ复合阻垢实验中，得出最好配比

为ＡＴＭＰ：ＰＡＡ＝１．４ ｍｇ／Ｌ：１．４ ｍｇ／Ｌ，阻垢率可以达到９８．２％，

能够有效的防止管道内侧结垢，延长管道使用寿命，并且经计

算，药剂成本在每吨水Ｏ． 元左右，成本低廉。

作者简介陈雪，女，１９８５年生，辽宁锦州人。硕士研究生。所在单位

为北京科技大学土木与环境工程学院环境工程系，主要从事水处理

方面研究。

（收稿日期＂２００９—１１—１７）

高炉检修防煤气措施

高炉检修作业多数是在高炉内、管道内、除尘器或料仓内检修。

应特别注意防范煤气中毒窒息事故，检修人员必须佩戴防毒面具。

在检修之前，必须用一氧化碳报警仪检测煤气浓度，浓度在安全范围

之内，方可从事检修作业。在检修过程中。罐外均应有专人监护。检

修作业必须严格执行设备操作牌制度．应派专人棱查进出人数。当

发现出入人数不符时，应立即查找、核实。

检修作业具体防煤气中毒措施：

（１）在入炉扒料前，应先测试炉内空气中ＣＯ的浓度是否符合作

业标准。并应采取措施防止落物伤人。

（２）在检修大钟、料斗前，应切断煤气，保持通风良好。在大钟下

面检修时，炉内应设常明火；检修完毕，经确认炉内作业人员全部撤

离后，方允许将大钟从防护梁上移开。检修作业环境ＣＯ超过１ｏｏ

ｍｇ／ｍ３时。作业人员必须佩戴防护用具。且应隔２ ｈ分析一次作业区

域环境内的气体成分。检修大钟时，应控制高炉料面，并锗一定厚度

的水渣，风口全部采用沙封，检修部位应设通风装置。

（３）休风进入炉内作业或不休风在炉顶检修时，应有煤气防护人员

在现场监护。在处理炉顶设备故障时，应有煤气防护人员携带一氧化碳

检测仪和氧气检测仪同时监护，以防煤气中毒和氮气窒息。到炉顶作业

时，应注意风向及氮气阀门和均压阀门是否有泄漏现象。

（４）正常生产情况下，进罐检修密封阀、高炉休风检修料罐设备和更

换炉顶布料溜槽等，必须先检测煤气、氮气的浓度，并制定可靠的安全技

术措施。报生产技术负责人认可。

（５）检修、清理热风炉内部时，煤气管道要用盲板隔绝。除烟道

阀门外的所有阀门均应关死，并切断阀门电源。

摘自《冶金安全＞