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水處理藥劑

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水處理藥劑(也稱作水處理劑水處理化學品,Water Treatment Chemicals)是工業用水生活用水廢水處置過程中通常所需的化學藥劑
中文名
水處理藥劑
外文名
Water Treatment Chemicals
目    的
提升水處理效果、提高處理效率、保護水處理設備。
藥劑分類
主要包括絮凝劑、緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑等。
常見藥劑
聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵、聚丙烯酰胺等。
應用領域
工業用水處理、市政和飲用水處理、污水和廢水處理、海水淡化等。
所屬行業
水處理行業;水處理藥劑行業

水處理藥劑主要作用

主要作用是控制水垢、污泥的形成,減少與水接觸的材料的腐蝕,除去水中的懸浮固體和有毒物質,除臭脱色,軟化和穩定水質等。 [1] 
水處理藥劑廣泛應用於化工、石油、輕工、日化、紡織、印染、 建築、冶金、機械、醫藥衞生、交通、城鄉環保等行業,包括廢水和污水處理、冷卻水和鍋爐水的處理、海水和苦鹹水淡化、膜分離、生物處理、絮凝和離子交換等技術所需的藥劑。 [2] 

水處理藥劑藥劑分類

通常根據產品性能,水處理藥劑可分為絮凝劑、阻垢劑、緩蝕劑殺菌劑消泡劑清洗劑等。此外,還可劃分為一般水處理化學品和專用水處理化學品,一般水處理化學品如明礬硫酸鐵三氯化鐵聚合氯化鋁等;專用水處理化學品又分為單一化學品 (如有機絮凝劑)和配方產品(殺菌劑防腐劑阻垢劑等)。 [2] 
絮凝劑
  1. 分類及特性絮凝劑根據其組成不同主要分為以下四類,其中不同種類的絮凝劑又有繁多的細分: [3]  (1)無機絮凝劑根據組成可分為簡單無機絮凝劑和無機高分子絮凝劑。其中,簡單無機絮凝劑通常又可分為鋁鹽絮凝劑(常見藥劑包括硫酸鋁氯化鋁鋁酸鈉)和鐵鹽絮凝劑(包括氯化鐵硫酸鐵);無機高分子絮凝劑通常又可分為鋁鹽系列(包括聚氯化鋁和聚硅硫酸鋁)和鐵鹽系列(包括聚合氯化鐵聚合硫酸鐵、聚合磷酸類複合鐵鹽和聚合硅酸類複合鐵鹽)。 [3] 2)有機高分子絮凝劑根據組成可分為天然有機高分子絮凝劑和人工合成高分子絮凝劑。其中,天然有機高分子絮凝劑又可分為澱粉衍生物(包括高取代度季銨型陽離子澱粉絮凝劑、高取代度陽離子馬鈴薯澱粉、交聯氧化澱粉和交聯羧甲基澱粉)、木質素衍生物(包括改性季銨鹽木質素和層狀雙氫氧化物。其中層狀雙氫氧化物英文全稱為Layered Double Hydroxide,簡稱LDH)及甲殼素衍生物(包括殼聚糖-聚三甲基氯化銨)等;人工合成高分子絮凝劑又可分為非離子型有機高分子絮凝劑(包括聚丙烯酰胺,英文全稱為Polyacrylamide,簡稱PAM)、陰離子型有機高分子絮凝劑(包括聚丙烯酸聚丙烯酸鈉聚丙烯酸鈣、苯乙烯磺酸鹽、木質磺酸鹽丙烯酸甲基丙烯酸)、陽離子型有機高分子絮凝劑(包括季銨化的PAM)以及兩性PAM聚合物(包括具有羧基和胺甲基的兩性型PAM絮凝劑)。 [3]  (3)微生物絮凝劑包括微生物菌體作為絮凝劑(如某些細菌、放線菌、酵母菌、黴菌)、微生物細胞壁提取絮凝劑(如酵母菌細胞壁葡聚糖、絲狀真菌細胞壁殼聚糖)、微生物代謝產物作絮凝劑(如莢膜、黏液質)以及基因克隆技術獲得絮凝劑(如高效遺傳菌株)。 [3]  (4)複合絮凝劑
  2. 研究現狀與發展方向對於絮凝劑的研究,今後的發展方向重點有如下兩方面:第一,微生物絮凝劑以其獨特的生物優勢具有廣闊開發和應用前景,找尋廉價易得的絮凝劑產生菌培養底物,以期降低絮凝劑的生產成本;第二,在考慮成本的前提下,加大複合絮凝劑的應用推廣力度,開展低毒、無毒、高生態安全複合絮凝劑的研究,減少二次污染,實現可持續發展。 [3] 
絮凝劑種類及產品列舉 絮凝劑種類及產品列舉 [3]
阻垢劑
阻垢劑是一類能阻止水中致垢鹽類在設備表面沉積的物質。一般認為,阻垢劑起阻垢作用是因為它對水中金屬離子有螯合作用,對微晶有吸附分散作用或晶格畸變作用。 [4] 
  1. 分類及特性阻垢劑一般按照阻垢劑研究的發展歷程和阻垢劑分子中的官能團進行分類,主要分為四大類: [3]  (1)天然聚合物阻垢劑:常見藥劑包括單寧纖維素澱粉木質素殼聚糖腐植酸鈉等,優點是使用較早、來源廣泛,缺點則是加量大、費用高。 [3]  (2)含磷聚合物阻垢劑:此類阻垢劑又分為無機含磷聚合物阻垢劑和有機含磷聚合物阻垢劑。前者常見藥劑包括焦磷酸鈉三聚磷酸鈉六偏磷酸鈉,優點是可與多種結垢金屬離子螯合,缺點是易水解。後者常見藥劑包括羥基乙叉二膦酸氨基三甲叉膦酸乙二胺四甲叉膦酸和多氨基多醚基甲叉膦酸,優點是螯合能力強、兼具緩蝕性以及不易水解,缺點是高温、高鹼、高硬水質下使用受限,本身易結垢和污染。 [3]  (3)共聚物阻垢劑:常見藥劑包括丙烯酸類共聚物、磺酸類共聚物、馬來酸酐類共聚物和其它非磷緩蝕阻垢劑。優點是活性高、毒性小,缺點是生物可降解性差。 [3]  (4)綠色新型阻垢劑:常見藥劑包括聚環氧琥珀酸聚天冬氨酸,優點是活性高、高鈣濃度下阻垢效果好以及綠色可降解。 [3] 
  2. 研究現狀與發展方向目前天然聚合物阻垢劑的使用已經淘汰,而國內在上世紀九十年代以前,研究重點為含磷聚合物阻垢劑,在這之後以共聚物阻垢劑為主。由於磷元素能夠造成水體富營養化,開發非磷或低磷、非氮和可降解的綠色阻垢劑已經成為工業上水處理行業的研究方向。複合配方的阻垢劑要比單一組成的藥劑具有更好的阻垢性能,可通過開發此類型阻垢劑來彌補單一藥劑的缺憾。 [3] 
阻垢劑種類及特點 阻垢劑種類及特點 [3]
緩蝕劑
緩蝕劑屬於一種兼具經濟性、高效性以及通用性的防腐蝕藥劑,目前已廣泛應用於電力、石油以及能源等多種工業生產活動。從 1860 年世界上第一款緩蝕劑出現,該類藥劑經歷了從無機共聚物、高磷、單一應用方法,轉變為有機共聚物、無磷以及復配使用。 [5] 
  1. 分類及特性緩蝕劑的分類方法有很多,除了以緩蝕劑自身的化學組成分為無機和有機緩蝕劑外,也可根據緩蝕機理進行分類,如根據電化腐蝕控制部位和保護膜類型進行的分類。 [3]  (1)按照自身化學組成可分為:無機緩蝕劑,常見藥劑包括鋅鹽鉬酸鹽鎢酸鹽硅酸鹽、(亞)硝酸鹽、(聚)磷酸鹽及鉻酸鹽;有機緩蝕劑,常見藥劑包括包括膦酸(鹽)、膦羧酸含氮氧的雜環化合物。不同組成緩蝕劑有不同的性質和用途,如鋅鹽緩蝕劑成膜快,膜鬆軟,多用於冷卻水系統;膦羧酸緩蝕劑與二價離子螯合作用強,適用於低硬、低鹼腐蝕性水介質。 [3]  (2)按照電化腐蝕部位可分為:陽極型緩蝕劑,常見藥劑包括鉻酸鹽鉬酸鹽鎢酸鹽釩酸鹽亞硝酸鹽硼酸鹽,該類緩蝕劑特點是陽極區與金屬離子作用形成保護膜,要保持較高濃度以使陽極全部鈍化,否則造成點蝕;陰極型緩蝕劑,常見藥劑包括鋅的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物鈣的碳酸鹽磷酸鹽,該類緩蝕劑特點是在陰極成膜,只需向介質中加入可溶性鋅鹽或可溶性磷酸鹽。 [3]  (3)按照保護膜類型可分為:氧化膜型緩蝕劑,常見藥劑包括鉻酸鹽亞硝酸鹽鉬酸鹽鎢酸鹽釩酸鹽正磷酸鹽硼酸鹽,特點是在氧作用下於金屬表面陽極區形成氧化膜;沉澱膜型緩蝕劑,常見藥劑包括鋅的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物鈣的碳酸鹽磷酸鹽,特點是緩蝕膜多孔且未與金屬表面直接結合,附着性不好,效果不如氧化膜型緩蝕劑;吸附膜型緩蝕劑,常見藥劑包括一些含羥基具有表面活性的有機化合物,特點是金屬表面有腐蝕產物或積垢應配合表面活性劑加入,幫助成膜。 [3] 
  2. 研究現狀與發展方向近年來隨着有機合成技術的進步,科學工作者們設計合成出很多新型結構的低聚物、縮聚物型緩蝕劑,不僅毒性低,緩蝕效果也很好,已成功應用於機械內腔、精密刀具、汽車零件等領域。今後緩蝕劑領域的研究重點應是探索從植物、 海水生物中分離提取和加工出新型緩蝕劑的有效成分;利用醫藥、食品和工農業副產品提取緩蝕劑有效成分,並進行復配或改性;以及運用量子化學理論進行高效多功能環保型和低聚型緩蝕劑的合成。 [3] 
緩蝕劑分類及用途 緩蝕劑分類及用途 [3]
殺菌劑
殺菌劑,也稱殺菌滅藻劑,在水處理過程中可以抑制、破壞性水中微生物的生長,防止微生物發生粘泥現象而影響整個水處理系統的運行。 [6] 
  1. 分類及特性殺菌劑按藥劑化學組成不同可分為氧化性殺菌劑非氧化性殺菌劑兩大類: [3]  (1)氧化性殺菌劑常見藥劑包括氯氣(優點是常用、廉價;缺點是加氯操作不便)、次氯酸鹽(優點是常用、廉價;缺點是性質不穩定)、氯化異氰尿酸(優點是兼具緩釋性、殺菌性好、較常用;缺點是不能剝離粘泥)、氯化溴(優點是結構簡單;缺點是不穩定、成本高)、滷胺(優點是性能穩定、功效可再生;缺點是成本高)、鹵化海因(優點是殺菌性好;缺點是成本高)、二氧化氯(優點是殺菌性能極好;缺點是不穩定)、臭氧(優點是殺菌性好;缺點是成本高)、過氧化氫以及高錳酸鉀(優點是常用作剝離劑;缺點是臨時性使用)。 [3]  (2)非氧化性殺菌劑常見藥劑包括重金屬化合物(優點是品種多、用途廣;缺點是毒性大、難降解、已淘汰)、氯酚(國內使用較多;缺點是毒性大、限制使用)、有機氮硫物(常用;缺點是易產生抗藥性)、季銨鹽類(常用;缺點是泡沫多)、活性鹵化物(優點是殺菌性好、低毒),洗必泰戊二醛咪唑啉均三嗪(優點是殺菌性好;缺點是成本高)。 [3] 
  2. 研究現狀與發展方向水處理殺菌劑的種類多,殺菌機理、效果和用途也各不相同,甚至一些殺菌劑的作用機理還需要進一步的試驗研究。今後水處理殺菌劑領域的發展方向是開發具備廣譜、高效、低毒、環保、性價比高等特點的水處理殺菌劑。合理解決環境安全和殺菌效果之間存在的矛盾問題是該行業面臨的最大挑戰。目前,不溶性高分子固化類殺菌劑的研發成為熱潮,並同時開發具有協同作用的復配型殺菌劑。此外,新型綠色環保替代品也是今後開發的方向。 [3] 
殺菌劑種類及優缺點 殺菌劑種類及優缺點 [3]
消泡劑
  1. 分類及特性消泡劑有油型、溶液型、乳液型、粉末型和複合型幾種,各種消泡劑均應具備以下特點:消泡作用強,用量少;不改變加入體系的基本性質;表面張力小;與表面的平衡性好;擴散和滲透性好;耐熱性好;化學性質穩定,不易氧化;氣體溶解和透過性好;在起泡性溶液中溶解度小;無生理活性,安全性高。同時具備上述十餘種特性的消泡劑是不存在的,一種消泡劑只能對特定一種或幾種體系起作用。 [3] 
  2. 研究現狀與發展方向聚醚類改性硅油消泡劑在國內仍處於研發階段,產品稀缺。此種消泡劑可迅速溶解於水中,既可以單獨使用,又可以與其它水處理劑復配使用。聚醚類消泡劑穩定性好,不易發生破乳漂油現象,不產生沉澱,是消泡劑領域的新品種,亦是消泡劑研發的方向。 [3] 
消泡劑種類及用途 消泡劑種類及用途 [3]
清洗劑
清洗劑種類繁多,首先可根據其組成物質分為無機清洗劑和有機清洗劑兩大類。而根據所針對的設備材質不同和具體污垢不同,清洗劑又分為酸洗劑、氨洗劑、鹼洗劑和溶劑型清洗劑四類。值得注意的是,普通的清洗劑一般不屬於水處理藥劑,此處清洗劑特指用於膜法水處理設備的清洗劑,主要用於對膜進行清潔、清洗: [3] 
1)酸洗劑一般包括鹽酸硫酸氨基磺酸氫氟酸檸檬酸、羥基醋酸、甲酸草酸、乙二胺四醋酸等,越強的酸對水垢的溶解效果就越好,但要考慮對設備的損傷; [3] 
(2)氨洗劑:通常選用1-3%的氨水,通常還要向其中加入過硫酸銨、過碳酸銨、亞硝酸鈉氧化劑配合使用,以提高氨洗效率; [3] 
(3)鹼洗劑:通常包括苛性鈉、純鹼磷酸鈉亞硫酸鈉聯氨等,同樣的,為了提高鹼洗效率往往需要再加入一定量表面活性劑雙氧水 [3] 
(4)溶劑型清洗劑:以前多采用汽油,現在改為有機氯化物、有機氟化物,此類清洗劑操作方便,穩定性好,可循環使用。 [3] 

水處理藥劑應用領域

水處理藥劑的應用領域按照終端客户水處理的對象和方式的不同, 一般可以分為:工業水處理、市政與飲用水處理、污水與廢水處理、海水淡化。 [7] 
工業用水處理
水處理藥劑主要運用在循環水冷卻系統工業鍋爐水中。循環冷卻水是把使用過的水通過冷卻塔降温後再次用於冷卻,整個水系統是處於一個不斷循環的動態過程之中,屬於多次使用。循環水冷卻系統需要解決管線和設備的結聚、腐蝕和微生物問題。工業循環水處理使用的藥劑主要有阻垢劑、緩蝕劑、殺菌滅藻劑、清洗劑、預膜劑等。 [7] 
工業鍋爐水處理的常用方法有鍋外水處理和鍋內水處理,使用的藥劑主要有緩蝕阻垢劑、除氧劑、給水降鹼劑、離子交換劑、再生劑、軟化劑、鹼度調節劑、清垢劑等。 [7] 
市政與飲用水處理
在生產合格生活用水的過程中,必須添加合適的水處理化學品使出廠的水質達到國家標準。重點需要處理的環節有:藻類控制,減少水庫中有毒或有氣味的藻類;絮凝過程,去除懸浮和膠體固體如粘土;軟化過程,去除鈣鹽和鎂鹽,特別是碳酸鹽和重碳酸鹽;腐蝕控制,用來減少對管道的腐蝕;殺菌消毒等。市政與飲用水處理涉及到的水處理藥劑一般有殺菌滅藻劑、絮凝劑、緩蝕劑等。 [7] 
污水與廢水處理
如果將污水或廢水直接排放到自然環境中,其中所含污染物會對生態環境造成污染,因而需要將污水中的全部污染物清除出去。通常需要將多種污水處理方法結合起來,實現層層淨化,逐級過濾,直至將水中污染物徹底清除。污水處理涉及到的水處理藥劑一般有絮凝劑、污泥脱水劑、消泡劑、螯合劑、脱色劑等。 [7] 
海水淡化
海水淡化發展始於 20 世紀 60 年代,經過近幾十年的發展,海水淡化技術已經相對比較成熟。其中,蒸餾法和膜法已成為主流技術。對於膜法而言,為減少結垢沉積對反滲透膜的影響,需要在水中添加阻垢緩釋劑、清潔劑、絮凝劑、阻垢分散劑等藥劑;對於蒸餾法來講,容易產生鍋垢從而降低蒸發效率,可以通過海水進行預處理來減少影響,向原水中加入聚磷酸鹽、有機磷酸,膦基聚羧酸等進行水質軟化,對鈣,鎂離子以及其他金屬離子螯合作用使其不易沉澱,從而阻止水垢的形成。 [7] 

水處理藥劑前景機遇

水處理藥劑發展前景

  1. 節能減排需求我國幅員遼闊、人口眾多,淡水資源人均佔有量較少,而且重複利用率相對較低,特別是近些年由於國家經濟的高速發展,人們在生產和生活活動當中對水資源的利用量更大,污染問題也持續加劇。在工業冷卻水的處理過程中,對水處理藥劑的應用能夠起到非常優質的應用效果。此外,將水處理藥劑應用在城市污水治理當中也能夠起到很大的輔助作用,這對於水資源利用效率的提升,從而緩解水資源的短缺問題具有非常重要的意義。 [5] 
  2. 環境標準的提升為了對我國流域範圍內的水環境質量進行治理和改善,國家相繼出台了各種政策,並逐步提升了污水排放的標準。這也就該新型水處理藥劑在研發方面指出了非常明確的方向,給行業發展帶來了良好的契機。 [5] 
  3. 水環境改善需求就我國工業發展目前的整體情況來説,應用最為廣泛的阻垢劑還是以磷系產品為主,而且全國每年需要消耗掉大概十萬噸阻垢劑。這些含有磷的化合物多數最終進入到了自然水體當中,導致河流湖泊出現富營養化,給生態環境帶來了嚴重的威脅。所以,目前對無毒性、無磷化,並能夠實現生物降解水處理藥劑的研究與推廣顯得至關重要。 [5] 
  4. 技術體系支撐目前,我國在水環境管理方面正從以往的總量控制,朝着具體流域的目標管理逐步轉變,國家正大力推進水污染治理技術體系以及綜合管理體系的構建,給水處理藥劑的發展形成了非常優質的技術保障,呈現出更為廣闊的發展平台。 [5] 

水處理藥劑發展機遇

創新是水處理藥劑可持續發展的原動力,綠色化是未來水處理藥劑發展的方向,開發研製適合我國環境保護要求的低磷、非氮、可生物降解、無毒無害、低成本的綠色水處理藥劑,將成為我國未來水處理藥劑發展的方向。 [8] 
  1. 有機高分子絮凝劑及多元複合絮凝劑近年來,隨着有機高分子絮凝劑的吸附架橋、吸附電中和、聚合物-顆粒物表面絡合物形成的耗散絮凝( depletion flocculation) 等機理的形成,以及對聚電解質絡合絮凝機理和吸附膠束絮凝等難降解有機物強化絮凝機理的研究,為有機高分子絮凝劑及多元複合絮凝劑的研製和應用提供了理論基礎,一批新型高效環保型有機高分子絮凝劑及多元複合絮凝劑得以研製,實現了水處理藥劑的新突破。 [8] 
  2. 綠色水處理藥劑綠色水處理藥劑的發展經歷了由天然高分子綠色水處理劑到人工合成型高分子綠色水處理藥劑的過程。研製具有高阻垢性能、良好生物降解性、無毒、無磷或低磷的新型綠色水處理藥劑是21 世紀水處理藥劑發展的方向。但目前僅有阻垢劑與緩蝕劑在綠色化上取得了一定發展,而絮凝劑作為最主要的且用量最多的藥劑,在目前所使用的無機與有機絮凝劑中,還存在着二次污染問題,而且容易對人體健康造成重大的傷害,因此應加大其綠色化進程的研究開發。在開發過程中,以天然產物如農、林產品作為原料,輔以W/W乳液聚合技術,使生產和使用過程中均實現綠色化,並且無二次污染的產生。 [8-9] 
  3. 多元複合水處理藥劑多元複合水處理藥劑是一類具有一劑多效的水處理藥劑,如聚硅酸與鋁鹽複合絮凝劑,就是一類新型無機高分子混凝劑,是在活化硅酸(即聚硅酸)及鋁鹽混凝劑的基礎上發展起來的聚硅酸與鋁鹽的複合產物,同時具有電中和作用和吸附架橋作用,該類混凝劑具有混凝效果好、價格便宜、處理後水中的殘留鋁量低等優點。又如聚滷代醇噻啉季銨鹽絮凝劑,具有絮凝能力強的特點,特別適用於選礦作業中礦石與水的分離,同時還具有一定的殺菌和緩釋作用。多元複合水處理藥劑一劑多效的特點,吸引越來越多的研究者從事其製備工藝的研究及應用開發。 [8] 
  4. 納米材料、微生物絮凝劑等新型高效水處理藥劑(1)納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等,作為一種新型高效水處理藥劑而被寄予厚望。目前,採用納米 TiO2光催化降解毒害有機物、碳納米管改性去除重金屬等的研究已取得突破性進展,為納米材料水處理藥劑的研發開創了先例。 [8]  (2)微生物絮凝劑是一種無毒的生物高分子化合物,包括機能蛋白質或機能多糖類物質,具有生物降解的獨特性質。與其他絮凝劑相比,微生物絮凝劑具有易於固液分離、形成沉澱物少、易被微生物降解、無毒無害、實用性強等優點。目前,對微生物絮凝劑的研究比較多,而且也有一些研究者將無機-有機高分子絮凝劑復配使用,取得了很好的效果。 [8] 
參考資料