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CN114394681B - 一种海水淡化阻垢剂及其应用 - Google Patents

一种海水淡化阻垢剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种海水淡化阻垢剂，以质量份计，该阻垢剂含有68～90份的丙烯酸聚合物，5～15份的聚环氧琥珀酸，3～10份的有机膦聚合物，0.2～2份的表面活性剂和0～5份的醇。本发明中的海水淡化阻垢剂解决了脱硼处理时反渗透海水淡化系统的碱度较高易于结垢的问题。本发明中的阻垢剂制备简单、含磷量低、用量少且得到的阻垢效果较好，具有很高的工业价值和较好的环保效益。

Description

一种海水淡化阻垢剂及其应用
技术领域
本发明涉及海水淡化反渗透阻垢剂领域，具体涉及一种针对高碱度的海水淡化反渗透阻垢剂。
背景技术
微量元素硼是生物特别是植物所不可或缺的营养元素，但硼酸也会对环境、人体、动物和植物造成危害。同时硼在工业生产中也有一定的危害。世界卫生组织规定生活用水中硼酸的浓度不能超过0.5mg/L，硼酸在农业灌溉用水中的浓度不得高于1.0mg/L，我国的《生活饮用水水质标准》(GB5749-2006)规定人类饮用水中硼酸的浓度不能超过0.5mg/L。
在全球水资源短缺和水污染日益严重的背景下，海水淡化是一种新型的造水、节水技术，能够缓解淡水资源严重不足的问题，在世界和中国沿海地区得到广泛的推广应用。其中，反渗透海水淡化作为海水淡化的主流技术之一，发挥着越来越重要的作用。海水中硼酸的平均含量大约是5mg/L，这个含量远高于植物灌溉水以及人类饮用水的国家标准，如何去除海水中的硼成为越来越重视的问题，由于硼酸分子不带电荷且分子直径小，很难分离脱除，而水体的碱度对脱硼的影响较大，一般碱性越高吸附率就越高，所以实际应用中脱硼工艺往往需要调节水体的碱度，但是提升水体的碱度同时往往会导致CaCO3更易沉淀析出，污染反渗透膜，降低海水淡化效率。因此，如何防止膜表面的污染和结垢是海水淡化工况中亟需解决的问题。
发明内容
现有技术中存在的技术问题是：反渗透海水淡化系统中因脱硼处理导致海水碱度较高，高碱度促使CaCO3更易沉淀析出，污染渗透膜，降低海水淡化效率，因此，亟需针对此情况的高效海水淡化阻垢剂。
为了克服海水淡化工艺中高碱度条件下更易结垢的问题，结合多角度提高阻垢分散性质的作用机理，提供了一种对CaCO3具有较高阻垢率的海水淡化阻垢剂。
具体来说，本发明提出了如下技术方案：
一种海水淡化阻垢剂，其特征在于，以质量份计，所述阻垢剂含有68～90份的丙烯酸聚合物，5～15份的聚环氧琥珀酸，3～10份的有机膦聚合物，0.2～2份的表面活性剂和0～5份的醇类。
优选的，所述阻垢剂含有80～90份的丙烯酸聚合物，5～13份的聚环氧琥珀酸，3～5份的有机膦聚合物，0.2～0.5份的表面活性剂和2～5份的醇类。
进一步优选的，所述阻垢剂含有80～85份的丙烯酸聚合物，10～13份的聚环氧琥珀酸，4.5～5份的有机膦聚合物，0.2～0.5份的表面活性剂和2份醇类。
优选的，所述丙烯酸聚合物选自聚丙烯酸、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物和丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物中的一种或两种以上。
进一步优选的，所述丙烯酸聚合物分子量为1000～8000。
更优选的，所述丙烯酸聚合物分子量为2000～5000。
优选的，所述聚环氧琥珀酸为适用于酸性条件的聚环氧琥珀酸。
优选的，所述有机膦聚合物选自2-羟基膦酰基乙酸、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸和羟基乙叉二膦酸中的一种或两种以上。
进一步优选的，所述有机膦聚合物选自2-羟基膦酰基乙酸或羟基乙叉二膦酸。
优选的，所述表面活性剂为聚醚类表面活性剂。
进一步优选的，所述聚醚类表面活性剂的分子量为2500～3500。
优选的，所述醇类化合物选自甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇中的一种或两种以上。
进一步优选的，所述醇类化合物为乙醇。
上述海水淡化阻垢剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
先将表面活性剂与醇类混合，再加入丙烯酸聚合物、有机膦聚合物和聚环氧琥珀酸混合均匀，得到所述的阻垢剂。
上述海水淡化阻垢剂在海水淡化反渗透领域中的应用。
优选的，在海水取水系统中海水淡化阻垢剂的投加量为0.1～2mg/L。
进一步优选的，在海水取水系统中海水淡化阻垢剂的投加量为0.5～1.0mg/L。
本发明的有益效果包括：
1.在表面活性剂的配合作用下，经过分子量控制和配比调试，阻垢剂使用量为0.75mg/L时，预调碱度的海水在50℃下浓缩2.0倍阻垢实验中，对CaCO3的阻垢率可以达到91.9％以上，且ΔA值在0.18以下；当阻垢剂的浓度低至0.5mg/L时，其阻垢率仍可以达到90％以上，且ΔA值在0.20以下，对CaCO3具有较好的阻垢效果。
2.本发明的海水淡化阻垢剂低磷环保、用量低且阻垢效果较好；制备方法简单，成本较低，有利于推广应用，具有良好的经济前景和社会效益。
具体实施方式
本发明研究发现，丙烯酸聚合物的分子量对其阻垢的性能影响较大，当聚合物分子量较低时，可发生络合反应的配位基团相对数量较小，螯合钙离子的能力明显不足，但当分子量过大时，聚合物分子可能呈现蜷曲状态，使活性基团包裹于其中，降低了反应活性，阻垢效果反而有所下降，而且过大的分子量容易造成堵膜问题。丙烯酸聚合物与少量的聚环氧琥珀酸、有机膦聚合物组合，在表面活性剂的配合作用下，对抑制CaCO3结垢具有显著协同增效作用。并通过分子量控制和配比调试，得到一种针对较高碱度的反渗透海水淡化系统具有较好阻垢效果的低磷型阻垢剂。
如上所述，本发明的目的在于：提供一种对CaCO3具有较高阻垢率的海水淡化阻垢剂。
其中，在本发明的一种具体实施方式中，提供了一种海水淡化阻垢剂，以质量份计，所述阻垢剂含有68～90份的丙烯酸聚合物、5～15份的聚环氧琥珀酸，3～10份的有机膦聚合物，0.2～2份的表面活性剂和0～5份的醇类。
在本发明的又一种具体实施方式中，提供了一种海水淡化阻垢剂的制备方法，具体如下：
先将表面活性剂与醇混合，再加入丙烯酸聚合物、有机膦聚合物和聚环氧琥珀酸混合均匀，得到所述阻垢剂。
下面实施例和对比例中所用到试剂和仪器的来源如下：
表1实施例所用仪器/试剂列表
阻垢试验按如下步骤操作：
在海水中加入NaOH调节pH值至9.5(碱度至200mg/L以上)，将阻垢剂加入500mL已调节pH值的海水中，恒温水浴处理，温度为50℃，开始计时，蒸发浓缩至约250mL，盖上表面皿，保持恒温，总试验时间为24h，取出，冷却至室温。转移至250mL的容量瓶中，定容至刻度、摇匀，用中速滤纸过滤。所得滤液，测定其钙离子浓度和碱度，计算阻垢率η，并计算氯离子浓缩倍数和碱度浓缩倍数的差值ΔA。
其中，钙离子含量测定、氯离子含量测定和碱度的测定依据中华人民共和国国家标准GB/T34550.2-2017《海水冷却水处理药剂性能评价方法第2部分：阻垢性能的测定》中的测试方法。
阻垢率(η)和ΔA的计算是依据中华人民共和国国家标准GB/T34550.2-2017中计算方法。
阻垢率(η)按下列公式计算：
ρCa1：加入阻垢剂浓缩海水的Ca2+离子浓度，单位为mg/L；
ρCa0：未加阻垢剂浓缩海水的Ca2+离子浓度,单位为mg/L；
ρCa2：海水的Ca2+离子浓度，单位为mg/L；
N：表示氯离子的浓缩倍数，本发明中N＝2。
ΔA按下列公式计算：
ρCl1：浓缩海水的Cl-离子浓度，单位为mg/L；
ρCl2：海水中Cl-离子浓度，单位为mg/L；
ρM1：浓缩海水的碱度，单位为mg/L；
ρM2：海水的碱度，单位为mg/L。
下面通过实施例作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不限于具体的实施例。
实施例1
取0.05g聚醚类表面活性剂溶于0.20g乙醇，加入8.5g聚丙烯酸，混匀，再加入0.45g的2-羟基膦酰基乙酸，混匀，最后加入1.0g聚环氧琥珀酸，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量分别为0.5mg/L和0.75mg/L时，其阻垢率分别为90.7％和98.8％，ΔA分别为0.20和0.06，能够有效抑制CaCO3结垢。
实施例2
0.02g聚醚类表面活性剂溶于0.20g乙醇，加入8.0g丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物，混匀，再加入0.50g的2-羟基膦酰基乙酸，混匀，最后加入1.28g聚环氧琥珀酸，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为94.2％，ΔA为0.08，能够有效抑制CaCO3结垢。
实施例3
0.02g聚醚类表面活性剂溶于0.20g乙醇，加入9.0g丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物，混匀，再加入0.3g的2-羟基膦酰基乙酸，混匀，最后加入0.5g聚环氧琥珀酸，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为93.0％，ΔA为0.09，能够有效抑制CaCO3结垢。
实施例4
0.2g聚醚类表面活性剂溶于0.5g乙醇，加入6.8g丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物，混匀，再加入1.0g的羟基乙叉二膦酸，混匀，最后加入1.5g聚环氧琥珀酸，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为93.0％，ΔA为0.13，能够有效抑制CaCO3结垢。
实施例5
取0.05g聚醚类表面活性剂溶于0.20g乙醇，加入8.5g聚丙烯酸(分子量＞10000)，混匀，再加入0.45g的2-羟基膦酰基乙酸，混匀，最后加入1.0g聚环氧琥珀酸，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为91.9％，ΔA为0.18。
对比例1
仅使用聚丙烯酸作为阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为89.5％，ΔA为0.21。
对比例2
取8.5g聚丙烯酸与1.0g聚环氧琥珀酸混合均匀，加水0.7g，混匀得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量分别为0.5mg/L、0.75mg/L时，其阻垢率分别为53.5％、86.0％，ΔA分别为0.89、0.23。
对比例3
取8.5g聚丙烯酸与0.45g的2-羟基膦酰基乙酸混合均匀，加1.25g水，混匀得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为83.7％，ΔA为0.22。
对比例4
取0.20g乙醇，加入8.5g聚丙烯酸，混匀，再加入0.45g的2-羟基膦酰基乙酸，混匀，最后加入1.0g聚环氧琥珀酸，加入0.05g水，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为91.9％，ΔA为0.20。
对比例5
取0.05g聚醚类表面活性剂溶于0.20g乙醇，加入4.0g聚丙烯酸，混匀，再加入0.45g的2-羟基膦酰基乙酸，混匀，最后加入1.0g聚环氧琥珀酸，加入4.5g水，混合均匀后得到阻垢剂。
在预调海水pH值为9.5，50℃条件下浓缩2倍时，阻垢剂的用量为0.75mg/L时，其阻垢率为57.0％，ΔA为0.54。
将各实施例与对比例的阻垢剂阻垢率的评价结果总结在表2中，如下表所示。
表2阻垢剂阻垢率的评价结果
从上表可以看出，当阻垢剂的浓度0.75mg/L时，实施例1-5得到的阻垢剂对CaCO3的阻垢率(η)在91.9％以上，且ΔA值在0.18以下；当阻垢剂的浓度低至0.5mg/L时，其阻垢率(η)仍可以达到90％以上，且ΔA值在0.20以下，对CaCO3具有较好的阻垢效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种海水淡化阻垢剂，其特征在于，以质量份计，所述阻垢剂含有68~90份的丙烯酸聚合物，5~15份的聚环氧琥珀酸，3~10份的有机膦聚合物，0.2~2份的表面活性剂和0~5份的醇类；
其中，所述丙烯酸聚合物分子量为1000~8000。
2.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，以质量份计，所述阻垢剂含有80~90份的丙烯酸聚合物，5~13份的聚环氧琥珀酸，3~5份的有机膦聚合物，0.2~0.5份的表面活性剂和2~5份的醇类。
3.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，以质量份计，所述阻垢剂含有80~85份的丙烯酸聚合物，10~13份的聚环氧琥珀酸，4.5~5份的有机膦聚合物，0.2~0.5份的表面活性剂和2份醇类。
4.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，所述丙烯酸聚合物选自聚丙烯酸、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物和丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物中的一种或两种以上。
5.根据权利要求2所述的阻垢剂，其中，所述丙烯酸聚合物选自聚丙烯酸、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物和丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物中的一种或两种以上。
6.根据权利要求3所述的阻垢剂，其中，所述丙烯酸聚合物选自聚丙烯酸、丙烯酸-丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物和丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物中的一种或两种以上。
7.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，所述丙烯酸聚合物分子量为2000~5000。
8.根据权利要求4所述的阻垢剂，其中，所述丙烯酸聚合物分子量为2000~5000。
9.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，所述聚环氧琥珀酸为适用于酸性条件的聚环氧琥珀酸。
10.根据权利要求4所述的阻垢剂，其中，所述聚环氧琥珀酸为适用于酸性条件的聚环氧琥珀酸。
11.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，所述有机膦聚合物选自2-羟基膦酰基乙酸、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸和羟基乙叉二膦酸中的一种或两种以上。
12.根据权利要求4所述的阻垢剂，其中，所述有机膦聚合物选自2-羟基膦酰基乙酸、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸和羟基乙叉二膦酸中的一种或两种以上。
13.根据权利要求9所述的阻垢剂，其中，所述有机膦聚合物选自2-羟基膦酰基乙酸、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸和羟基乙叉二膦酸中的一种或两种以上。
14.根据权利要求1所述的阻垢剂，其中，所述表面活性剂为聚醚类表面活性剂。
15.根据权利要求4所述的阻垢剂，其中，所述表面活性剂为聚醚类表面活性剂。
16.根据权利要求9所述的阻垢剂，其中，所述表面活性剂为聚醚类表面活性剂。
17.根据权利要求11所述的阻垢剂，其中，所述表面活性剂为聚醚类表面活性剂。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的阻垢剂，其中，所述聚醚类表面活性剂的分子量为2500~3500。
19.根据权利要求1-17中任一项所述的阻垢剂，其中，所述醇类选自甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇中的一种或两种以上。
20.根据权利要求18所述的阻垢剂，其中，所述醇类选自甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇中的一种或两种以上。
21.权利要求1-20中任一项所述阻垢剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
先将表面活性剂与醇类混合，再加入丙烯酸聚合物、有机膦聚合物和聚环氧琥珀酸混合均匀，得到所述的阻垢剂。
22.权利要求1-20中任一项所述的阻垢剂或由权利要求21所述制备方法得到的阻垢剂在海水淡化反渗透领域中的应用。
23. 根据权利要求22所述的应用，其特征在于，在海水取水系统中阻垢剂的投加量为0.1 ~2mg/L。
24. 根据权利要求22所述的应用，其特征在于，在海水取水系统中阻垢剂的投加量为0.5~1 mg/L。
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