磷酸盐在水处理中的应用
磷酸盐在冷却水和锅炉水处理中主要是作缓蚀剂和阻垢剂,其机理依品种、用途及使用条件的不同而有所差别。因有缓蚀阻垢效果及环保方面等因素,磷酸盐处理技术经历了不断的改革。它每一次改进,都针对性解决了控制中的某些技术难题。
水处理可以提高占耗水比例相当大的工业用水循环利用率。在水处理中使用很多种化学药剂,就目前来看,磷酸盐仍是水处理中选用的重要化工产品。它们在水处理中的作用因处理目的、被处理水的水质和处理方法的不同而异。工业循环冷却水和锅炉水处理是磷酸盐在水处理应用中的两大领域,冷却水在食品、纺织、造纸、化工、石油、钢铁和机械工业等的用量是很高的。平均占总用水量的67%。其中又以化工、石油、钢铁工业为最高约占85% ~90%。锅炉水处理是保证锅炉的热效率、防止事故、延长使用寿命,保证锅炉安全运行的重要手段。目前,我国有40余万工业锅炉采用磷酸盐处理方式处理炉水。
磷酸盐的缓蚀机理和阻垢机理
磷酸盐在冷却和锅炉水处理中主要作缓蚀剂和阻垢剂。其作用机理即为缓蚀机理和阻垢机理。
缓蚀机理.
磷酸盐类作为缓蚀剂的缓蚀机理，依其品种、用途及使用条件不同而有所差别。在循环冷却水处理中,使用较多的是聚合磷酸盐。各种聚合磷酸盐对碳钢都具有较好的缓蚀效果。碳钢在水中的腐蚀是微电池造成的，其电化学反应式为:
阳极反应:Fe Fe2++2e
阴极反应:O2+2H20+4e 40H-
这种机理认为，当水中具有一定浓度的Ca2+或其它二价金属离子时，聚合磷酸根离子与Ca2+形成带正电荷的配离子,这种配离子以胶溶状态存在于水溶液中。钢铁在水中腐蚀时，阳极反应产物Fe2+向阴极方向扩散移动,胶溶状态的带正电荷的聚磷酸钙配离子可再与Fe2+络合,生成以聚磷酸钙铁为主要成分的配离子，依靠腐蚀电流沉积于阴极表面，形成沉淀皮膜。这种膜具有一定的致密性,能阻挡溶解氧扩散到阴极,即抑制了腐蚀电池的阴极反应，从而抑制了整个腐蚀反应。
阻垢机理
聚磷酸盐在循环冷却水处理中常用作阻垢剂。正磷酸盐作为阻垢剂多用于锅炉水处理。二者在各自的场合下，按不同的阻垢机理而发挥作用。冷却水中的水垢主要是碳酸钙垢、磷酸钙垢、硅酸钙垢和硅酸镁垢等。当冷却水中无过量的PO3-4或SiO2存在时,磷酸钙垢和硅酸镁垢不容易生成,最容易生成的是碳酸钙垢。在水中加入少量的聚磷酸盐就能防止碳酸钙沉淀析出。之所以能有效阻止碳酸钙沉淀,是由于聚磷酸盐有效地控制了晶核形成的速度。此外聚磷酸盐还能螯合Ca2+、Mg2+等离子.形成单环螯合物或双环螯合物。这样就破坏了碳酸钙等晶体的正常生长过程从而阻止了碳酸钙水垢的形成。
锅炉的炉内水处理常以磷酸三钠、磷酸二氢钠和磷酸氢二钠等作用。主要反应并以不同的机制发挥其作防垢剂
如下:
3Ca(HCO3)2+2Na3PO4=Ca3(PO4)2↓+3Na2CO3 +3CO2↑+3H2O
3CaSO4+2Na3PO4=Ca3(P04)2↓+3Na2SO4
↓+3Na2CO3 +3CO2↑+3H2O
3Mg(HCO3)2+2Na3PO4=Mg3(PO4)2
3MgSO4+2Na3PO4=Mg3(PO4)2
↓+3Na2SO4
当水温相当高,并有足够的碱度时,磷酸钙会变成水渣状的羟基磷灰石Ca10(OH)2(PO4)6,
反应如下:
10Ca3(PO4)2.H2O+6NaOH=3Ca10(OH)2(PO4)6+2Na3PO4+ 10H2O
生成的水渣,可随锅炉排污排至炉外。
而磷酸镁易形成二次水垢,且很难用机械方法除掉在炉水中加入- -定量的硅酸盐时，磷酸镁可按下式继续
反应:
Mg3(PO4)2+2Na2SiO3+2NaOH+H2O=3MgO.2SiO2.2H2O+2Na3PO4
生成的蛇纹石(3MgO.2SiO2.2H2O)是一种不粘附于 金属壁上的泥渣。对于碱性水质，为了避免炉水碱度过高,可用磷酸二氢钠或磷酸氢二钠代替磷酸三钠
磷酸盐在水处理中的作用
磷酸盐在水处理过程中究竟起缓蚀作用,还是起阻垢作用，要看具体配方的成分、使用条件和磷酸盐用量。如聚磷度时起缓蚀作用。高浓，酸盐在低剂量时起阻垢作用.
在循环冷却水处理中的作用
以聚磷酸盐作为主要缓蚀剂的处理方法,在国内外的循环冷却水处理中已得到较为普遍应用。目前因缓蚀阻垢效果及环保方面的因素，各国都在研制改进磷系配方。
用磷酸盐取代聚磷酸盐
聚磷酸盐在使用时的明显弊病之一就是会水解成正磷酸盐,在冷却水中造成磷酸钙沉积,进而促进垢下腐蚀。用磷酸盐复合剂取代聚磷酸盐是一条改进 磷系配方性能的有效途径。推荐磷酸盐使用量[2]2~20mg/L.
用新型含磷聚合物阻止磷酸钙沉积
在继续使用聚磷酸盐的基础上,加入新型对阻止磷酸钙沉积有特殊功效的药剂，既达到缓蚀效果又起到阻垢目的。如有机膦酸盐对钙、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增效协同作用,它们具有无毒,无污染,用量少,不易水解以及在高温、高PH值下稳定性好的特点。
目前我国对含磷聚合物也在研究,并有少量品种投产(如含磷聚丙烯酸),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于继续开发。
