阻垢分散作用是水質(zhì)穩(wěn)定劑的主要基本功能。建立正確、簡(jiǎn)便、客觀的阻垢劑性能評(píng)定方法是廣大水處理工作者的任務(wù)之一。目前我國(guó)實(shí)驗(yàn)室常用的評(píng)定方法主要有靜態(tài)阻垢法、鼓泡法和極限碳酸鹽硬度法川等。這些方法大多存在測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)、操作煩瑣、重現(xiàn)性不理想等缺點(diǎn)，為此，在綜合評(píng)價(jià)、改進(jìn)這些方法的基礎(chǔ)上，我們又先后提出了pH位移法和電導(dǎo)法等評(píng)定方法。與經(jīng)典方法相比，pH位移法和電導(dǎo)法具有實(shí)驗(yàn)周期短(由6一24h縮減到2一10min)、操作簡(jiǎn)單(只需1臺(tái)pH計(jì)或電導(dǎo)率儀)、數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，但它們所反映的仍只是鰲合作用的貢獻(xiàn)，測(cè)定結(jié)果同樣也不能反映阻垢劑的綜合性能。雖然量熱法可同時(shí)反映晶體成核和生長(zhǎng)過程的貢獻(xiàn)，但受溫度測(cè)量精度(采用貝克曼溫度計(jì)，測(cè)溫精度為0.001℃)的影響，方法的系統(tǒng)誤差較大，較難反映不同阻垢劑之間的細(xì)微差別。因此，探索客觀、公正、簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)室評(píng)定阻垢劑綜合阻垢性能的方法，是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的工作。
1阻垢劑作用機(jī)理
   從作用機(jī)理上來(lái)講，阻垢劑的作用可分為鰲合、分散和晶格畸變?nèi)糠?。且在?shí)驗(yàn)室評(píng)定試驗(yàn)中，分散作用是鰲合作用的補(bǔ)救措施，晶格畸變作用是分散作用的補(bǔ)救措施。
1.1鰲合作用
  由中心離子和某些合乎一定條件的同一多齒配位體的兩個(gè)或兩個(gè)以上配位原子鍵合而成的具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物的過程稱為鰲合作用。鰲合作用的結(jié)果是使得成垢陽(yáng)離子(如ca2+，Mg2+等)與鰲合劑作用生成穩(wěn)定的鰲合物，從而阻止其與成垢陰離子(如co32一，5042一，Po4，一和51032一等)的接觸，使得成垢的幾率大大下降。鰲合作用是按化學(xué)計(jì)量進(jìn)行的，如1個(gè)EDTA分子鰲合1個(gè)二價(jià)金屬離子。鰲合劑的鰲合能力可用鈣鰲合值來(lái)表示。通常商品水處理劑的鰲合能力(以下各藥劑活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%，鰲合能力以CaCO3計(jì)):氨基三亞甲基麟酸(ATMP)—300 mg/g;二乙烯三氨五亞甲基麟酸(DTPMP)—450 mg/g;乙二胺四乙酸(EDTA)—15om歲g;經(jīng)基亞乙基二麟酸(HEDP)—45om擴(kuò)g。折合算來(lái)，1 mg鰲合劑只能鰲合不足0.5 mgCaCO3垢。若需將總硬為smm0FL的鈣鎂離子穩(wěn)定在循環(huán)水系統(tǒng)中，所需的鰲合劑為l000m郭L，這種投加量在經(jīng)濟(jì)上是無(wú)法承受的。由此可見，阻垢劑鰲合作用的貢獻(xiàn)只是其中很小一部分。但在中低硬度水中，起重要作用的仍是阻垢劑的鰲合作用。
1.2分散作用
   分散作用示意如圖1所示。分散作用的結(jié)果是阻止成垢粒子間的相互接觸和凝聚，從而可阻止垢的生長(zhǎng)。成垢粒子可以是鈣、鎂離子，也可以是由千百個(gè)CaCO3和MgCO3分子組成的成垢顆粒，還可以是塵埃、泥沙或其他水不溶物。分散劑是具有一定相對(duì)分子質(zhì)量(或聚合度)的聚合物，分散性能的高低與相對(duì)分子質(zhì)量(或聚合度)的大小密切相關(guān)。聚合度過低，則被吸附分散的粒子數(shù)少，分散效率低;聚合度過高，則被吸附分散的粒子數(shù)過多，水體變渾濁，甚至形成絮體(此時(shí)的作用與絮凝劑相近)。與鰲合作用相比，分散作用是的。實(shí)驗(yàn)表明，1 mg分散劑可使10一100 mg的成垢粒子穩(wěn)定存在于循環(huán)水中，在中高硬度水中，阻垢劑的分散功能起主要作用。

1.3晶格畸變作用
  當(dāng)系統(tǒng)的硬度、堿度較高，所投人的鰲合劑、分散劑不足以*阻止它們析出的時(shí)候，它們就不可避免地析出。如果沒有分散劑的存在，垢的生長(zhǎng)將服從晶體生長(zhǎng)的一般規(guī)律，所形成的垢堅(jiān)固地附著在熱交換器表面上。如果有足量的分散劑的存在，由于成垢粒子(由成百上千個(gè)CaCO3分子組成)被分散劑吸附、包圍，阻止了成垢粒子在其規(guī)則的晶格點(diǎn)陣上排列，從而使所生成的污垢松軟、易被水流的沖刷而帶走。投加與不投加分散劑時(shí)所形成的垢樣的X-衍射圖和電子掃描電鏡照片如圖2、圖3所示。

  從圖2、圖3可以看出:不加分散劑的CaCO3垢樣具有規(guī)則的外形，質(zhì)地堅(jiān)硬，其X一衍射圖也具有確定的峰;投加分散劑后，CaCO3垢樣呈無(wú)定型狀態(tài)，質(zhì)地松軟，其X一衍射圖的晶體特征較弱，表明分散劑的存在確實(shí)改變了晶體的結(jié)構(gòu)，具有較好的晶格畸變作用。在高硬重垢水中，阻垢劑的晶格畸變性能起主要作用。
2阻垢性能評(píng)定方法及其特點(diǎn)
2.1鰲合能力與部分分散能力的測(cè)定
  在阻垢劑評(píng)定試驗(yàn)中，將達(dá)平衡后的試樣靜置10h或涼至室溫，用EDTA滴定上層清液或?yàn)V液中的穩(wěn)定鈣離子濃度，以上層清液或?yàn)V液中穩(wěn)定鈣離子濃度的多少來(lái)評(píng)價(jià)阻垢劑阻垢性能的優(yōu)劣。屬于這種評(píng)定方法的有靜態(tài)阻垢法、鼓泡法和極限碳酸鹽硬度法等。
  在有阻垢劑存在的條件下，溶液中Ca2+的存在形式有以下幾種:自由鈣離子(比例很小)、含鈣離子對(duì)(如[CaOH」+，[CaSO4」。，[CaCI」+，[CaC12」0，[CaHCO3」+等，比例較小)、鈣鰲合物(所占比例與所投人的鰲合劑濃度有關(guān))、被分散劑吸附且能夠懸浮在溶液中的CaCO3顆粒、被分散劑吸附且沉積在容器底部的CaCO3淤泥等。隨著硬度的升高或濃縮倍數(shù)的升高，溶液中碳酸鈣顆粒的個(gè)數(shù)越來(lái)越多，粒徑也越來(lái)越大，因此被分散劑吸附且不能在溶液中懸浮的cacO3的比例越來(lái)越高。
  顯然，上述所謂的上層清液或?yàn)V液中只含有自由鈣離子、含鈣離子對(duì)、鈣鰲合物和部分被分散劑吸附且能夠懸浮在溶液中的CaCO3顆粒。在硬度較低、阻垢劑濃度較高的條件下，這也許包含了溶液中總鈣的絕大部分，用此時(shí)的測(cè)定結(jié)果表示阻垢劑的阻垢能力是正確的。但當(dāng)溶液的硬度較高、阻垢劑濃度相對(duì)較低時(shí)，沉積在底部的CaCO3淤泥狀垢已成了溶液中總鈣的大部，此時(shí)仍用上層清液或?yàn)V液中的鈣離子含量來(lái)表示阻垢劑的阻垢能力則就不正確了。
2.2鰲合能力的測(cè)定
  pH位移法和電導(dǎo)法是測(cè)定溶液因Ca2+與CO32-的結(jié)合而引起的溶液pH和電導(dǎo)變化的測(cè)定方法〔6一8〕。由于CaCO3晶體的生長(zhǎng)(或聚集)和老化不能引起溶液中H+濃度和導(dǎo)電粒子數(shù)的變化，因此pH位移法和電導(dǎo)法是單純測(cè)定阻垢劑鰲合能力的方法。
  研究表明，在一定的硬度范圍內(nèi)，pH位移法和電導(dǎo)法的測(cè)定結(jié)果與經(jīng)典的靜態(tài)阻垢法和鼓泡法具有相同的變化趨勢(shì)，表明這兩類方法的測(cè)定內(nèi)容的本質(zhì)是相同或相近的。進(jìn)一步可以推斷，在靜態(tài)阻垢法、鼓泡法和極限碳酸鹽硬度法等測(cè)定方法中，相對(duì)于鰲合能力，分散能力的貢獻(xiàn)較小，即很少顧及分散能力的阻垢貢獻(xiàn)。
2.3傳統(tǒng)評(píng)定方式下常規(guī)阻垢劑的阻垢性能
  由于常規(guī)阻垢劑性能評(píng)定方法(靜態(tài)阻垢法、鼓泡法、極限碳酸鹽硬度法、pH位移法和電導(dǎo)法)所測(cè)定的主要是藥劑的鰲合性能，很少顧及藥劑的分散能力，更不包含藥劑的晶格畸變能力，因此這些方法在評(píng)價(jià)中、低硬度水中阻垢劑的阻垢性能是適用的，但對(duì)于高硬水質(zhì)，這些方法則是不適用的，其結(jié)果也是不正確的。由于HEDP和ATMP具有較好的鰲合能力，采用上述評(píng)定方法可得到它們的阻垢能力優(yōu)于任何阻垢分散劑〔如聚丙烯酸(PAA)、水解聚馬來(lái)酸醉(HPMA)、聚環(huán)氧唬拍酸(PESA)、麟酞基梭酸共調(diào)聚物(POCA)和多氨基多醚基亞甲基麟酸鹽(PAPEMP)等〕的結(jié)論，這顯然是不正確的;用這些方法也幾乎不能分辨各種阻垢分散劑(包括水法聚馬與溶劑法聚馬)之間的差別，這顯然也是不合理的。
    有一種適用于高硬度、高堿度、高濃縮倍數(shù)水質(zhì)的復(fù)合藥劑側(cè)，經(jīng)典方法評(píng)價(jià)得到阻垢率為20%一35%的結(jié)論，動(dòng)態(tài)模擬法得到阻垢率>90%的結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)使用于補(bǔ)水總硬為7.5 mmol/L，堿度為9.2 mmol/L，濃縮倍數(shù)為2.5的循環(huán)水系統(tǒng)，3年未發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。這進(jìn)一步表明，目前所廣泛使用的阻垢性能評(píng)定方法(靜態(tài)阻垢法、鼓泡法、極限碳酸鹽硬度法、pH位移法和電導(dǎo)法)是片面的，在評(píng)價(jià)高硬水中阻垢劑的性能方面與實(shí)際相距較遠(yuǎn)。
3其他評(píng)定方法
  可用于評(píng)定阻垢劑性能的方法很多，如用掃描電子顯微鏡可觀察晶體的成核、生長(zhǎng)、聚集和吸附過程。用原子力顯微鏡研究有阻垢劑存在的碳酸鈣晶體的生長(zhǎng)，可以看出阻垢劑對(duì)生長(zhǎng)的抑制作用。用X一衍射法可以比較在不同阻垢劑存在的條件下垢樣的細(xì)碎程度、晶體的畸變程度及晶系的變化。用粒徑分布儀可研究在不同阻垢劑存在的條件下，成垢物質(zhì)的成核和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。但這些方法大多需借助專門的儀器，只能被研究機(jī)構(gòu)采納，很難在廣大用戶和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定中推廣。
  動(dòng)態(tài)模擬法是評(píng)定緩蝕阻垢劑性能的zui可靠方法，但由于其實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、物力財(cái)力人力消耗大，也不是一種多快好省的方法。我們實(shí)驗(yàn)室所采用的硬垢測(cè)定法是一種能夠同時(shí)測(cè)定阻垢劑的鰲合貢獻(xiàn)、分散貢獻(xiàn)和晶格畸變貢獻(xiàn)的方法，其基本步驟是:按鼓泡法進(jìn)行阻垢試驗(yàn)，鼓泡結(jié)束后用原液以lm/s的流速?zèng)_刷器壁上的垢樣2min，棄去，器壁上的殘留物被認(rèn)為是硬垢。用過量鹽酸洗滌器壁，將洗滌液稀釋至一定刻度，然后分析洗滌液中Ca2+濃度。Ca2+濃度越高，說(shuō)明硬垢量越多，阻垢劑的綜合阻垢性能就越差。這種方法所得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果一致。如果建立規(guī)范的操作步驟，可改善評(píng)定結(jié)果的重現(xiàn)性，是一種具有實(shí)用價(jià)值的阻垢性能評(píng)定方法。