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、簡便、客觀的阻垢劑性能評定方法是廣大水處理工作者的任務(wù)之一。目前我國實(shí)驗(yàn)室常用的評定方法主要有靜態(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定時間長、操作煩瑣、重現(xiàn)性不理想等缺點(diǎn)，為此，在綜合評價、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6-24h縮減到2-10min)、操作簡單(只需1臺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。雖然量熱法可同時反映晶體成核和生長過程的貢獻(xiàn)，但受溫度測量精度(采用貝克曼溫度計(jì)，測溫精度為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、簡便的實(shí)驗(yàn)室評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。
從作用機(jī)理上來講，阻垢劑的作用可分為鰲合、分散和晶格畸變?nèi)糠帧Ｇ以趯?shí)驗(yàn)室評定試驗(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.螯合作用
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或兩個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螯合作用。鰲合作用的結(jié)果是使得成垢陽離子(如ca2 ，Mg2 等)與螯合劑作用生成穩(wěn)定的螯合物，從而阻止其與成垢陰離子(如 CO32-，SO42-，PO43-，和SiO32-等)的接觸，使得成垢的幾率大大下降。螯合作用是按化學(xué)計(jì)量進(jìn)行的，如1個EDTA分子鰲合1個二價金屬離子。
螯合劑的鰲合能力可用鈣螯合值來表示。通常商品水處理劑的螯合能力(以下各藥劑活性組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%，螯合能力以CaCO3計(jì)):氨基三亞甲基膦酸(ATMP)—300 mg/g;二乙烯三氨五亞甲基膦酸(DTPMP)—450 mg/g;乙二胺四乙酸(EDTA)—150mg/g;羥基亞乙基二膦酸(HEDP)—450mg/g。折合算來，1 mg螯合劑只能螯合不足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，所需的螯合劑為l000m/L，這種投加量在經(jīng)濟(jì)上是無法承受的。由此可見，阻垢劑螯合作用的貢獻(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螯合作用。
2.分散作用
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。 成垢粒子可以是鈣、鎂離子，也可以是由千百個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分子質(zhì)量(或聚合度)的聚合物，分散性能的高低與相對分子質(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(此時的作用與絮凝劑相近)。與螯合作用相比，分散作用是高效的。實(shí)驗(yàn)表明，1 mg分散劑可使10-100 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。
3.晶格畸變作用
當(dāng)系統(tǒng)的硬度、堿度較高，所投入的鰲合劑、分散劑不足以完全阻止它們析出的時候，它們就不可避免地析出。如果沒有分散劑的存在，垢的生長將服從晶體生長的一般規(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。
2.1鰲合能力與部分分散能力的測定
在阻垢劑評定試驗(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評價阻垢劑阻垢性能的優(yōu)劣。屬于這種評定方法的有靜態(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(如[CaOH」 ，[CaCI」 ，[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數(shù)越來越多，粒徑也越來越大，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、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，用此時的測定結(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、阻垢劑濃度相對較低時，沉積在底部的CaCO3淤泥狀垢已成了溶液中總鈣的大部，此時仍用上層清液或?yàn)V液中的鈣離子含量來表示阻垢劑的阻垢能力則就不正確了。
2.2鰲合能力的測定
pH位移法和電導(dǎo)法是測定溶液因Ca2 與CO32-的結(jié)合而引起的溶液pH和電導(dǎo)變化的測定方法〔6-8〕。由于CaCO3晶體的生長(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，表明這兩類方法的測定內(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定方法中，相對于鰲合能力，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，因此這些方法在評價中、低硬度水中阻垢劑的阻垢性能是適用的，但對于高硬水質(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)典方法評價得到阻垢率為20%-35%的結(jié)論，動態(tài)模擬法得到阻垢率>90%的結(jié)論，現(xiàn)場使用于補(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，在評價高硬水中阻垢劑的性能方面與實(shí)際相距較遠(yuǎn)。
可用于評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、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，可以看出阻垢劑對生長的抑制作用。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)的成核和生長動力學(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)場評定中推廣。
動態(tài)模擬法是評定緩蝕阻垢劑性能的最可靠方法，但由于其實(shí)驗(yàn)時間長、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)室所采用的硬垢測定法是一種能夠同時測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的流速沖刷器壁上的垢樣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)場實(shí)踐效果一致。如果建立規(guī)范的操作步驟，可改善評定結(jié)果的重現(xiàn)性，是一種具有實(shí)用價值的阻垢性能評定方法。
對殺菌劑優(yōu)氯凈、1427、有機(jī)溴、活性溴和ClO2與有機(jī)磷PBTCA，ATMP，HEDP，EDTMPS和HPA的相容性在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化型殺菌劑對有機(jī)磷有分解作用，其影響順序?yàn)閮?yōu)氯凈>有機(jī)溴>ClO2>活性溴．亞甲基型有機(jī)磷藥劑幾乎不抗優(yōu)氯凈的分解，分解率達(dá)80％左右；非氧化型殺菌劑1427對PBTCA和HPA有一定的分解率．對其他有機(jī)磷影響不大。氧化型殺菌劑能使有機(jī)磷的緩蝕性能增加，但降低有機(jī)磷除PBTCA外的阻垢效果：非氧化型殺菌劑1427對有機(jī)磷的緩蝕和阻垢效果幾乎無影響。
