光博工程师对防垢技术的完全解读

防垢技术完全解读：

冷、热水系统中，换热器、输送管道、泵阀等设备的结垢现象十分普遍，水垢会缩短设备使用寿命、加快金属腐蚀，导致维护费用增加，对设备的安全运行构成威胁，由此产生的经济损失巨大。因此解决系统的积垢问题具有重要意义。

一、水垢的形成

水垢是具有反常溶解度的难溶或微溶盐，易在器壁尤其是金属表面处析出沉积。其形成过程为：微细结晶在过饱和溶液中处于溶解-结晶的亚稳定状态，结晶在器壁聚集黏附并有序长大，结成水垢。水垢是否形成主要取决于盐类是否过饱和及其结晶的生长过程，与成垢离子、水质情况、器壁形态等密切相关。系统中的成垢离子越饱和、水的硬度越高，结垢倾向越严重;粗糙的金属表面和杂质对结晶过程也有催化作用，会促进水垢析出。

大部分水垢外观呈白色或灰白色，质硬且致密，以碳酸盐、硫酸盐、磷酸钙盐和硅酸盐的钙镁盐为主，其中典型的是碳酸钙垢，此外工业锅炉中还可能产生铁垢和铜垢等。

二、水垢防治办法

水垢的防治方法有阻垢和除垢2种，前者是抑制或消除结垢，后者是对系统中已经形成的垢进行清除。

防垢方法有化学法、物理法、生物法、化学/物理法，主要对化学法及物理法进行介绍。

1、化学方法

化学防治方法主要有石灰软化法、加碱沉淀法、碳化处理、加酸处理、离子交换软化法和投加阻垢剂法等，前4种方法比较传统，效果直接但耗费药剂量大，产生的废液需进行处理，应用成本较高，因此已逐渐淘汰。目前国内外较为先进的处理方法为离子交换软化法和投加阻垢剂法。

（1）离子交换软化法

离子交换软化法采用钠型阳离子交换树脂对硬水进行处理，水中的Ca2+、Mg2+等与Na+发生交换，并与树脂结合，该方法可除去水中的Ca2+、Mg2+结垢离子，达到阻垢目的。离子交换法可以起到深度软化水的效果，但是设备在使用过程中需重复再生。

（2）投加阻垢剂法

目前水处理系统中采用的阻垢剂主要为阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂。阻垢缓蚀剂有无机聚合磷酸盐、有机磷酸盐，循环水系统多采用有机多元磷酸。阻垢分散剂主要是中、低分子质量的水溶性聚合物，包括均聚物和共聚物2大类，均聚物有聚丙烯酸、聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸及其钠盐等;共聚物的品种较多，以丙烯酸系和马来酸系的二元或三元共聚物为主，还有磺酸类共聚物和含磷共聚物等。

2、物理方法

物理方法主要是利用电、磁、光、声等技术阻垢或除垢，典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金属材料换热面、膜法水处理、静电水处理、电子水处理、磁化处理和超声波处理等。其中物理清洗只能清除已生成的老垢，但其操作简单，适用于对控垢要求不高的场合;采用防腐阻垢涂料及非金属换热面可改变设备材料的表面性能，使成垢离子难以在接触设备上沉积，达到阻垢目的，但由于施工复杂，应用场合受到限制。目前采用的典型物理方法有膜分离法、磁化处理法、静电水处理法、电子水处理法、超声波水处理法等。

（1）膜分离法

该方法以膜作为分离介质，通过膜两侧的推动力(压力差、浓度差、电位差等)使水与微粒分离。膜法水处理主要有纳滤和反渗透。反渗透法一般应用在锅炉上，对硬度离子的去除率达到90%以上。纳滤膜(孔径1.0~3.0 nm)可使水中大部分单价离子透过，而二价离子和高价离子如Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe3+等基本不透过，其硬度去除率能达到90%以上。

使用膜法除垢的主要问题之一是膜污染。在膜工作过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子在膜面或膜孔内发生吸附、沉积，导致膜孔变小或堵塞，使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化，需进行重新清洗，处理成本增加。

（2）磁化处理法

磁化处理是利用磁场作用改变水质，影响成垢离子的溶解、结晶、聚合等过程，生成疏松的软垢，防止硬垢产生，并使已成硬垢的方解石转变成文石，随污排走。

磁化处理根据磁源位置的不同可分为内磁式和外磁式。其中外磁式在检修时不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路现象，具有更大的优越性。按磁场形成方式又可分为永磁式和电磁式。

（3）静电水处理

静电水处理器由高压直流电源和水静电化装置组成。采用静电水处理时将水通过高压静电场(3 400~6 000 V)，可改变水的分子结构或电子结构，使成垢离子不在器壁聚集，达到阻垢、溶垢的目的。高压静电场可使水生物的细胞壁发生破裂，因此其还具有较强的抑菌灭藻功能。静电水处理存在一个作用时间，超过作用时间以后成垢离子仍会发生沉积，且需定期清理静电水处理器过滤系统的垢渣。

（4）电子水处理

电子水处理与静电水处理有很多共同点，其设备核心是电子水处理器。阳极为不溶性金属电极，一般为钛修饰电极，阴极一般采用镀锌无缝钢管，电源为低压直流或具有某种特定波形的低压脉冲电源。待处理水从处理器下部进水口处进入，与金属阳极接触一段时间后，从上部出水口处流出。在接触过程中，低压电场可使粒子的水合程度和聚集状况发生变化，改变水分子的自身状态和缔合程度，一方面增加了水的溶解能力、减少水垢形成，另一方面促进已形成的水垢逐渐松散、剥落，达到除垢的效果。

（5）超声波水处理

超声波在介质中传播时，会使媒质中的粒子间发生相互作用；当超声波的机械能振动使粒子加速度达到固定值时，就会产生一系列物理和化学效应(高速微涡效应、剪切应力效应、超声凝聚效应)，从而起到防垢及除垢双重作用。刘天庆等采用超声-臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢，研究发现频率为20 kHz、振幅为20%的超声波可有效抑制生物垢的形成，还可移除90%以上的已形成生物垢。