阻垢剂的分类

背景及概述^[1-2]

我国对水处理阻垢剂的研究始于20世纪70年代，在近50年的发展过程中，阻垢剂的开发经历了无机盐缓蚀阻垢剂、有机磷酸类缓蚀阻垢剂、天然聚合物阻垢剂、聚丙烯酸类聚合物和共聚物阻垢剂等阶段。有机磷酸盐易水解，限制了其在高温、高碱和高硬度等水质条件下的使用，且本身易形成有机磷垢，磷化物易对环境造成污染；传统的天然聚合物药剂用量大、费用高；聚合类阻垢剂性质稳定，但生物降解性差。随着环保要求的日益提高，环境友好型水处理剂的需求日益增加。因此，研发高效、多功能、无毒和可生物降解的新型绿色环保型阻垢剂成为了今后研究的方向。

阻垢机理^[3]

1）螯合增溶作用：阻垢剂能与水中Ca2+、Mg2+等阳离子形成可溶性的螯合物，阻止与其成垢阴离子(如CO2-3、PO3-4和SiO2-3等)的接触，使得成垢的几率大大下降，提高了冷却水中Ca2+、Mg2+的允许浓度，相对来说就增大了钙、镁盐的溶解度。如：聚磷酸盐水溶液中产生(─P─O─P─O─P─)键，它能与Ca2+形成螯合物。

2）凝聚与分散作用：分散作用的结果是阻止成垢粒子间的相互接触和凝聚，从而可阻止垢的生长。成垢粒子可以是钙、镁离子，也可以是由千百个CaCO3和MgCO3分子组成的成垢颗粒，还可以是尘埃、泥沙或其他水不溶物。对于聚羧酸盐类聚合物阻垢剂，在水溶液中解离生成的阴离子在与CaCO3微晶碰撞时，会发生物理化学吸附现象，使微晶表面形成双电层。在吸附产物碰到其它聚羧酸盐离子时，会把已吸附的晶体转移过去，出现晶粒的均匀分散现象，从而阻碍晶粒间及晶粒与金属表面间的碰撞，减少溶液中的晶核数，进而将CaCO3稳定在水溶液中。

3）静电斥力作用：聚羧酸阻垢剂溶于水后，由于离子化产生迁移性反离子(H+、Na+)，脱离高分子键区向水中扩散，使分子链成为带负电荷的聚离子(─COOH)。分子链上带电功能基团相互排斥，使分子扩张，改变了分子表面的电荷密度分布，表面带正电性的无机盐(CaCO3或CaSO4)微晶体将被吸附在聚离子上，当一个聚离子分子吸附两个或多个微晶体时，可以使微晶体带上相同的电荷，使微粒间的静电斥力增加，从而阻碍微晶体间的相互碰撞而形成垢。

4）晶体畸变作用：无机盐(CaCO3或CaSO4)从水中析出形成垢的过程，结晶动力学观点认为，结垢的过程首先是产生晶核，形成少量的微晶粒，然后微晶粒在溶液中碰撞，且按一种特有的次序集合或排列，由微晶粒生长成大晶体而沉积。当有机磷酸或聚电解质加入水溶液中，由于它们对钙离子具有螯合能力，阻碍或干扰了无机盐微晶体正常生长，致使晶体不能按特有的次序排列，形成形状不规则的晶体，使晶体发生畸变。

以上几种机理表示出目前人们对阻垢作用的认识水平，由于它们都带有不同程度的推测，因而人们在对具体结垢问题的分析时，往往将阻垢作用归结为多种机理的复合作用，这反映当前人们对阻垢机理的认识还相当笼统。由于结垢本身就是一个复杂的过程，阻垢剂的介入，使该过程变得更加复杂，因此，这方面的研究还需要做大量的工作。

阻垢剂分类^[2]

阻垢剂是指具有能分散水中难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面的沉淀、结垢功能的一类水处理药剂。

1. 天然阻垢剂：

常用的天然阻垢剂有单宁、纤维素、淀粉、木质素和壳聚糖等简单加工的天然有机物。若对其进行进一步改性，则阻垢性能更好。天然绿色阻垢剂来源广，容易获得、廉价、易生物降解、无毒无害，对环境无污染。然而，该阻垢剂在水处理当中用量较大，在高温高压下易分解，阻垢性能不稳定，导致天然绿色阻垢剂的应用受到限制。

2. 共聚物类阻垢剂：

合成的聚合物类阻垢剂克服了天然聚合物的缺点。聚合物类阻垢剂经历了从均聚物到二元、三元和多元共聚物的发展历程。共聚物类阻垢剂具有品种多、合成方法技术成熟、毒性低等优点。根据共聚物所含官能团的不同，可以分为：聚羧酸类阻垢剂、膦基羧酸聚合物阻垢剂、含磺酸基团聚合物阻垢剂三大类。共聚物类阻垢剂对碳酸钙、磷酸钙以及氧化铁等表现出了优良的阻垢分散性能，还可以有效阻滞锌垢、铁垢、硅垢。共聚物阻垢剂的开发和应用是对无机垢控制的重大突破，使循环水化学处理技术向前迈了一大步，对推动我国水处理剂产业的可持续发展有着重大意义。

3. 新型绿色阻垢剂随着人们环保意识的增强，研发符合环保要求，具有高效、多功能、无毒和可生物降解的新型绿色环保型阻垢剂成为今后研究的方向。目前，国内外已开发出的绿色环保型阻垢剂主要有聚天冬氨酸、聚环氧琥珀酸、γ-聚谷氨酸。

1）聚天冬氨酸：聚天冬氨酸是一种氨基酸聚合物，天然存在于软体动物和蜗牛的壳中，相对分子质量分布很宽，从1000至数十万，具有无氮、无磷、可生物降解性能，是国际公认的环境友好型绿色化学品。

2）聚环氧琥珀酸：聚环氧琥珀酸作为一种绿色阻垢剂研究及应用始于20世纪90年代。聚环氧琥珀酸对水中Ca2＋、Mg2＋、Ba2＋等主要成垢金属离子有很好的络合能力，能有效地防止这些离子与CO32－、SO42－、PO43－等成垢阴离子结合生成水垢；聚环氧琥珀酸对沉积物有很好的抑制和消除作用，并且能有力地破坏沉积物的晶格顺序，使其疏松，进而被稳定地分散在水中。

3）γ－聚谷氨酸：γ－聚谷氨酸是自然界中微生物发酵产生的水溶性多聚氨基酸，其结构为谷氨酸单元通过α－氨基和γ－羧基形成肽键的高分子聚合物。γ－聚谷氨酸具有优良的生物相容性、可生物降解性、一定阻垢性和降解产物谷氨酸对环境无害的诸多优点，作为一种新型绿色阻垢剂，其在水处理上有很大的市场价值。

主要参考资料

[1] 简明精细化工大辞典

[2] 绿色阻垢剂的最新研究进展

[3] 我国阻垢剂的研究进展