表面活性劑在火力發(fā)電廠的應用thchem.doc

表面活性劑在火力發(fā)電廠的應用文摘表面活性劑由于具有不對稱“兩親分子”的獨特結構，可在界面形成定向排列，并在溶液中形成膠團，因而可以改變溶液的許多性質，起到改進生產工藝、增加產品品種、提高產品質量、節(jié)能、降低成本、提高勞動生產率的關鍵作用，在電力行業(yè)中也獲得了廣泛應用。為此以例說明，詳細分析表面活性劑在火電廠熱力設備清洗、給水處理、廢水處理、循環(huán)冷卻水處理及熱力設備防腐蝕等方面的作用機理及應用。 關鍵詞表面活性劑火電廠應用 表面活性劑工業(yè)是 20 世紀 30 年代發(fā)展起來的一門新興精細化學工業(yè)。由于表面活性劑有其獨特的分子結構，屬不對稱的“兩親分子”，一端是極性基，即親水基，能溶于水；另一端是非極性的憎水基(或稱親油基)，有疏遠水的傾向，因此表面活性劑可在界面形成定向排列，加入少量即可以顯著降低水的表面張力。在溶液中可以自相締合、聚集、形成分子集合體膠團。形成表面活性劑膠團溶液的最低濃度稱為表面活性劑的臨界膠團濃度。在臨界膠團濃度附近，溶液的許多性質，如表面張力、電導率、去污力、滲透性、增溶性等都會發(fā)生突變，正是由于表面活性劑的這些特性，使得它具有潤濕、吸附、滲透、乳化、破乳、分散、凝聚、發(fā)泡、消泡、增溶、去污、抗靜電、殺菌、防水、防腐蝕等作用。除了大量用于合成洗滌劑和化妝品工業(yè)外，正被廣泛用于紡織、印染、塑料、橡膠、制革、造紙、制藥、石油、金屬加工、采礦、選礦、建筑、電子等工業(yè)及水處理技術等許多領域。它雖用量少，但可以起到改進生產工藝，增加產品品種，節(jié)約能源，提高產品質量，降低生產成本，提高勞動生產率等關鍵作用，享有“工業(yè)味精”之稱。下面重點討論表面活性劑在火力發(fā)電廠給水預處理、循環(huán)冷卻水處理、金屬表面清洗、熱能動力設備防腐蝕中的應用及其作用機理。 1在電廠水處理中的應用 1.1作電廠給水預處理及廢水處理的混凝劑 電廠給水預處理及廢水處理中常采用混凝沉淀處理。水的混凝沉淀處理從能量觀點看實際上是將能量較高的不穩(wěn)定膠體分散系統(tǒng)轉變成能量較低的穩(wěn)定系統(tǒng)，要實現(xiàn)此過程可采用多種方法，但目前電廠較普遍采用的方法是加入混凝劑?；炷齽┑淖饔檬菍⒎稚⒂谒械哪z體及懸浮顆?；炷奢^大較重的聚集體沉淀下來，以便從水中分離，達到水質凈化的目的。 目前電廠使用的混凝劑主要采用硫酸亞鐵、硫酸鋁、聚鐵或聚鋁等廉價無機電解質及高分子有機聚合電解質。高分子有機聚合電解質絕大多數(shù)是表面活性物質，其分子結構由長碳鏈的憎水劑及極性基所組成。其混凝效果一般比無機混凝劑好得多。表面活性劑的混凝作用是通過控制一定的用量，根據(jù)其不同作用機理來實現(xiàn)的。其混凝機理可從以下兩方面來認識。 (1) 降低了水中雜質膠體粒子的電勢 所謂電勢是指固相(帶電膠粒)與液相(帶有與膠粒相反電荷的擴散層，簡稱反離子)作相對運動時所具有的電勢，這個電勢的大小隨擴散層有效厚度的增加而增大，而擴散層有效厚度隨濃度增加而減小。電勢的存在是水中膠體能相對穩(wěn)定存在的主要原因。因此要使水中膠體發(fā)生聚沉，主要是降低或中和電勢。所加入的表面活性劑在水中應帶有與擴散層相同符號的電荷，即增加擴散層反離子的濃度，壓縮擴散層，使擴散層有效厚度變薄，降低電勢。同時由于表面活性劑分子的結構特點極性基緊靠膠粒表面，憎水劑指向水中，使得膠體表面與水的潤濕性變差，疏水作用增強，有利于固體微粒之間的凝聚。 (2) 對水中雜質膠體起到架橋凝聚作用 起凝聚作用的表面活性劑分子中的憎水劑，常由CC單鍵構成，在通常情況下可以自由旋轉，在水中以卷曲形式存在，分散于水中的膠體微粒容易附著到長碳鏈憎水基上，而長碳鏈分子又是互相緊靠在一起的，這樣形成了一種類似過濾網(wǎng)的結構，當吸附的固相粒子達到一定數(shù)量時就開始下沉，在下沉過程中把水中的污泥雜質全都清除下來，這就是所謂的“架橋”或“席卷”機理。表面活性劑的混凝效果與表面活性劑的種類、用量及水體的污染程度、pH值等因素有關。在其它條件均不變的情況下，表面活性劑的用量對混凝效果影響至關重要，水中固體微粒的分散和凝聚這是一對矛盾，對于表面活性劑，由于其分子結構的特點使其既具有分散作用又具有凝聚作用，一般來說其水體中固體粒子密度較大時，加入少量表面活性劑則可起到凝聚作用，超過一定量，則不但不能凝聚，反而起到分散作用。其原因就是前面所提到的表面活性劑的凝聚作用，主要是降低原水膠體的電勢，但表面活性劑濃度較大時，膠粒表面除了能吸附第一層表面活性劑分子外，還可吸附第二層表面活性劑分子，這個吸附力靠其憎水基與憎水基之間的引力作用。因此第二層中表面活性劑的極性基指向水(第一層中是指向膠粒的)，這樣使得電勢重新升高且方向與原來膠粒的電勢相反，膠粒又均勻分散。在混凝過程中由于混凝劑量控制不當，而出現(xiàn)的絮狀物向上翻滾的現(xiàn)象就是出于此因。 1.2作循環(huán)冷卻水的分散阻垢劑 循環(huán)冷卻水若不處理，那么冷卻水系統(tǒng)的設備、管道就會發(fā)生腐蝕或結垢。微生物就會在金屬表面迅速繁殖，因此在循環(huán)冷卻水中常使用由各種藥劑組成的復合配方，以達到阻垢、緩蝕、污泥分散及殺菌之目的。復合配方中許多都是表面活性劑，以下是幾種作阻垢劑使用的表面活性劑。 1.2.1陰離子型表面活性劑 這種活性劑如聚丙烯酸(或鈉鹽)，丙烯酸丙烯酸羥丙酯，馬來酸苯乙烯碳酸共聚物，丙烯酸丙烯膦酸共聚物。據(jù)余克陽等報導，丙烯酸丙烯酸羥丙酯共聚物對抑制磷酸鹽垢或鐵銅垢具有獨特效能，還兼具緩蝕作用。這種阻垢劑還具有熱穩(wěn)定性好，適用pH值范圍廣的特點，當溫度高達445?時失重僅為2.24%，因此可用于電廠高壓鍋爐中。 1.2.2陽離子表面活性劑 例如聚馬來酸(或鈉鹽)，聚馬來酸乙醇胺加成物，季銨鹽類等。據(jù)報導濃度為 0.9 mgL的聚馬來酸乙醇胺加成物，對碳酸鈣阻垢率可達 97%；濃度為5 mgL時，阻垢率可達 100%。馬來酸亞氨二乙酸加成物不僅對硫酸鈣、碳酸鈣等有良好阻垢效果，而且對低碳鋼有優(yōu)異的緩蝕性能。季胺鹽除對污垢有很好的分散阻垢作用外，同時是優(yōu)良的殺生劑。 1.2.3非離子型表面活性劑 如聚丙烯酰胺及部分水解聚丙烯月先胺等。這三類表面活性劑中用得最多的是陰離子表面活性劑，它們作為阻垢劑的機理可從下面兩方面來理解。 (1) 分散作用：在循環(huán)冷卻水中，成垢物質碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣等的溶解度均較低，且隨溫度的上升而下降，而熱交換設備的管壁溫度均高于水溶液的內部溫度。當循環(huán)水中成垢物質的濃度達一定的過飽和度時，就會析出微晶，這些微晶互相碰撞按自身的結晶規(guī)律不斷成長，在金屬管壁附近流動的水由于溫度相對較高，有成垢物質濃縮現(xiàn)象，因此，相對于水內部晶核生長較快且在傳熱面上滯留成垢。當水中加入陰離子表面活性劑時，表面活性劑分子在微晶表面形成單分子吸附，憎水基朝向微晶，親水基指向水中(即相當于把微晶機械隔離不能互相碰撞)，阻止了垢的形成，起分散作用。若加入聚合陰離子表面活性劑，一些學者認為表面活性劑分子先將微晶吸附于自己的碳直鏈上(即先聚集)，使其微晶表面具有與表面活性劑相同電荷，由于靜電斥力作用，阻止它們與金屬傳熱面的碰撞及相互碰撞而避免成垢。在表面活性劑直鏈上被吸附的微晶，碰到未被吸附的表面活性劑分子時要部分發(fā)生解吸，或發(fā)生濃差擴散，到未被微晶吸附的表面活性劑分子上，使得微晶均勻分布于表面活性劑長碳鏈憎水基上，這就是所謂的先凝聚后分散的機理。相當于表面活性劑分子將要成垢的微晶有效地束縛起來，減少了成垢微晶的數(shù)量及微晶成長的速率。使水中可容納更多的微晶(即不會自水中析出)，相當于提高了它們的分散度。 (2) 晶格畸變作用：作阻垢劑使用的一些陰離子表面活性劑，其極性基團在水中電離出氫離子(或鈉離子)后對水中的鈣、鎂、鐵、銅等離子有強烈的螯合作用，形成可溶于水的穩(wěn)定螯合物。同時，還能與水中的成垢物微晶上的金屬離子螯合。下面以碳酸鈣微晶的形成、成長為例來說明，由于晶體表面各部分的能量大小不等，把能量最低的晶格位置稱為晶格扭曲位置，那么陰離子表面活性劑分子首先在微晶表面與扭曲位置上的鈣離子發(fā)生螯合，形成螯合物，且占據(jù)了碳酸鈣晶體生長的晶格位置。這樣碳酸鈣晶體就不能按無螯合物的正常規(guī)律生長。晶體要繼續(xù)長大，螯合物就被鑲嵌在繼續(xù)生長的晶體中，這種含螯合物的晶體的性質是不穩(wěn)定的，使晶體中存在彈性應力。當環(huán)境條件(如溫度)變化時，晶體在彈性應力作用下很容易破碎，形成外形不規(guī)則的碎晶片，這就是晶格畸變引起的。電子顯微鏡拍攝的照片清楚地說明這一點，正常的碳酸鈣電子顯微鏡晶格照片，晶體正規(guī)排列，棱角線條清楚，而嵌入螯合物的晶格照片已經(jīng)看不清有晶體存在，棱角線條模糊不清。這種發(fā)生畸變的晶體若沉結在熱交換器金屬表面上，當達到一定厚度時，就會在熱應力作用下自動破碎、剝離、脫落，如果在熱交換器金屬表面上已形成垢沉積，由于表面活性劑分子與垢層中的金屬離子螯合，生成螯合物而松動老垢，使老垢慢慢脫落，溶解于水中。這種螯合型表面活性劑不但有阻垢作用，還有溶垢作用，常用的有ATMP、PAA、EDTA、HEDP等。 2在電廠熱力設備清洗中的應用 火力發(fā)電廠中的熱力設備如鍋爐、汽機、冷卻管道、省煤器等絕大多數(shù)都是金屬制品，這些設備在制造、運輸、安裝過程中往往沾污、生銹，在使用之前必須清洗。熱力設備長期運行中生成的水垢成分十分復雜，與原水水質、水處理方式及所用藥劑有關。在低壓鍋爐，給水管道、沖灰管、熱交換器、省煤器中常形成以碳酸鹽垢為主的水垢(某些地區(qū)生成硫酸垢)；在磷化處理的鍋爐汽包壁上、給水分布槽、給水擋板、下降管道、底部聯(lián)箱中常形成以磷酸鹽垢為主的水垢；在高壓鍋爐水冷壁管、汽包兩端的死角及過熱蒸汽管內常生成銅鐵鹽垢，在鍋爐熱負荷高的部分常生成以鐵垢為主的，含少量銅硅的垢。垢的形成嚴重影響傳熱效率，對電廠經(jīng)濟效益及安全生產帶來嚴重影響。因此，熱力設備必須定期清洗，清洗液配方應根據(jù)不同的污垢成分及不同的金屬材料來確定。附著在金屬表面上的各種油脂可以用油劑清洗劑清洗。堿性清洗劑主要是氫氧化鈉、碳酸納、硅酸鈉或磷酸鈉等，它們的清洗能力較低，通常用于清洗金屬表面輕度油污和無機物等污垢。鑒于上述清洗劑這樣或那樣的不足，國內外大力開發(fā)使用加入表面活性劑的水基清洗劑。水基清洗劑的清洗作用是借助于表面活性劑的潤濕、滲透、乳化、分散、增溶等性質實現(xiàn)的。 直鏈烷基苯磺酸鈉，烷基磺酸鈉，烷基硫酸鈉等陰離子表面活性劑的烷基中的碳原子數(shù)目一般為 812 個時對污垢的潤濕、乳化、分散、增溶等作用效果最好，因而只要加入少量于清洗液中即可強化去污垢的目的。對螯合型有機多元膦酸鹽表面活性劑，由于它本身是一種很強的有機酸，只要加入 1%5% 的量其除垢的效果幾乎與稀鹽酸相近。例如，乙二胺四甲叉膦酸(EDTMP)、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、羥基乙叉二膦酸(HEDPA)、乙一膦酸基1，2，4羥基丁烷(PBTCA)，這些表面活性劑在水溶液中可電離出多個氫離子(或金屬離子)，具有表面活性的陰離子能提供配位電子與金屬形成配位鍵，生成環(huán)狀化合物(即螯合物)，能提供配位電子的物質稱為螯合劑，它們在不同pH值條件下可以與多個金屬離子形成各種螯合物。這些螯合物在通常情況下是可溶性物質。因此此類表面活性劑在熱力設備的清洗中應用最為廣泛。 下面介紹幾個實用配方： (1) 硅垢去除劑：聚丙烯酸，羥基醋酸，十二烷基苯磺酸鈉(或聚氧乙烯壬烷基醚、或聚氧乙烯壬基醚)及水。此配方用于鍋爐、冷凝器，熱交換器，冷卻塔以及一些配水管中硅垢的清除，清洗時間及藥劑用量視結垢程度而定，使用時可加入少量的酸性緩蝕劑及消泡劑聚乙二醇。 (2) 鍋爐除垢劑：PBTCA(或EDTA、HEDP、EDTMP)(1%5%)，酸性緩蝕劑 0.3%，其余為水。此配方使用方便安全，適用于不銹鋼，可以在線清洗，在 40?以上清洗效果更好。 (3) 水處理設備除銹劑：六偏磷酸鈉(3 gL)，EDTMP(0.6%0.8%)，滲透劑T(0.03 gL)，異丙醇(0.12 gL)，乙醇(0.008 gL)及水。該除銹劑可用于整個系統(tǒng)的一次性清洗除銹，pH值 56，清洗時間視銹垢厚度而定，滲透劑T(化學名為磺化琥珀酸二乙乙基已酯鈉)固含量為 30%。 在具體使用這些配方時，應根據(jù)清洗對象先對垢層進行化學分析，然后選擇配方，計算藥劑用量，在實驗室進行小型試驗的基礎上對配方進行適當調整，再用于現(xiàn)場。 3在熱力設備緩蝕防腐中的應用 為防止或減輕熱力設備的腐蝕，研制了許多種緩蝕劑，其中，有一類緩蝕劑具有表面活性，這類緩蝕劑與金屬表面接觸時其極性基對金屬表面有較大的親和力，能顯著地降低金屬的表面能，從而牢固地吸附在金屬表面上，而非極性劑對水的親和力很低，這樣就形成了一層排斥水的隔離層，把金屬與水隔開，起到保護金屬的作用。螯合型長碳鏈表面活性劑是一類新型緩蝕劑，它的極性基含有電負性很大的O、N、S、P等元素。它與金屬表面的強烈螯合能力增加了它對金屬表面的吸附作用；它的長碳鏈憎水基提供了金屬