锈垢净水处理剂的缓释机理与应用前景
摘要：探讨了CRG系列水处理剂的缓释机理和特性以及影响释放速率的主要因素，分析了其缓蚀、阻垢和抑制菌藻的原理以及便于维护管理的独特性能，介绍了其在循环冷却水、锅炉给水和生活饮用水处理等方面的应用前景。
关键词：水处理剂；CRG；控制释放
水处理工艺中常投加一定浓度的化学药剂以达到缓蚀、阻垢、杀菌、灭藻等目的，但管理上存在着水质监测工作量大、投药次数多、药剂量难以把握等问题，影响了处理效果。采用控制释放技术的CRG(Controlled-Release Glass)水处理剂，可以有效地解决这类问题，具有良好的应用前景。
1 控制释放技术与CRG
70年代人们发现，调整配方可以制备化学稳定性不同、溶解速率不同的CRG水处理剂，可在几小时到几年的时间内溶解完毕而不留残渣，并将掺在其中的活性物质以精确设计的速率释放出来。
控制释放技术是在预期的时间内，采取某些措施来控制某种活性物质在体系中的释放速率，以维持体系中该物质浓度在有效范围内的方法。与传统投加方法相比，它具有药物的释放速率可预测、可精确设计，药物的有效时间长、效果好、减少了药物的消耗量等优点。特别是对于半衰期较短的药物，能大大减小药物及其降解产物因浓度过高而引起的毒副作用。采用控制释放技术，则不必频繁投药和监测，减少了维护和管理的工作量。
1.1 CRG的缓释机理
CRG具有“可溶蚀整体”(erodible monolithic)型控制释放体系的特征，在这一简单、理想的系统中，活性物质与CRG组分以固溶体的形式“捆绑”成为一个均相整体，当其在环境介质中发生溶蚀时，活性物质得到“松绑”释放。通常活性物质在固溶体内部的扩散作用可以忽略不计，其释放的速率只受CRG表面溶蚀过程的速率控制。
1.2 影响CRG释放速率的因素
构成CRG中阴离子网络骨架的非金属氧化物的组成，对其化学稳定性有很大的影响。通常Si—O —Si键比P— O —P键或P— O —Si键稳定性好，因此硅酸盐CRG的溶蚀速率较低，释放的时间较长。在各类金属氧化物中，碱土金属氧化物的引入使不同的阴离子长链之间以非桥氧交联，从而使CRG的化学稳定性和机械强度都大大加强、溶蚀速率降低；三价金属氧化物的引入可使CRG的溶蚀速率更低。
溶解介质的性质对CRG的溶解速率有影响。含碱性氧化物较高的CRG溶解后使水溶液的pH值升高，与溶液中积累的CRG溶解产物一起，对CRG本身的表面溶蚀产生有促进作用的正反馈，这是硅酸盐溶解过程的特性之一。通常CRG的溶解速率在pH=7.0左右时最低，磷酸盐CRG的溶解速率随溶液pH值的降低而迅速增大，硅酸盐CRG的溶解速率随溶液pH值的升高而迅速增大。
温度对控制释放速率的影响可用Arrhenius定律来描述，通常温度每升高10℃，释放速度加快约1倍。
将CRG的表面溶蚀过程看作非均相反应，则CRG的释放量与CRG颗粒的表面积成正比，因此CRG的几何形状和尺寸变化导致表面积减少时，释放量将减小。为解决此类问题，可采用将CRG制成不同的几何形状或在其中增加孔道的方法加以解决，这样随着溶蚀过程的进行，颗粒表面积的减少可以得到补偿。
2 CRG水处理剂
2.1 缓蚀、阻垢、杀菌机理
一些CRG的主要成分硅酸盐或磷酸盐是良好的缓蚀剂，在水中释放出来的硅酸根或聚磷酸根离子能在金属的表面生成一层极薄的保护膜，阻挡溶解氧的扩散，抑制腐蚀的发生。极小浓度的聚磷酸根能与水中的Ca2+、Mg2+形成稳定的络合物，从而大大提高碳酸钙等难溶性盐类在水中的溶解度，增大了水中Ca2+、Mg2+的允许浓度，达到阻垢的目的。
含Ag2O、CuO或ZnO等成分的CRG溶解时，释放出极微量的金属离子，能迅速地被吸附在细菌机体中酶蛋白的巯基上，使其丧失活性，导致细菌死亡。在Ag+、Cu2+、Zn2+中，Ag+的杀菌活性最强，Cu2+杀灭藻类的性能最优。
2.2 药剂安全性
一方面，水处理剂的浓度太低，则达不到预期的缓蚀、阻垢或杀菌效果；另一方面，水处理剂浓度太高会造成浪费且其本身及降解产物可能具有一定的毒性，因而存在安全性问题，特别是对于与人类健康密切相关的生活饮用水，安全是第一位的。采用控制释放的CRG水处理剂，可将其浓度控制在预期的范围内，不会因浓度过高而造成安全性问题。
2.3 优点
① CRG水处理剂为固体状态，与通常用的液状水处理剂相比，可降低运输、搬运和贮存成本。
② CRG在水中缓慢溶解，在一定温度和水流的情况下，溶解过程可精确控制在一定时间内完成，实现较长的投药周期。
③ 固体状态的CRG性质稳定，贮存期间不会分解变质，其降解过程发生在溶解之后。
④ CRG水处理剂可由100%的活性成分组成，对人体和环境无害。溶解完毕后不会残留不溶物，不影响水质的感官指标。
3 CRG的应用
3.1 循环冷却水处理
工业循环冷却水系统中存在腐蚀、结垢和菌藻等问题，影响设备的使用寿命和系统的能耗。大型工业循环冷却水系统的水质稳定处理，通常采用连续投加水处理剂和严格控制浓缩倍数的方法进行，除药剂消耗外，更大的成本来自于日常监测和维护管理等工作。对于众多的中、小型如中央空调系统冷却水，由于缺少专业的水质处理，通常存在设备腐蚀、结垢严重和菌藻大量繁殖，维修、清洗和能耗各项费用大等问题，迫切需要既能达到化学处理效果，又便于操作和维护的“傻瓜”型缓蚀、阻垢水质稳定剂，因此采用控制释放技术的CRG水处理剂大有用武之地。
杨国华等［1］将缓蚀剂、阻垢剂和杀菌剂等水处理剂与赋形剂的固体粉末，混和均匀后压制成片剂，外表再涂以非水溶性的高分子薄膜制成的包衣水处理剂，具有缓慢释放的特点。药剂用完后空膜会浮于水面，可以达到自动加药和便于管理的目的。
浙江大学与浙江德安新技术发展有限公司联合研制的系列CRG水处理剂已批量生产。其中，商品名为“锈垢净”的产品具有缓蚀、阻垢和杀菌灭藻三种功能，适合中央空调冷却水系统的水质处理，具有广阔的应用前景。
3.2 锅炉给水处理
结垢和腐蚀是威胁低压锅炉安全运行的主要因素，刘振法等［2］以SiO2、聚磷酸盐为原料，研制成适合低压锅炉给水处理的缓溶型磷酸盐水处理剂。应用试验结果表明，该产品缓蚀阻垢效果非常明显，加药管理极为方便，且费用低廉。
3.3 生活冷热水处理
许多生活供水系统尤其是热水管网，常存在严重的腐蚀问题，导致“红水”现象的产生。一些地方水质硬度大，导致管路结垢甚至堵塞，需要进行缓蚀阻垢处理。德国Giulini公司生产的商品名为Siliphos的直径约为20mm的缓溶玻璃状小球，已在国内市场销售。Siliphos的主要成分是聚磷酸盐和硅酸盐，适合于生活饮用水管网的缓蚀阻垢。
英国Aqua-Dial公司生产一种家用的商品名为Combi-care Compact的阻垢器，是将小颗粒CRG水处理剂装在一只可更换的一次性密封药罐内，安装在自来水管道上，利用微弱的节流作用使极少量水经旁路流进药罐，将CRG溶解带出，与主管道中的自来水流混合稀释，达到按比例加药的目的。安装这种阻垢器可有效防止热水器铜管的结垢。
一定成分组成的CRG水处理剂，也可以用于饮用水的除氟，其效果和机理值得进一步研究。
3.4 CRG杀菌剂
以次氯酸盐为主要成分压制而成的氯锭已经商品化，可用于水系统的杀菌灭藻［3］，通常一只药锭的溶解时间为1～2d。在CRG原料中引入Ag+，Cu2+或Zn2+成分后可得到CRG杀菌剂，具有杀菌持久、稳定性好等特点［4］。有人将它与磷酸盐的缓蚀阻垢作用相配合，制成多功能水处理剂用于循环冷却水的处理，达到良好的杀菌灭藻效果。调整配方可使CRG中Ag+释放浓度＜0.05mg/L，可制成饮用水的缓蚀杀菌剂，投放在高层建筑的水箱中长期缓慢溶解，既可减轻管网的腐蚀，又可以控制水的二次污染；单纯的CRG杀菌剂对皮肤无刺激，可用于游泳池水的杀菌消毒。
4 结论
CRG水处理剂是一种简单理想的控制释放体系，其表面的溶蚀过程是药剂释放速率的控制步骤，其释放特性可通过成分来调节。在一定温度和介质等外部条件下，药剂的释放量只与CRG颗粒的表面积有关。
水处理剂的日常监测和维护管理比药剂本身的性能和质量更重要。采用控制释放技术的CRG水处理剂，既可改善水质处理的效果，又将分析监测、操作和管理等的工作量减到最低程度，在水处理领域有着广泛的用途，具有良好的应用前景。
参考文献：
［1］杨国华，徐国强，汪祖模.水处理片剂的研制［J］.化学世界，1989，(4)：174-176.
［2］刘振法，王育琳，籍宝霞.缓溶磷酸盐水处理剂的研制及在锅炉水处理中的应用［J］.工业水处理，1998，18(5)：11-12.
［3］金熙，项成林，齐冬子.工业水处理技术问答及常用数据(第二版)［M］.北京：化学工业出版社，1997.
［4］张文钲，张羽天.载银饮水杀菌技术的研究与开发［J］.化工新型材料，1999，27(12)：33-34.
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