无磷饮用水阻垢剂及其制备方法与流程

本发明涉及饮用水处理药剂，特别涉及一种无磷饮用水阻垢剂及其制备方法。

背景技术：

1、生活饮用水中的钙离子、镁离子及硅酸盐成分在加热、浓缩或者长期运行过程中容易形成碳酸钙垢、碳酸镁垢和硅酸盐复合垢，垢层附着于滤芯、水路管路或者换热部件后，可能造成出水流量下降、换热效率降低及设备能耗增加。现有饮用水阻垢剂及其制备工艺主要存在以下问题：

2、（1）部分阻垢剂依赖有机膦酸盐、无机磷酸盐或者聚合磷酸盐，使用后可能增加水体的磷负荷，不利于环境保护。

3、（2）单一阻垢成分难以同时兼顾碳酸钙垢、碳酸镁垢和硅酸盐复合垢，在高硬度水质或者加热工况下的适应性有待提高。

4、（3）多种原料之间的用量比例和相容性控制不当时，容易出现分散不均、团聚、分层或者沉淀，影响产品的均一性和储存稳定性。

5、（4）多组分原料一次性投料或者搅拌、熟化及过滤条件控制不当时，容易出现局部浓度过高、混合不充分或者微细颗粒残留，影响产品批次一致性。

6、因此，有必要提供一种不依赖含磷组分、能够适应多种常见垢型，并具有较好均一性和工艺稳定性的饮用水阻垢剂及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的至少一项不足，提供一种无磷饮用水阻垢剂。

2、本发明的目的在于针对现有技术的至少一项不足，提供一种制备无磷饮用水阻垢剂的方法。

3、本发明的目的在于针对现有技术的至少一项不足，提供一种无磷饮用水阻垢剂在抑制饮用水处理系统结垢中的应用。

4、本发明的第一目的是这样实现的：

5、一种无磷饮用水阻垢剂，按原料总投料质量计，由以下质量百分比的原料制备而成：聚天冬氨酸水溶液12%～18%、水解聚马来酸酐水溶液0.5%～5%、聚环氧琥珀酸水溶液55%～65%、柠檬酸钠8%～12%、羧甲基壳聚糖4%～8%、乙二胺四乙酸二钠2%～4%以及去离子水1%～9%，各原料的质量百分比之和为100%；所述聚天冬氨酸水溶液的固体含量为40%，所述水解聚马来酸酐水溶液的固体含量为50%，所述聚环氧琥珀酸水溶液的固体含量为40%。

6、针对现有饮用水阻垢剂依赖含磷组分、单一阻垢成分难以兼顾多种垢型以及原料投料基准不够明确的问题，本发明将聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液、聚环氧琥珀酸水溶液、柠檬酸钠、羧甲基壳聚糖、乙二胺四乙酸二钠和去离子水限定在相应质量百分比范围内，并明确三种水溶液的固体含量，使各原料的实际投加量清楚、配方容易重复实施；各原料分别发挥干扰垢晶生长、分散垢粒、络合钙离子和镁离子以及吸附防护作用，有利于在不添加有机膦酸盐、无机磷酸盐或者聚合磷酸盐的情况下，抑制碳酸钙垢、碳酸镁垢和硅酸盐复合垢的形成及沉积。

7、本发明的第一目的还可以采用以下技术措施解决：

8、进一步地，所述羧甲基壳聚糖的取代度为0.8。

9、针对羧甲基壳聚糖的原料规格差异可能影响其水中分散性和吸附性能的问题，本发明将羧甲基壳聚糖的取代度限定为0.8，有利于使羧甲基壳聚糖在阻垢剂中保持较好的分散状态，并充分发挥对设备接触水表面及微细垢粒的吸附作用，从而减少因羧甲基壳聚糖分散不均而引起的团聚或者沉淀，提高阻垢剂的均一性和原料批次之间的一致性。

10、进一步地，按原料总投料质量计，所述聚天冬氨酸水溶液为15%、所述水解聚马来酸酐水溶液为1.5%、所述聚环氧琥珀酸水溶液为60%、所述柠檬酸钠为10%、所述羧甲基壳聚糖为6%、所述乙二胺四乙酸二钠为3%、所述去离子水为4.5%。

11、针对多种阻垢原料用量不协调时容易出现络合作用、分散作用和吸附作用不匹配的问题，本发明采用聚天冬氨酸水溶液15%、水解聚马来酸酐水溶液1.5%、聚环氧琥珀酸水溶液60%、柠檬酸钠10%、羧甲基壳聚糖6%、乙二胺四乙酸二钠3%和去离子水4.5%的具体配比，使聚天冬氨酸水溶液和聚环氧琥珀酸水溶液对垢晶生长及垢粒分散的作用，与柠檬酸钠、乙二胺四乙酸二钠和羧甲基壳聚糖的络合及吸附作用相互配合，有利于兼顾阻垢性能、产品均一性和制备稳定性。

12、进一步地，按原料总投料质量计，所述聚天冬氨酸水溶液为12%、所述水解聚马来酸酐水溶液为1%、所述聚环氧琥珀酸水溶液为65%、所述柠檬酸钠为8%、所述羧甲基壳聚糖为4%、所述乙二胺四乙酸二钠为2%、所述去离子水为8%。

13、针对部分阻垢剂在含有镁离子和硅酸盐成分的水质中分散能力不足，并且粉体状原料容易出现溶解不充分的问题，本发明采用聚环氧琥珀酸水溶液65%和去离子水8%的具体配比，同时配合聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液、柠檬酸钠、羧甲基壳聚糖和乙二胺四乙酸二钠，有利于提高微细垢粒在水中的分散稳定性，并为粉体状原料的混合和溶解提供较为充足的连续水相，从而减少局部团聚、分层或者沉淀现象。

14、进一步地，按原料总投料质量计，所述聚天冬氨酸水溶液为18%、所述水解聚马来酸酐水溶液为2%、所述聚环氧琥珀酸水溶液为55%、所述柠檬酸钠为12%、所述羧甲基壳聚糖为8%、所述乙二胺四乙酸二钠为4%、所述去离子水为1%。

15、针对较高硬度水质中钙离子和镁离子含量较高、垢质容易在设备表面沉积的问题，本发明采用聚天冬氨酸水溶液18%、柠檬酸钠12%、羧甲基壳聚糖8%和乙二胺四乙酸二钠4%的具体配比，有利于加强对钙离子和镁离子的络合作用以及对垢粒和设备接触水表面的吸附作用；虽然另行加入的去离子水为1%，但聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液和聚环氧琥珀酸水溶液所含的水仍能够形成连续水相，因而有利于保证配制过程的可操作性，并适应结垢倾向较高的饮用水处理工况。

16、本发明的第二目的是这样实现的：

17、一种制备所述的无磷饮用水阻垢剂的方法，包括以下步骤：

18、s1、在15℃～30℃下，向密闭搅拌反应釜中加入去离子水、聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液和聚环氧琥珀酸水溶液，以20r/min～40r/min搅拌12min～18min，得到高分子基础液；

19、s2、向所述高分子基础液中依次加入乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸钠，搅拌15min～30min，直至无肉眼可见的固体颗粒，得到含盐高分子混合液；

20、s3、向所述含盐高分子混合液中逐步加入羧甲基壳聚糖，搅拌20min～40min，直至形成均一的混合液；

21、s4、将所述混合液升温至35℃～45℃，恒温熟化20min～40min，得到熟化液；

22、s5、将所述熟化液冷却至15℃～30℃，采用孔径为0.1μm～0.45μm的微孔滤芯进行过滤，收集滤液，得到所述无磷饮用水阻垢剂。

23、针对多组分原料一次性投加容易造成局部浓度过高、混合不充分以及羧甲基壳聚糖团聚的问题，本发明先将去离子水、聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液和聚环氧琥珀酸水溶液混合形成高分子基础液，再依次加入乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸钠和羧甲基壳聚糖，并进行恒温熟化、冷却和微孔过滤，使粉体状原料能够在连续水相中逐步分散和溶解，从而提高各原料混合的均匀程度，减少未溶颗粒和微细杂质残留，提高制备过程的稳定性及成品质量的一致性。

24、本发明的第二目的还可以采用以下技术措施解决：

25、进一步地，在步骤s1之前还包括原料预处理步骤，使柠檬酸钠、羧甲基壳聚糖和乙二胺四乙酸二钠分别通过60目筛，以去除结块和机械杂质。

26、针对粉体状原料在储存过程中容易结块或者混入机械杂质，进而影响投料均匀性和后续过滤的问题，本发明在混合前使柠檬酸钠、羧甲基壳聚糖和乙二胺四乙酸二钠分别通过60目筛，能够去除较大的结块和机械杂质，使粉体状原料更加均匀地加入相应混合液中，从而减少局部团聚、搅拌不充分以及微孔滤芯堵塞的可能性，提高制备过程的顺畅性。

27、进一步地，步骤s1中的搅拌时间为15min，步骤s2中的搅拌时间为25min，步骤s3中的搅拌时间为30min。

28、针对各阶段搅拌时间不明确容易造成原料混合程度不一致、不同批次产品质量波动的问题，本发明将步骤s1、步骤s2和步骤s3的搅拌时间分别限定为15min、25min和30min，使三种水溶液能够充分形成高分子基础液，使乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸钠具有足够的分散及溶解时间，并使羧甲基壳聚糖均匀分布于含盐高分子混合液中，从而便于对制备过程进行标准化控制，提高不同批次产品的均一性。

29、进一步地，步骤s4中的熟化温度为40℃、熟化时间为30min，步骤s5中所述微孔滤芯的孔径为0.22μm。

30、针对熟化条件控制不当容易影响各原料之间的相容性，以及成品中残留微细颗粒可能影响使用稳定性的问题，本发明在40℃下恒温熟化30min，使各原料在较为温和的条件下进一步均匀混合，再采用孔径为0.22μm的微孔滤芯对冷却后的熟化液进行过滤，能够去除微细未溶颗粒和机械杂质，从而提高所得无磷饮用水阻垢剂的均一性、过滤精度和产品质量稳定性。

31、本发明的第三目的是这样实现的：

32、一种无磷饮用水阻垢剂在抑制饮用水处理系统结垢中的应用，所述无磷饮用水阻垢剂按成品质量计的投加量为3mg/l～5mg/l；所述饮用水处理系统为家用净水器、自来水管路、饮用水热水器、即热式净水机或者商用开水设备中的任一种，所述结垢为碳酸钙垢、碳酸镁垢和硅酸盐复合垢中的至少一种。

33、针对现有阻垢剂在饮用水处理系统中的投加范围和适用对象不明确，容易出现投加不足或者投加过量的问题，本发明将无磷饮用水阻垢剂按成品质量计的投加量限定为3mg/l～5mg/l，并明确其适用于家用净水器、自来水管路、饮用水热水器、即热式净水机和商用开水设备，有利于根据饮用水处理系统的进水量进行计量投加，使阻垢剂在易结垢部件的上游与待处理水充分混合，从而抑制碳酸钙垢、碳酸镁垢和硅酸盐复合垢在滤芯、水路管路或者换热部件表面的形成及沉积。

34、本发明具有以下有益效果：

35、（1）本发明的配方不添加有机膦酸盐、无机磷酸盐或者聚合磷酸盐，通过聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液、聚环氧琥珀酸水溶液、柠檬酸钠、羧甲基壳聚糖和乙二胺四乙酸二钠之间的配合发挥阻垢作用，可减少饮用水处理对含磷阻垢组分的依赖。

36、（2）本发明的聚天冬氨酸水溶液、水解聚马来酸酐水溶液和聚环氧琥珀酸水溶液能够配合干扰垢晶生长并分散微细垢粒，柠檬酸钠和乙二胺四乙酸二钠能够络合钙离子和镁离子，羧甲基壳聚糖能够发挥吸附和分散作用，因而有利于同时抑制碳酸钙垢、碳酸镁垢和硅酸盐复合垢的形成与沉积。

37、（3）本发明通过限定三种聚合物水溶液的固体含量、各原料的质量百分比以及羧甲基壳聚糖的取代度，能够明确原料投料基准，并使各原料的络合、分散和吸附作用相互配合，从而提高阻垢剂的均一性。

38、（4）本发明先利用三种聚合物水溶液和另行加入的去离子水形成连续水相，再加入盐类原料和羧甲基壳聚糖，并对搅拌、熟化和过滤条件进行限定，有利于避免仅以少量去离子水溶解全部粉体状原料所造成的溶解困难，提高制备过程的可操作性及不同批次产品的一致性。