[发明专利]在脱盐系统中抑制污垢形成和沉积的方法

说明书

技术领域

本发明涉及在脱盐过程中防止污垢形成和沉积的方法。更加具体地说，本发明涉及在脱盐过程中使用包含寡聚膦基琥珀酸的污垢抑制组合物(scale-inhibiting composition)来生产饮用水、工业用水和农业用水的方法。本发明与在热脱盐过程和膜脱盐过程中使用包含膦基琥珀酸寡聚物或寡聚膦基琥珀酸加合物的组合物以从盐水源生产可饮用水特别相关。 

背景 

脱盐(desalting)、脱盐(desalination)或脱盐(desalinization)指从水中除去盐的水处理过程。这些水处理过程通常用于从海水或微咸水生产可饮用水或饮用水。商业上可利用的脱盐过程可分为主要过程和次要过程两类。主要过程包括温度驱动的(temperature-driven)过程或热过程以及压力驱动的过程或膜过程。热过程包括多级闪急蒸馏、多效蒸馏和蒸汽压缩。膜过程包括电渗析和反渗透。次要过程包括冻结、膜蒸馏和太阳能热增湿(solar humidification)。 

污垢形成和沉积是用于脱盐过程的设备的主要问题。当溶解矿物质的浓度超过其溶解限度并且该矿物质沉淀时，污垢形成。例如，热脱盐过程的温度、pH、水的组成和停留时间决定可能形成的污垢类型，并因此决定污垢控制需求。较低温度(例如从约80℃至约85℃)下，通常形成碳酸钙(CaCO₃)污垢。约90℃至约95℃的温度下一般产生Mg(OH)₂污垢。通常，当海水或盐水接近约115℃或更高时，硫酸钙(CaSO₄)是污垢形成的主要促成因素。CaSO₄物质形成了覆盖存在的任何管或表面的硬污垢。污垢产生热和机械问题，并且有时很难除去，特别是对CaSO₄污垢而言。膜过程通 常具有废弃流(reject stream)中的污垢形成问题。 

防止污垢形成的已知方法包括控制热脱盐过程中的海水浓度水平和温度。多级闪急蒸馏设备通常在90℃至110℃的温度下运行，并且在较高温度下运行该过程增加效率，同时伴随污垢形成可能性的增加和金属表面的加速腐蚀。在热过程和膜过程中，还使用化学污垢抑制剂。商业上可获得的实例包括来自BWA Water Additives的 和 以及来自BASF-The Chemical Company的 PM10和PM15。 

反渗透的最终用户经常使用化学预处理，诸如添加聚合污垢抑制剂/分散剂以抑制不希望的矿物质结垢。在一些情况下，使用无机抑制剂，诸如六偏磷酸钠(SHMP)。例如，美国专利第4,563,284号公开了一种通过加入膦酰基羧酸和含有膦酸盐和聚丙烯酸盐(polyacrylate)的特征的调聚膦基羧酸来抑制形成污垢的盐的形成和沉积的方法。美国专利第4,762,621号公开了一种污垢抑制剂，其包含丙烯酸与衣康酸的低级烷基酯的共聚物。美国专利第4,784,774号公开了一种污垢抑制剂，其包含马来酸的均聚物或含有3个至5个碳原子的单不饱和的一元羧酸或二羧酸或其盐与膦酰基链烷羧酸的共聚物。 

因此，在海水蒸馏设备和反渗透系统中的主要操作问题是矿物质污垢的形成，其减少传热，堵塞了管路，并最终降低设备的额定容量和增加成本。由于工业认识到对新的污垢抑制剂的需求，因此存在着对开发使用污垢抑制剂的改善方法的需求。 

概述 

因此，公开了一种在脱盐系统中抑制污垢形成的方法。该方法包括通过将有效量的含有寡聚膦基琥珀酸的污垢抑制组合物加入到盐水源来抑制脱盐过程中污垢的形成和沉积。在一个实施方案中，该方法包括通过加入有效量的所述组合物以在脱盐过程中抑制腐蚀。在一个实施方案中，该污垢抑制组合物包括具有式[R_X-(POOM)-R1_Y]的膦基琥珀酸寡聚物。R和R1独立地是H、[CH(COOM)]或[CH(COOM)-CH(COOM)]。X和Y是0或小的整数，X和Y的和大于2。M每次出现时，独立地选自由以下组成的组：H、Na、K、NH₄、类似物、或其组合。 

在另一个实施方案中，污垢抑制组合物包括单膦基琥珀酸加合物、双膦基琥珀酸加合物和寡聚膦基琥珀酸加合物。优选地，该组合物包括约20摩尔百分比至约85摩尔百分比的双膦基琥珀酸加合物。最优选地，该组合物包括约36摩尔百分比至约49摩尔百分比的双膦基琥珀酸加合物和约26摩尔百分比至约35摩尔百分比的寡聚膦基琥珀酸加合物。