摘 要：分析在染整加工中沉垢的種類和形成，螯合分散劑阻垢作用的機理。通過實例說明該助劑不僅具有封鎖金屬離子的功能，有助提高染整加工的質(zhì)量，而且具有明顯的阻垢作用。
關鍵詞：染整加工 沉垢的形成 螯合分散劑 阻垢作用
一、前言
螯合分散劑（Sequestering agent）是我們?nèi)菊庸ぶ谐Ｓ玫囊恢恢鷦?，其作用已被染整行業(yè)所認識。如用在水處理中，螯合分散劑可軟化水質(zhì)；酶退漿時加入螯合分散劑，可防止重金屬離子（有時防腐劑中帶入）對退漿酶效果的影響，并使?jié){料容易膨化，從纖維里分離并分散成膠狀而易于去除；煮練時加入螯合分散劑可避免堿液和金屬離子形成水溶性絡合物，可以徹底去除纖維中所含的金屬離子，同時螯合煮練液中的鈣鎂離子，防止生成沉垢沉積在織物上，提高紡織品的吸水性和白度；漂白時加入螯合分散劑，可螯合Fe3+等催化H2O2分解的重金屬離子，防止金屬離子對H2O2的無效快速催化分解而造成織物局部白斑、脆損、破洞；在滌綸減堿量時加入螯合分散劑，可防止低聚物及其它雜質(zhì)污染設備；在染色時加入螯合分散劑，防止金屬離子造成染料沉淀、絮狀上浮、色光變萎、鮮艷度下降等染色問題，并能幫助染料分散；在皂洗時加入螯合分散劑，能令印染產(chǎn)品表面浮色徹底清除，并在印花產(chǎn)品用時有白地防沾污功能等等。但螯合分散劑還有很大的一個功能，有時被印染界同行所忽視，這就是螯合分散劑的阻垢防垢、清垢功能，利用螯合分散劑的分散、懸浮等作用阻止垢類沉積在紡織品及設備上，較長時間應用螯合分散劑還能清除設備上的積垢。
二、染整加工中沉垢的種類及形成：
?。ㄒ唬┛尚纬沙凉傅慕饘匐x子的來源
染整加工中大量用到水，而水中存在著金屬離子，在染整加工的水介質(zhì)中存在的能形成沉垢的金屬離子的來源主要有：
1、未經(jīng)軟化處理的自來水或天然水中含有金屬離子及各種雜質(zhì)，經(jīng)軟化處理的自來水或天然水中殘留的金屬離子。
2、設備及水管道、汽管道、化學品管道均為金屬制造，會"溶"出金屬離子或在化學物質(zhì)作用下析出金屬離子。
3、纖維的天然雜質(zhì)中含有金屬離子或其它雜質(zhì)（如果棉上的果膠質(zhì)，滌綸的低聚物）及織物上的漿料等雜質(zhì)。
4、染化料中的雜質(zhì)，如元明粉、食鹽、燒堿、純堿等以及其它助劑中均會帶來金屬離子及雜質(zhì)。
由于這些物質(zhì)的存在，在一定條件下形成不溶物沉積到設備上（如導布輥、軋輥、染缸底部及染缸壁、換熱器的傳熱管表面、管道內(nèi)壁、外壁等處，還會沉積在紡織品上，這些物質(zhì)統(tǒng)稱為沉積物或叫沉垢。
（二）沉垢的負面影響
由于沉垢的存在，將影響到這幾方面：
1、沉垢沉在織物上，影響到織物的吸水性，進而影響到織物的后道加工，并影響到織物白度，甚至出現(xiàn)點狀、片狀的垢點、垢漬等病疵。
2、沉垢沉在設備中：
?。?/span>1）沉垢在換熱器表面，影響到換熱器的傳熱效率。
?。?/span>2）沉積在設備內(nèi)外壁或?qū)Р驾伾?，會造成織物擦傷，輕者導致布面有擦傷痕，重者造成織物發(fā)毛，影響光潔度，嚴重影響外觀。
?。?/span>3）沉積在軋輥上，會造成織物部點狀、條狀等軋液不均，造成染整效果不均勻。
（4）如果沉垢與銹瘤等同時存在，還會引起垢下腐蝕，更嚴重的將助長某些細菌（如鐵細菌）的繁殖，最終導致管壁腐蝕穿孔而泄漏。
這些沉垢在沉積過程中，就要讓其懸浮、分散，阻止其生長和沉積。如果一旦沉積，有的垢類就很難去除，如CaCO3垢、硅垢（H2O2漂白，Na2SiO3作氧漂穩(wěn)定劑時形成）等，甚至需要打敲下才能去除，剩余部分也要用酸堿反復清洗才能去除，有的垢類，如滌綸低聚物，用酸堿等都一時難以清除，所以對染整行業(yè)來說，對付沉積，應以防止產(chǎn)生沉垢為主，產(chǎn)生后要清除沉垢。
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1、水垢
天然水中溶解有各種鹽類，如重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物、硅酸鹽等。其中以溶解的重碳酸鹽如Ca（HCO3）2、Mg（HCO3）2為最多，也最不穩(wěn)定。
上述一系列反應中生成的CaCO3和Ca3（PO4）2等均屬微溶性鹽，它們的溶解度比CaCl2、Ca（HCO3）2等要小得多。而且CaCO3、Ca3（PO4）2的溶解度與一般鹽類不同，它們的溶解度不是隨溫度升高而升高，而是隨溫度的升高而降低，因此，這些微溶性鹽很容易到達過飽和狀態(tài)而從水中結晶析出，特別是在熱的金屬表面更是如此。當水流速度較小或設備表面（如傳熱表面）比較粗糙時，這些結晶沉積物就更容易沉積。
此外，水中溶解的硫酸鈣、硅酸鈣、硅酸鎂等，當陰、陽離子濃度的乘積超過其本身溶度積時，也會生成沉淀沉積在熱表面上及織物表面。
而染整加工中大量使用的NaCl、Na2SO4、Na2CO3、NaOH等商品化學品均為工業(yè)用品，制造時就混入一些雜質(zhì)，這就使染整用水中的形成金屬沉積物的可能性大大增加，如食鹽，在從海水中曬制過程中，海水中的其它金屬氯化物等雜質(zhì)也同時進入固體NaCl中。
這類沉積一般均由無機鹽組成，故又稱為無機垢，這類垢體結晶致密，比較堅硬，故又稱為硬垢，不易清除。
2、硅垢
在染整加工用水中，硅酸（ 以SiO2計）含量過高，加上水的硬度較大時，SiO32-易與水中Ca2+、Mg2+等生成傳熱系數(shù)很低的硅酸鈣或硅酸鎂水垢，這類硅垢不能用一般的化學酸洗法去清洗，而要用酸、堿交替清洗的方法。如硅酸鈣（或鎂）垢中含有Al3+或Fe2+等金屬離子時，清洗就更困難，有的甚至要用氫氟酸才能清洗。
為了避免硅垢的生成，通常限制水中SiO2含量不能超過175mg/l為宜。
當Mg2+含量大于40mg/l，與濃度較高的鈣共存時，即使SiO2含量低于150mg/l，仍會生成硅酸鎂水垢，一般提出用控制硅酸鎂濃度積的辦法來控制，應大致限制在下述范圍：
[Mg2+] [SiO2]<15000
式中[Mg2+]--鎂離子的濃度（以CaCO3計），mg/l
[SiO2]--硅酸濃度（以SiO2計），mg/l
但實踐證明，有時即使水中硅酸鎂的濃度積小于15000仍會生成硅酸鎂，因為硅酸鎂、鈣的形成還與設備內(nèi)溫度，水介質(zhì)的PH值以及是否存在其它離子有關。
在雙氧水漂白中，加入Na2SiO3作氧漂穩(wěn)定劑，其濃度肯定遠遠大于形成硅垢的最低濃度。有的氧漂穩(wěn)定劑中有Na2SiO3還加有MgCl2，MgSO4及SnCl4等鹽類，有的號稱非硅的氧漂穩(wěn)定劑中也加有硅酸鹽，使其也有可能產(chǎn)生硅垢 。
某些印染助劑中，加入了一些象粘土、陶土這類物質(zhì)，雖說是環(huán)保型的助劑，但其鹽類含量大大增加，垢類形成的可能性大大增加。
3、污垢
染整加工中污垢一般由顆粒細小的泥沙、纖維、塵土、不溶性鹽類的泥狀物、膠狀氫氧化物（如Fe（OH）3，Mg（OH）2等）、雜物碎屑（如纖維絨毛等）、染料的金屬沉積物、表面活性劑的金屬沉積物、滌綸纖維的低聚物、染化料的聚集物、腐蝕產(chǎn)物、油污以及染整加工后產(chǎn)生的漿料、天然雜質(zhì)等殘留物組成。當這些物質(zhì)沒有被分散、懸浮在水中，就容易形成污垢沉積物，特別是水走殼程，流速較慢的部位污垢沉積更厲害。如果沾附在織物上，再走經(jīng)導布輥、烘筒等處，就會在這些設備上產(chǎn)生沉垢。
在染整加工中，單一的水垢、硅垢、污垢是不多見的，一般都是混合體。
三、螯合分散劑阻垢作用的機理：
螯合分散劑的阻垢機理相當復雜，說法也比較多，本人認為螯合分散劑阻垢作用一般通過這幾方面起作用：
(一）晶格畸變作用
垢體一般大多為結晶體，以CaCO3垢為例，它的成長是按照嚴格順序，由正帶電荷的Ca2+與帶負電荷的CO3-相撞才能彼此結合，并按一定方向成長。當螯合分散劑在水中加入時，它當中的成分（如有機膦酸成分）物質(zhì)會吸附到CaCO3晶體的活性增長點上與Ca2+螯合，抑制了晶格向一定的方向成長，因此使晶體歪曲（畸變），長不大，也就是說晶體被螯合分散劑的有機膦酸表面去活劑的分子所包圍而失去活性。同樣，這種作用也可阻止其它垢類晶體的沉淀。另外，部分吸附在晶體上的化合物，隨著晶體增長而被卷入晶格中，使CaCO3晶格發(fā)生位錯，在垢層中形成一些空洞，分子與分子之間的相互作用減少，使硬垢變軟。
而在聚羧酸類螯合分散劑中，聚羧酸是線性高分子化合物，它除了一端吸附在CaCO3晶粒上以外，其余部分則圍繞到晶粒周圍，使其無法增長而變圓滑。因此晶粒增長受到干擾而歪曲，晶粒變得細小，形成的垢層松軟，極易被水流沖洗掉。
我們通過實驗也證實，有機膦酸為主要成分的螯合分散劑中的有機膦酸鹽具有臨界值效應（即微量螯合分散劑即可阻止垢類生成），就是只需用幾個mg/l的有機膦酸就可阻止幾百mg/l的碳酸鈣沉淀，有機膦酸比聚磷酸鹽（如STPP）阻垢性能好 。我們做過試驗，在鈣硬度1375mg/l的水中，投加5mg/l的螯合分散劑（寧波興華化學公司螯合分散劑SX，有機膦酸鹽為主成分），在90℃溫度下經(jīng)過120h，鈣硬度中50~80%不會沉淀，而在同樣條件下投加5mg/l聚磷酸鹽STPP等則無效。而且有機膦酸鹽類螯合分散劑與其它藥劑共用時有良好的協(xié)同效應（即總劑量不變情況下，藥劑各自單獨使用，其效果不如二者混合在一起使用的效果好）。如螯合分散劑與聚磷酸鹽復合，與聚羧酸鹽復合等，效果均有增加。并且有機膦酸鹽類螯合分散劑在較高劑量下具有良好的緩蝕性能，并且屬于無毒或極低毒藥劑，化學穩(wěn)定性好，不易水解，耐高溫，不會因水解生成磷酸鹽而導致產(chǎn)生菌藻過度繁殖（富營養(yǎng)化）等環(huán)境問題。
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有機膦酸鹽在水中能離解出H+，本身成帶負電荷的陰離子。
這些負離子能與Ca2+、Fe3+、Mg2+等金屬離子形成穩(wěn)定絡合物，從而提高了CaCO3晶粒的析出時的過飽和度，也就是說增加了CaCO3在水中的溶解度。另外，由于有機膦酸吸附在CaCO3晶粒增長點上，使其畸變，即相對于不加藥劑的水平來說，形成的晶粒要細小的多。從顆粒分散度對溶解度影響的角度看，晶粒小也就意味著CaCO3溶解度變大，因此提高了CaCO3析出時的過飽和度。
而聚羧酸溶于水后發(fā)生電離，形成帶負電荷的分子鏈，
如 -COOH→-COO-+H+
這些帶負電荷的分子鏈可與Ca2+形成能溶于水的絡合物，從而使成垢化合物的溶解度增加起到阻垢作用。
?。ㄈ?、靜電斥力作用
螯合分散劑的分子在水中電離成陰離子后，由于物理或化學的作用，有強烈的吸附性，它會吸附到懸浮在水中的一些漿料、果膠質(zhì)、低聚物、染料締聚體、塵土等雜質(zhì)的粒子上，使粒子表面帶有相同的負電荷，因而使粒子間相互靜電排斥，避免顆粒碰撞積聚成長，顆粒呈分散狀態(tài)懸浮于水中。性能良好螯合分散劑能使顆粒長久地分散在水中，即使產(chǎn)生沉淀，也能減緩顆粒的沉降速度。的如我們自制螯合分散劑ZF，在含有100mg/l鈣硬度水中，投加1mg/l，85℃下，可保持24h無沉積。
?。ㄋ模?、分散作用
除靜電斥力以外，螯合分散劑（如聚丙烯酸）具有分散懸浮作用，能對低聚物、染料締合體、膠狀物等起到強烈分散作用，使其不凝結，加上吸附了螯合分散劑大分子的垢類顆粒產(chǎn)生了空間位阻，呈分散狀態(tài)的垢類顆粒更不易碰撞凝結而懸浮水中不沉降，易被水沖走。
?。ㄎ澹?、清垢作用
螯合分散劑的分子，與金屬離子（未結垢的或垢體上、垢體中的）發(fā)生螯合，形成立體結垢的雙環(huán)或多環(huán)螯合物，這些大分子絡合物是疏松的，可以分散在水中或進入垢體中，使垢體變松軟而易去除，故長期使用螯合分散劑能起到清除原來積垢的作用。
由于以上原因，螯合分散劑具有了阻垢清垢功能。
四、應用試驗實列
1、在練漂聯(lián)合機和軋染機上應用
在寧波、杭州、蕭山、紹興等地染整廠，在練漂聯(lián)合機、軋染機上加工織物時，不同工序加入螯合分散劑SX(寧波興華化學有限公司提供)1-3g/l，不僅起到了螯合分散劑的螯合作用，而且保持了設備無沉垢，導布輥清潔光亮，烘筒無沾污物，織物加工病疵明顯減少。說明起到了阻垢清垢作用。
2、在繩狀Q113及溢流染缸使用
繩狀Q113及溢流染缸中做練漂或染色。
H2O2漂白時用Na2SiO3作穩(wěn)定劑，原來一個月清洗一次染缸，否則硅垢沉積，摩擦使布面發(fā)毛、沉積使傳熱不暢等現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，設備也會因出現(xiàn)積垢而使傳動阻力增加，而加入1-3g/l螯合分散劑SX后，不僅不產(chǎn)生硅垢，原有沉積垢體也逐漸清除。原來很易產(chǎn)生的硅垢使織物手感和吸水性變差問題也得到解決。
在染色時加入螯合分散劑SX，不僅染疵減少，而且沉積到設備的有色污垢明顯減少，減輕了清缸的負擔，稍有沉積，也比原來清垢時易于清除。
在原有積垢的缸體中，有的設備因結構原因無法清垢，加入螯合分散劑SX用于染整加工后，原有老垢逐漸松軟，逐步被去除。
五、結論：
1、螯合分散劑不僅具有一系列的封鎖金屬離子的功能，有助染整加工的進行和質(zhì)量提高，而且具有明顯的阻垢、清垢作用，有利于清潔生產(chǎn)，減輕設備的清垢工作。
2、螯合分散劑的阻垢、清垢機理說法較多，本人認為主要通過晶格畸變，增加溶解度，靜電斥力，分散懸浮的方面的作用進行。
3、螯合分散劑的阻垢清垢作用已得到實驗及實際生產(chǎn)所證明。
4、印染行業(yè)用的優(yōu)秀螯合分散劑，必須能最大限度地絡合金屬離子，防止金屬離子對染整質(zhì)量產(chǎn)生影響，而且必須還具有阻止和消除產(chǎn)生沉垢的功能。
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