镁硅酸盐垢层稳定性研究：饮用水管网腐蚀控制新策略

《ACS ES&T Water》：Stabilization of a Magnesium Silicate Scale Providing Corrosion Control in a Potable Water Distribution System

本研究发现俄克拉荷马城供水系统中形成的镁硅酸盐（MgSi）垢层能有效控制铅溶出（Pb≤1.2 ppb）。通过表征垢层组成、溶解度实验及磷酸盐抑制剂影响评估，证实该垢层在特定pH区间（水源A：pH 8.5–9；水源B：pH 7.5–8）可维持稳定，其形成依赖预存垢层作为晶种。研究提出通过"MgSi大理石测试"动态调控水质参数，为饮用水管网腐蚀控制提供了创新思路。

　　

引言

俄克拉荷马城水务信托（OCWUT）管网中发现的镁硅酸盐（MgSi）垢层（厚度≈1 mm）与极低铅溶出水平（≤1.2 ppb）相关。对铜、铸铁、铅服务线（LSL）等管材的分析表明，该垢层主要成分为非晶态镁硅酸盐，其形成可能早于1960年代。研究旨在通过表征垢层性质、溶解度特性及抑制剂影响，提出维持垢层稳定的操作策略。

实验方法

研究采用OCWUT两种水源（水源A：Mg 3 mg/L，Si 1.5 mg/L；水源B：Mg 32.5 mg/L，Si 3.5 mg/L），通过扫描电镜（SEM）、X射线荧光（WDXRF）等技术分析垢层组成。溶解度实验通过添加管网脱落的MgSi晶种，考察不同pH（7–10.5）、温度（6–60°C）及磷酸盐抑制剂（正磷酸盐、锌-正磷酸盐、六偏磷酸盐）对MgSi沉淀/溶解动力学的影响。

结果与讨论

MgSi固体的形成机制

自发沉淀实验表明，当前水质条件下（pH<10）无法自发形成MgSi固体，但pH>10时可见明显沉淀（图2）。晶种存在时，水源A和水源B分别在pH 8.5–9和7.5–8达到溶解-沉淀平衡（图3）。晶种表面积增加可加速反应动力学，但完全平衡需数月甚至数年。

硅添加剂与抑制剂的影响

添加5 mg/L硅可减缓pH 7时Mg的溶解速率（1.3–6.2倍），并促进pH 10.5时的沉淀（3.9–5.6倍）。磷酸盐抑制剂在pH 7时表现显著：锌-正磷酸盐使Mg溶解减少50%，并完全抑制Si溶解；六偏磷酸盐则分别降低Mg、Si溶解32%和63%（图6）。但在高Mg/Ca的水源B中抑制作用有限。

温度与稳定性调控

温度（6–50°C）对MgSi溶解度影响较小（图7）。基于实验结果，研究提出类比碳酸钙（CaCO₃）朗格利尔指数（Langelier Index）的"MgSi大理石测试"方法，通过实验测定特定水质下的平衡pH，为管网垢层稳定性管理提供实操方案。

结论

MgSi垢层在OCWUT管网中作为天然腐蚀屏障，其稳定性可通过pH调控和晶种诱导实现。磷酸盐抑制剂在酸性条件下可延缓垢层溶解，而"MgSi大理石测试"为优化水质参数、预防垢层 destabilization 提供了可行路径。