不同堿性物質(zhì)對復配型緩蝕阻垢劑性能的影響研究

摘要：本研究利用多種緩蝕劑、阻垢劑復配3種緩蝕阻垢劑，并比較投加3種堿性物質(zhì)對碳鋼腐蝕率的影響，分析堿性物質(zhì)影響碳鋼腐蝕率的機理。結(jié)果表明，投加Na2CO3調(diào)節(jié)水樣pH，當水樣pH為8.60左右時，藥劑能夠達到良好的緩蝕效果，在3種不同配方的藥劑下，碳鋼腐蝕率均能夠達到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（GB/T 50050—2017）的要求（＜0.075 mm/a）。投加NaOH調(diào)節(jié)水樣pH，緩蝕阻垢劑的緩蝕效果有所提升，但腐蝕率并不達標；投加Ca（OH）2調(diào)節(jié)水樣pH，能夠提升緩蝕阻垢劑的緩蝕效果，但不能保證碳鋼腐蝕率達標。在實際生產(chǎn)中，應選擇Na2CO3作為循環(huán)冷卻水的水質(zhì)調(diào)節(jié)劑。

關(guān)鍵詞：碳鋼；腐蝕；緩蝕阻垢劑；碳酸鈉

中圖分類號：TQ085.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）05-000-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.002

Abstract： This study utilizes a combination of multiple corrosion and scale inhibitors to form three types of corrosion and scale inhibitors， and compares the effects of adding three alkaline substances on the corrosion rate of carbon steel， analyzing the mechanism by which alkaline substances affect the corrosion rate of carbon steel. The results indicate that Na2CO3 is added to adjust the pH of the water sample， when the pH of the water sample is around 8.60， the agents can achieve good corrosion inhibition effect， under three different formulations of agents， the corrosion rate of carbon steel can meet the requirements （＜0.075 mm/a） of the \"Design Specification for Industrial Circulating Cooling Water Treatment\""（GB/T 50050—2017）. When NaOH is added to adjust the pH of the water sample， the corrosion inhibition effect of the corrosion and scale inhibitor is improved， but the corrosion rate does not meet the standard; adding Ca（OH）2 to adjust the pH of the water sample can improve the corrosion inhibition effect of corrosion and scale inhibitors， but it cannot guarantee that the corrosion rate of carbon steel meets the standard. In actual production， Na2CO3 should be selected as the water quality regulator for circulating cooling water.

Keywords： carbon steel; corrosion; corrosion and scale inhibitors; sodium carbonate

工業(yè)水是工業(yè)生產(chǎn)過程中制造、加工、冷卻、空調(diào)、鍋爐等方面使用的水，被稱為工業(yè)系統(tǒng)的血液，而工業(yè)冷卻水是工業(yè)水的主要組成部分，占工業(yè)水的70%以上，是工業(yè)節(jié)水工作的重點[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)廣泛應用于鋼鐵、石油、電力等行業(yè)，該系統(tǒng)可以帶走生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大部分熱量，確保設備運行安全，同時節(jié)約水資源，但循環(huán)冷卻水系統(tǒng)常發(fā)生腐蝕、結(jié)垢而引起設備出現(xiàn)故障，因此循環(huán)冷卻水需要投加緩蝕阻垢劑。膦系緩蝕阻垢劑配方常為酸性，需要與堿性物質(zhì)協(xié)同作用，才能在循環(huán)冷卻水中有效地發(fā)揮緩蝕性能。研究不同堿性物質(zhì)對碳鋼腐蝕率的影響，有助于在實際生產(chǎn)過程中對水質(zhì)進行調(diào)節(jié)，發(fā)揮緩蝕阻垢劑的緩蝕性能。

1 試驗部分

1.1 試驗準備

試驗儀器包括旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕測試儀、電子天平、pH計。試驗用水為焦化廠凈環(huán)補水，水質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 試驗步驟

以2-羥基膦酰基乙酸（HPAA）、苯丙三氮唑（BTA）、羥基乙叉二膦酸（HEDP）、氨基三甲叉膦酸（ATMP）、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸鹽三元共聚物（AA/HPA/AMPS）、聚天冬氨酸鈉、2-磷酸基-1，2，4-三羧酸丁烷、七水硫酸鋅為原料，按一定比例復配3種緩蝕阻垢劑（簡稱為A、B、C），之后將其分別配制為濃度60 mg/L的溶液，并配制0.5 g/L的Ca（OH）2溶液、5 g/L的Na2CO3溶液和0.5 g/L的NaOH溶液。試驗期間，在焦化廠凈環(huán)補水的水樣（共9個）中投加60 mg/L的藥劑，并分別用Ca（OH）2、Na2CO3、NaOH對9個水樣進行pH調(diào)節(jié)，將其調(diào)節(jié)至8.60±0.03；設置一個空白樣，不做任何調(diào)整；設置3個只使用藥劑A、B、C的水樣。使用配制好的水樣進行旋轉(zhuǎn)掛片靜態(tài)試驗，持續(xù)72 h，然后取出掛片觀察腐蝕情況，并計算腐蝕率，具體試驗參數(shù)如表2所示。

1.3 分析方法

參照《水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法》（GB/T 18175—2014），在旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕測試儀上進行試驗。試驗后用超純水沖洗掉掛片表面的腐蝕產(chǎn)物，再將掛片放入酸洗溶液（取20 mL濃鹽酸用超純水稀釋至100 mL）中，保持4 min。酸洗后用刷子去除表面的腐蝕產(chǎn)物，然后迅速用超純水沖洗，再放入60 g/L的NaOH溶液中浸泡30 s，之后迅速用超純水沖洗，用濾紙擦干，再放入無水乙醇中浸泡3 min，表面干燥后進行稱量，精確至0.000 1 g[2]。在旋轉(zhuǎn)掛片靜態(tài)試驗中，每個試驗條件采用2片相同的碳鋼掛片進行平行試驗，試驗后取2片掛片的平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同堿性物質(zhì)對碳鋼腐蝕率的影響

以HPAA、BTA、HEDP、ATMP、AA/HPA/AMPS、聚天冬氨酸鈉、2-磷酸基-1，2，4-三羧酸丁烷、七水硫酸鋅為原料，按一定比例進行復配，考察NaOH、Ca（OH）2、Na2CO3對碳鋼腐蝕率的影響，研究不同藥劑的緩蝕性能，碳鋼掛片腐蝕率測定結(jié)果如表3所示。

在不投加堿性物質(zhì)的條件下，A、B、C三種藥劑的緩蝕效果均不理想；在A、B藥劑的條件下，使用NaOH調(diào)節(jié)pH的碳鋼腐蝕率均不達標，但相比不投加NaOH調(diào)節(jié)pH，緩蝕效果有顯著提升；使用Na2CO3調(diào)節(jié)pH的碳鋼腐蝕率比使用Ca（OH）2調(diào)節(jié)pH的碳鋼腐蝕率低，且前者相對穩(wěn)定。不同堿性物質(zhì)對應的碳鋼腐蝕率不同，不同堿性物質(zhì)對緩蝕阻垢劑緩蝕性能產(chǎn)生不同的影響，Na2CO3對碳鋼腐蝕率及緩蝕阻垢劑緩蝕性能的影響最小，且能夠保持較為穩(wěn)定的腐蝕率，Ca（OH）2次之，NaOH對碳鋼腐蝕率及緩蝕阻垢劑緩蝕性能的影響較大。

2.2 堿性物質(zhì)影響碳鋼腐蝕率的機理

2.2.1 投加NaOH和Ca（OH）2

在堿性條件下，碳鋼腐蝕機理主要有兩種。一是連續(xù)機理，吸附中間體Fe（OH）ad可在多個電極反應生成，隨著電極反應的進行，吸附的Fe（OH）2在電極表面沉積，在堿性條件下，碳鋼的陽極會發(fā)生溶解反應，該機理包含一個電子的傳遞。二是催化機理，F(xiàn)e（OH）ad與碳鋼表面的Fe形成[FeFe（OH）ad]，接著[FeFe（OH）ad]同OH-進行反應，又生成Fe（OH）ad，與上一個步驟的反應物相同，因此Fe（OH）ad就像催化劑一樣，該機理包含兩個電子的傳遞[3]。

使用NaOH調(diào)節(jié)水樣pH時，投加藥劑A和藥劑B的水樣碳鋼腐蝕率不達標，可見，投加NaOH提高水樣pH并不能與緩蝕阻垢劑形成良好的協(xié)同作用，且投加NaOH后可能會產(chǎn)生不均勻腐蝕現(xiàn)象，從而加重碳鋼腐蝕。使用Ca（OH）2調(diào)節(jié)水樣pH，碳鋼腐蝕率基本都能達到小于0.075 mm/a的標準限值要求，與投加NaOH調(diào)節(jié)水樣pH相比，二者對碳鋼腐蝕率的影響差別較大，原因可能與Ca2+濃度有關(guān)。

2.2.2 投加Na2CO3

使用Na2CO3調(diào)節(jié)水樣pH時，碳鋼腐蝕率均能達到小于0.075 mm/a的標準限值要求，有效地發(fā)揮緩蝕阻垢劑的緩蝕性能。水中投加Na2CO3后，CO32-會發(fā)生水解反應，產(chǎn)生OH-，使水中OH-的總濃度增大，溶液pH提高，溶液中的OH-由于靜電吸附作用移動至陽極區(qū)，與水中的Ca2+、Mg2+反應生成穩(wěn)定而不溶的化合物Ca（OH）2、Mg（OH）2，能夠覆蓋在碳鋼的陽極區(qū)，隨著腐蝕的不斷進行，保護膜的厚度增大，陽極反應被抑制，根據(jù)電化學原理，當金屬材料發(fā)生電化學腐蝕時，陰極反應和陽極反應同時進行，若一個反應被抑制，另一個電極的反應也不能進行下去[4]。另外，Na2CO3提供的CO32-能夠與水中的Ca2+、Mg2+及前期腐蝕過程中產(chǎn)生的Fe2+在碳鋼表面形成CaCO3、MgCO3、FeCO3沉淀膜，從而提高緩蝕阻垢劑的緩蝕效果，抑制碳鋼表面的進一步腐蝕[5]。

水樣投加Na2CO3，能夠提高水的緩沖能力，有利于水與碳鋼表面處的pH保持穩(wěn)定。隨著水中OH-、CO32-、HCO3-濃度的增加，CaCO3、MgCO3、FeCO3不斷生成，在碳鋼表面形成均勻且致密的保護膜，從而降低碳鋼腐蝕率。

3 結(jié)論

投加Na2CO3調(diào)節(jié)水樣pH，當水樣pH為8.60左右時，藥劑能夠達到良好的緩蝕效果，在3種不同配方的藥劑下，碳鋼腐蝕率均能達到《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》（GB/T 50050—2017）的要求（＜0.075 mm/a）。投加NaOH調(diào)節(jié)水樣pH，緩蝕阻垢劑的緩蝕效果有所提升，但碳鋼腐蝕率并不達標；投加Ca（OH）2調(diào)節(jié)水樣pH，能夠提升緩蝕阻垢劑的緩蝕效果，但不能保證碳鋼腐蝕率達標。調(diào)節(jié)循環(huán)冷卻水的pH，能夠提高水的緩沖能力和緩蝕阻垢劑的緩蝕效果，實際生產(chǎn)過程中應選擇Na2CO3作為循環(huán)冷卻水的水質(zhì)調(diào)節(jié)劑。

參考文獻

1 馬 強.工業(yè)循環(huán)冷卻水節(jié)水技術(shù)發(fā)展趨勢[J].工業(yè)用水與廢水，2010（2）：15-18.

2 陳莉榮，闞偉海，姜慶宏，等.軟化水中除氧劑與pH值對碳鋼腐蝕率影響研究[J].表面技術(shù)，2015（7）：108-113.

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4 尹澤斌，鐘顯康，扈俊穎.局部碳酸鈣沉積對N80碳鋼腐蝕行為的影響[J].表面技術(shù)，2021（10）：337-344.

5 梁 平，張云霞，史艷華，等.腐蝕電化學原理課程教學改革與實踐[J].化工高等教育，2013（4）：21-23.