基于電化學法的再生水腐蝕不銹鋼供熱管網的試驗與機理

崔建民

摘 要： 針對再生水輸配管易受水質中離子腐蝕的問題，通過電化學極化曲線對2種不銹鋼材料的耐腐蝕性能進行研究，以得到耐腐蝕性能良好的再生水輸配管材料。結果表明：再生水中氯離子是腐蝕不銹鋼的主要因素，在低濃度狀態下，不銹鋼能有效抵抗氯離子的侵蝕， 當體系內氯離子濃度達到100 mg/L時，氯離子對不銹鋼的腐蝕加劇。當體系共存高濃度硫酸根離子時，會抑制氯離子對不銹鋼材料的腐蝕。2種材料受離子腐蝕的機理類似，但316L不銹鋼的耐腐蝕性能更優，可以作為再生水輸配管材料使用。對再生水原水進行測試，原水中的腐蝕電位較單一離子模擬再生水腐蝕電位更正，腐蝕電流也更低，不銹鋼的耐腐蝕性能更高。

關鍵詞： 再生水水質；不銹鋼腐蝕；自腐蝕電流；電化學極化曲線

中圖分類號： TQ150;TU990.3

文獻標志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0122-04

Experiment and mechanism of regenerated water corrosion on stainless ?steel heating pipe network based on electrochemical method

CUI Jianmin

（Lanzhou Thermal Power Corporation，Lanzhou 730020，China）

Abstract： Aiming at the problem that the reclaimed water pipeline is vulnerable to ion corrosion in water quality，the corrosion resistance of two kinds of stainless steel materials is studied through the electrochemical polarization curve in order to obtain the reclaimed water pipeline material with good corrosion resistance.The test results show that the chloride ion in the reclaimed water is the main factor for corrosion of stainless steel.At low concentration，stainless steel can effectively resist the corrosion of chloride ion.When the concentration of chloride ion in the system reaches 100 mg/L，the corrosion of chloride ion on stainless steel is intensified.When the system coexists with high concentration of sulfate ion and low concentration of ?calcium ion and bicarbonate ion，the corrosion of chloride ion on stainless steel will be inhibited.The mechanism of ion corrosion of the two materials is similar，but the corrosion resistance of 316L stainless steel is better，which can be used as the material of reclaimed water pipeline.The corrosion potential in the raw water of the reclaimed water is more positive compared with the corrosion potential of the single ion simulated reclaimed water，the corrosion current is also lower，and the corrosion resistance of stainless steel is higher.

Key words： ?regenerated water quality;stainless steel corrosion;self-corrosion current;electrochemical polarization curve

再生水為經過適當工藝處理后達到使用標準的城市污廢水，具有來源安全，水質穩定的特點，常作為工業用水和農業用水使用。

受到再生水水質的影響，里面含有的離子復雜，對普通鑄鐵管道腐蝕嚴重，這對再生水的回收使用造成了極大的影響。為了更好的利用再生水，部分學者也進行了很多研究，如研究了膨潤土吸附劑在廢水處理中的應用[1]。 制備了一種木質素衍生材料吸附廢水中的重金屬[2]。采用臭氧高級氧化技術對廢水中氨氮化合物進行處理，使其達到回收再利用標準[3]。以雙膜法使用的消毒劑為主要研究對象，對比了二氧化氯和次氯酸鈉消毒劑對廢水的處理效果。結果表明，復合二氧化氯消毒劑表現出良好的消毒作用和經濟效益，可以作為再生水處理系統的消毒劑使用[4]。本試驗從材料出發，參考文獻[5]的方法，通過電化學極化曲線對材料腐蝕機理進行分析。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：環氧樹脂（萬青化學科技）；丙酮（AR，翔昭新型材料）；304、316L不銹鋼材料（標準Ⅰ級， 鵬立金屬材料）；無水乙醇（AR，埃克森化工）。

主要設備：DZF型真空干燥箱（宏闊試驗）；Zennium pro型電化學工作站（志鴻恒拓）。

1.2 試驗方法

1.2.1 再生水的選擇

考慮再生水中可能存在多種干擾試驗結果的因素，因此先用單一離子配制模擬再生水進行試驗，然后再用采自某污水處理廠二級反應池內的原水進行試驗。

1.2.2 電化學測試過程

（1）基礎極配制為：參比電極為銀-氯化銀電極。輔助電極為石墨電極；

（2）將Ⅰ型標準304和316L不銹鋼掛片打磨至表面平整光滑，然后制成尺寸為（10×10×2）mm 的正方形試樣，并在一面焊接銅導線。放入硅膠模具中，在放置時，模具底部與試件工作面貼合。倒入環氧樹脂AB膠，靜置固化18 h。用砂紙將試件工作面打磨至鏡面透亮。去離子水沖洗不銹鋼試件，濾紙吸干水分后，依次用丙酮和無水乙醇擦拭，自然風干后在DZF型真空干燥箱的作用下進行干燥，干燥時間為1 d，得到工作電極；

（3）連接電化學工作站、電解池與3個電極。依次打開電化學工作站和電腦電源，通過恒溫水浴鍋對電解池進行預熱，預熱溫度和時間分別為40 ℃和30 min，預熱結束后打開工作站工作窗口；

（4）開路電位測試：打開開路電位測試，當數值1 min內在0.1 mV電位間浮動時，即可認定開路電位終止，記錄此時的電位數據[6-7]。開路電位參數如表1所示。

（5）極化曲線測試：設置極化曲線參數進行極化曲線測試，測試結束后窗口直接生成極化曲線圖，電腦可自動對極化數據進行分析，得到腐蝕電流值，除以電極工作面積，得到腐蝕電流密度值，通過Origin繪制 Tafel曲線圖[8]。

2 結果與討論

2.1 電化學極化曲線測試結果

進行電化學極化曲線測試后，在2種不銹鋼工作電極表面均有棕色小腐蝕坑出現，這就說明不銹鋼表面鈍化膜被點蝕破壞[9-10]。304和316L不銹鋼電極在不同氯離子濃度再生水模擬溶液的Tafel 曲線和電化學參數分別見圖1、表2、圖2、表3。在電化學測試腐蝕的過程中，鈍化區區間越大表示該材料的耐腐蝕性越強[11]。

由圖1可知，304不銹鋼極化曲線在不同氯離子濃度條件中均有明顯的鈍化區間出現，且鈍化區間隨氯離子濃度的增加而減小。

由表2可知，不銹鋼電極的自腐蝕電位隨再生水內氯離子質量濃度的增加而增加，也就是說，不銹鋼耐腐蝕性與體系內氯離子質量濃度成反比。當再生水內氯離子質量濃度從100 mg/L增加至150 mg/L時，Ecar和Ieor均只有較小的差別，繼續增加體系內氯離子濃度至200 mg/L時，Ecar和自腐蝕電流密度（Ieor）差別陡然增加，Ieor約下降41%，Ecar正移約24%。這就說明氯離子是腐蝕304不銹鋼的重要因素，當再生水體系內氯離子質量濃度達到200 mg/L時，會對304不銹鋼產生較明顯的腐蝕。若能將再生水內的氯離子濃度控制在50 mg/L以內，可有效減輕304不銹鋼的腐蝕，延長304不銹鋼的使用壽命。

由圖2可知，316L不銹鋼極化曲線隨再生水內氯離子濃度的增加的變化與304 不銹鋼極化曲線較為類似，同樣在氯離子濃度為50 mg/L時，耐腐蝕性能較好。

由表3可知，當氯離子質量濃度為50 mg/L，316L的自腐蝕電位明顯比 304 更靠近正電位，擁有更高的抗腐蝕能力下限。當氯離子質量濃度從100 mg/L上升至200 mg/L時，自腐蝕電流密度上升了約25%，這就是說明316L不銹鋼在氯離子質量濃度為200 mg/L的再生水中，耐腐蝕性能也受到一些影響。對比氯離子質量濃度為300 mg/L的再生水中304不銹鋼和316L不銹鋼腐蝕情況可知，二者Ieor分別為925.694、595.069 nA/cm2。316L不銹鋼Ecar明顯低于304，電位負向移動較低。這就說明316L不銹鋼對高濃度氯離子的敏感度明顯低于304不銹鋼，也就是說在同等氯離子濃度的再生水中，316L的耐腐蝕性能更優。

總的來說，氯離子對2種不銹鋼材料的影響規律基本一致，在高濃度氯離子再生水中，不銹鋼的耐腐蝕性能均會受到一些影響。但304不銹鋼材料對高濃度的氯離子敏感度更高，更容易受到氯離子的腐蝕。同時，316L型不銹鋼擁有更高的低濃度氯離子抗腐蝕下限，也就是說，316L不銹鋼擁有更強的低氯離子侵蝕鈍化膜的能力。

2.2 硫酸根離子影響的腐蝕行為

為了更準確研究氯離子與其他水質因子共存時，對不銹鋼材料腐蝕行為，固定再生水中的氯離子濃度為200 mg/L進行試驗。

不同質量濃度硫酸根離子與氯離子共存時，對304和316L不銹鋼腐蝕的電化學極化曲線和參數分別如圖3、圖4和表4所示。

由圖3可知，當SO 42-質量濃度從50 mg/L增加至100 mg/L時，極化曲線負向移動。繼續增加SO 42-質量濃度，極化曲線則正向移動。

由表4可知，體系內存在100 mg/L以下的硫酸根離子時，自腐蝕電位值較純200 mg/L氯離子的再生水為負，腐蝕電流也更高。這個變化就說明了再生水體系內共存有低濃度硫酸根離子時，能促進氯離子對304不銹鋼的腐蝕行為。這是因為在一定濃度的氯離子再生水體系中，低濃度硫酸根離子會提升局部氯離子的有效濃度，促進了氯離子腐蝕行為的發生。但當體系內SO 42-達到一定濃度后，體系內存在2種離子競爭吸附的現象，硫酸根離子吸附覆蓋部分鈍化活性電位，這就降低了體系內氯離子的有效濃度，因此自腐蝕電位向正方向靠近，Ieor明顯降低[12-13]。

由圖4可知，316L不銹鋼在不同硫酸根離子再生水中的腐蝕變化基本與304不銹鋼一致。但濃度相同的條件下，316L不銹鋼的Ecar更正，Ieor更小。這再次說明了316L不銹鋼具備較優的耐腐蝕能力。分析其原因在于，316L不銹鋼表面鈍化膜較304不銹鋼表面鈍化膜更堅硬，更能抵抗離子的侵蝕和抵抗競爭吸附效應，使得鈍化膜不易被破壞，腐蝕效果表現良好[14-15]。

2.3 再生水原水腐蝕行為

再生水原水中304、316L不銹鋼極化曲線如圖5所示。

由圖5可知，再生水原水極化曲線，316L不銹鋼電極位置和Ecar更正，Ieor更低，表現出更好的耐腐蝕性能。同時， 與實驗室配制的模擬再生水數據進行比較，原水中的腐蝕電位更正，腐蝕電流也更低，不銹鋼的耐腐蝕性能更高。這是因為在再生水原水中，存在多種陰陽離子，其中還包含有很多對氯離子腐蝕有抑制的離子，抑制了氯離子的腐蝕，提升了不銹鋼耐腐蝕性。同時，原水中的金屬陽離子與堿性陰離子還可能發生反應，在不銹鋼表面生成沉淀，阻礙了氯離子與不銹鋼接觸，不銹鋼在原水中的耐腐蝕性進一步增加[16]。

3 結語

（1）氯離子對2種不銹鋼材料的影響規律基本一致，在高濃度氯離子再生水中，不銹鋼的耐腐蝕性能均會受到一些影響。但304不銹鋼材料對高濃度的氯離子敏感度更高，更容易受到氯離子的腐蝕。316L型不銹鋼擁有更高的低濃度氯離子抗腐蝕下限，擁有更強的低氯離子侵蝕鈍化膜的能力；

（2）再生水體系內共存有低濃度硫酸根離子時，能促進氯離子對不銹鋼的腐蝕行為，但當體系內硫酸根離子達到一定質量濃度后（150 mg/L），在不銹鋼表面存在硫酸根離子與氯離子競爭吸附，降低了氯離子的腐蝕作用；

（3）體系內單獨存在的鈣離子幾乎不對氯離子點蝕不銹鋼產生影響。但與碳酸氫根離子共存時，低濃度共存離子可抑制不銹鋼腐蝕，高濃度共存離子會導致體系內發生濃差電池效應，增強氯離子的腐蝕效果；

（4）對再生水原水進行測試，原水中的腐蝕電位較單一離子模擬再生水腐蝕電位更正，Ieor也更低，表現出較好的 耐腐蝕效果。

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