適用于軟化水的緩蝕阻垢劑配方及效能

劉文山，路瑞玲，王秀娟，常 青

（1.甘肅藍(lán)星清洗科技有限公司，蘭州730060；2.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州730070）

我國(guó)西北地區(qū)水質(zhì)含鹽量和硬度偏高，給工業(yè)用水帶來(lái)嚴(yán)重的結(jié)垢問(wèn)題，為此一些廠家采用軟化水作循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水。雖然水質(zhì)軟化處理可以避免結(jié)垢問(wèn)題的發(fā)生，但軟化水具有腐蝕性，應(yīng)用于循環(huán)水系統(tǒng)時(shí)仍需對(duì)水質(zhì)進(jìn)行穩(wěn)定處理，主要方法是添加緩蝕阻垢劑。目前能有效控制軟化水腐蝕的緩蝕阻垢劑中以鉬酸鹽為主體的復(fù)合藥劑最受關(guān)注［1-5］。盡管鉬酸鹽系緩蝕劑緩蝕性能良好，但存在用量較高、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。針對(duì)某公司500萬(wàn)噸工作循環(huán)系統(tǒng)的軟化水，篩選出一種不含鉬酸鹽及致癌的亞硝酸鹽等有毒有害成分的復(fù)合藥劑，以期有效地控制鈉離子交換樹(shù)脂處理的軟化水腐蝕問(wèn)題。

1 試驗(yàn)

1.1 水質(zhì)狀況

該冶煉爐循環(huán)水系統(tǒng)采用鈉離子交換樹(shù)脂軟化水作為補(bǔ)水，共有兩套系統(tǒng)，分別為新線系統(tǒng)和舊線系統(tǒng)，各系統(tǒng)補(bǔ)充水的水質(zhì)及相應(yīng)雷茲納穩(wěn)定指數(shù)RSI［6］見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，RSI＞6，可以判定新舊線軟化水均為腐蝕性水，而且水中氯離子含量較高，水的硬度較低，會(huì)使腐蝕傾向更加嚴(yán)重。

1.2 緩蝕阻垢劑配方的篩選

軟化水腐蝕主要是由溶解氧引起的［7］，加之該公司軟化水中氯離子含量較高，會(huì)加重腐蝕［8］。因此緩蝕阻垢劑不僅需要減緩溶解氧引起的腐蝕，還要能減緩氯離子引起的點(diǎn)蝕問(wèn)題。根據(jù)單劑的緩蝕性能、各單劑之間的配伍性能及穩(wěn)鋅的要求，優(yōu)選了有機(jī)膦羧酸、磺酸鹽類共聚物、有機(jī)膦酸酯、鋅鹽、唑類等，按不同的組分和比例組成了一系列水處理藥劑LXZH-9221，LXZH-9222，LXZH-9261，LXZH-1481等，并根據(jù)其緩蝕阻垢效果進(jìn)行篩選。

表1 補(bǔ)充水水質(zhì)

1.3 緩蝕及阻垢試驗(yàn)

緩蝕試驗(yàn)的試片材質(zhì)為Q235碳鋼，尺寸50mm×25mm×2mm。將試片用金相砂紙打磨，并用濾紙將其上的防銹油脂擦拭干凈，再分別用脫脂棉在丙酮和無(wú)水乙醇中擦洗，然后用濾紙吸干，置于干燥器中干燥4h以上，稱量（精確至0.2mg），置于RCC-Ⅰ型旋轉(zhuǎn)腐蝕掛片試驗(yàn)儀（江蘇省江都市建華儀器儀表廠）中，以失重法測(cè)定試片腐蝕速率［9］，時(shí)間72h，溫度40℃。

阻垢試驗(yàn)采用靜態(tài)法［10］，將軟化水樣置于500mL的錐形瓶中，用恒溫水浴鍋加熱至80℃，保持時(shí)間10h，在不同的濃縮倍數(shù)下測(cè)定阻垢率。

1.4 樣品表征

用日本電子光學(xué)公司生產(chǎn)的JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀察試片形貌；用美國(guó)物理電子公司生產(chǎn)的PHI-5702型多功能電子能譜儀（XPS）測(cè)定試片表面的相對(duì)元素組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩蝕與阻垢效果

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)將投加濃度設(shè)為80mg·L-1，在此濃度下比較不同配方藥劑的緩蝕效果。添加不同配方藥劑的試片及空白試片的腐蝕速率見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，空白腐蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重超出國(guó)標(biāo)GB 50050-2007《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求（碳鋼設(shè)備傳熱面水側(cè)腐蝕速率應(yīng)小于0.075mm·a-1），需要投加藥劑控制腐蝕。此外，在上述幾種藥劑中，當(dāng)濃度為80mg·L-1時(shí)既能控制住新線軟化水腐蝕又能控制住舊線軟化水腐蝕的藥劑為L(zhǎng)XZH-1481。

以LXZH-1481為最佳配方藥劑，分別研究其在不同的投加量下對(duì)新舊線軟化水的緩蝕效果，測(cè)得的腐蝕速率見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，在相同投加量下，LXZH-1481對(duì)舊線軟化水的緩蝕效果比對(duì)新線線軟化水的強(qiáng)，這是因?yàn)樵谂f線軟化水中存在一定量的Ca2＋，而新線軟化水中Ca2＋較少，Ca2＋的存在有利于膦酸鈣沉淀膜的形成，對(duì)金屬起到了更好的的保護(hù)作用。此外，隨著藥劑濃度的增加，腐蝕速率迅速下降，新舊線分別在100mg·L-1和80mg·L-1時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，下降趨緩。考慮成本及緩蝕效果等各種影響因素，新線軟化水投加濃度應(yīng)控制在100mg·L-1以上，舊線軟化水投加濃度應(yīng)控制在80mg·L-1以上。

圖1 LXZH-1481藥劑濃度對(duì)腐蝕速率的影響

在新、舊線軟化水的阻垢試驗(yàn)中將緩蝕阻垢劑LXZH-1481的投加量分別設(shè)定在100mg·L-1和80mg·L-1以上。結(jié)果表明，新線軟化水投加100mg·L-1LXZH-1481及舊線軟化水投加80mg·L-1LXZH-1481，濃縮倍數(shù)保持為4時(shí)，對(duì)碳酸鈣的阻垢率均已達(dá)100%，無(wú)須再提高投加量，說(shuō)明LXZH-1481不僅有良好的緩蝕作用，也具有高效的阻垢效能。

2.2 掃描電鏡觀察

圖2是試片在LXZH-1481藥劑投加前后在舊線軟化水中的表面形貌。由圖2可見(jiàn)，空白試片的表面粗糙、凹凸不平，腐蝕程度嚴(yán)重，銹層分布不連續(xù)，沿著銹層出現(xiàn)腐蝕溝槽花樣痕跡，局部有孔蝕；添加80mg·L-1LXZH-1481后，試片表面基本平整，顯得比較光滑，腐蝕很輕微，加工時(shí)的劃痕仍然可見(jiàn)。試片在新線軟化水中的電鏡表征與此相似。

2.3 XPS分析

圖3是試片在LXZH-1481添加前后的XPS分析圖譜。其分析結(jié)果見(jiàn)表3。試片在新線軟化水中的XPS表征與此相似。

圖3 碳鋼試片表面在投加LXZH-1481前后的XPS表征

表3 碳鋼試片添加LXZH-1481前后表面元素含量

結(jié)果表明，未投加緩蝕劑的試片表層有碳、鈉、氧、硅，其中Na＋是由鈉離子交換樹(shù)脂軟化處理過(guò)程中引入，但未發(fā)現(xiàn)鐵。投加緩蝕阻垢劑后試片表面增加了鈣、磷、鐵，與未添加緩蝕阻垢劑的試片相比，氧含量大大增加，鈉含量下降，硅消失。由此推斷，未投加緩蝕阻垢劑時(shí)，試片表面的鐵發(fā)生陽(yáng)極溶解，幾乎消耗殆盡，造成嚴(yán)重腐蝕。添加緩蝕阻垢劑后，其中的有機(jī)膦酸鹽與水中的鈣離子螯合，在試片表面形成了沉淀型膜，保護(hù)了碳鋼試片，因而檢測(cè)到表面有鐵和鈣，及來(lái)自藥劑的磷和氧。緩蝕阻垢劑中的鋅鹽能與有機(jī)膦酸鹽發(fā)揮協(xié)同作用，并在材質(zhì)表面形成沉淀型膜。但試片表面并未檢出鋅元素的存在，這可能是由于本配方中鋅鹽的相對(duì)含量較低，因而投加緩蝕阻垢劑后的軟化水中鋅元素含量較低，據(jù)估算僅有1.9mg·L-1，超出儀器的檢出限（0.01%），所以在膜層中未檢測(cè)出鋅元素的存在。

3 結(jié)論

（1）緩蝕阻垢劑LXZH-1481對(duì)于鈉離子交換樹(shù)脂處理的軟化水具有較好的緩蝕和阻垢效果，新線軟化水投加濃度控制在100mg·L-1以上，舊線軟化水投加濃度控制在80mg·L-1以上。

（2）緩蝕阻垢劑LXZH-1481不含鉬酸鹽等昂貴物質(zhì)，也不含亞硝酸鹽等致癌物質(zhì)，成本適中，效果較好。

（3）通過(guò)掃描電鏡及XPS表征發(fā)現(xiàn)，緩蝕阻垢劑LXZH-1481在碳鋼試片表面形成了沉淀型膜，有效地保護(hù)了碳鋼材質(zhì)。

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