硫酸介質中銅和鐵緩蝕劑配方研究

程玉山 孫寅聰 陳燕敏 孫彩霞

（河南省科學院能源研究所，河南 鄭州，450008）

近年來，BTA作為銅緩蝕劑被清洗業(yè)界廣泛應用，其緩蝕機理是由于在Cu表面上生成了Cu2O／Cu（I）BTA膜，阻滯了Cu的腐蝕，而且緩蝕劑的濃度越高，生成的Cu2O／Cu（I）BTA膜越致密，抑制作用越強［1－3］。但是，BTA 的主要缺點就是有毒，使用濃度越大，毒性就越強［4］，因此，尋找使用量小、緩蝕效果好且環(huán)境友好的緩蝕劑就成了人們研究的熱點，由于各種單體緩蝕劑自身存在的缺陷導致其使用受到了限制［5］，復配緩蝕劑就成了研究的焦點，利用緩蝕劑之間的協同作用，可以減少緩蝕劑的用量且獲得較好的緩蝕效果，并解決單組份緩蝕劑難以克服的困難［6］。本文就是通過對BTA和抑霧緩蝕劑（GR－912）進行復配試驗研究［7］，利用兩者之間的協同作用，得到了兩者最佳配比及最佳使用量，不僅適用于銅材質，也適用于鐵材質，克服了單一緩蝕劑組分適用范圍窄、用量大、環(huán)境不友好等缺點，為從事化學清洗工作者和設備管道管理工作者提供了一種可靠的配方參考。

1 實驗部分

1.1 基材及其前處理

碳鋼A3Ⅰ型，試樣尺寸為50mm×25mm×2mm，表面積為28cm2；紫銅Ⅰ型，試樣尺寸為50mm×25mm×2mm，表面積為28cm2；

硫酸（密度為1.84），丙酮（AR），乙醇（AR），北京化工廠；

緩蝕劑為抑霧緩蝕劑（GR－912）和苯駢三氮唑（BTA）復配而成，自制；

用濾紙把碳鋼A3Ⅰ型試片和紫銅Ⅰ型試片的防銹油脂擦拭干凈，然后分別在丙酮無水中用脫脂棉擦洗，置于干凈濾紙上，用濾紙吸干，置于干燥器中4h以上，稱量（精確到0.0001g），保存在干燥器中，待用。

1.2 測試條件參數

試驗采用RCC－型旋轉掛片腐蝕試驗儀（江蘇江郵）進行緩蝕劑性能研究，依據《水處理劑緩蝕性能的測定—旋轉掛片法》GB／T 18175－2000。試驗水浴溫度設定為45℃±1.0℃，旋轉軸轉速100r／min，當水浴溫度達到45℃時開始試驗計時，并開啟旋轉按鈕，試驗時間為72h，試驗結束后，取出試片進行處理，并稱量。

1.3 分析計算

采用靜態(tài)失重法評價其緩蝕性能［8］。稱量碳鋼試片和紫銅試片的初始重量和試片腐蝕后質量，分別計算出其腐蝕率和緩蝕率，計算方法如下：

腐蝕率和緩蝕率的相關計算公式如下：腐蝕率：

式（1）中：m ——待測試片損失質量，g；s——試片面積，cm2；ρ——試片密度，g／cm3；t——測試時間，h。

緩蝕率：

式（2）中：X0——空白試片的腐蝕率，mm／a；X1——待測試片的腐蝕率，mm／a。

2 結果與討論

2.1 硫酸清洗劑對鐵材質配方研究

2.1.1 硫酸清洗劑中緩蝕劑GB1對鐵材質的最佳配比

酸洗緩蝕劑GB1是采用抑霧緩蝕劑（GR－912）和苯駢三氮唑（BTA）按照一定比例復配而成的，實驗根據二者復配比例的不同對鐵和銅材質的影響來確最適宜配比。取7個燒杯，每個燒杯裝入1mol／L的硫酸溶液1L，把抑霧緩蝕劑和苯駢三氮唑按照4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4不同配比，分別加入1‰到上述7個燒杯中，按照1.2的實驗方法對碳鋼試片進行實驗，結果見表1。由表1可以看出，緩蝕劑GB1隨著GR－912加入量的減少腐蝕率逐漸升高，緩蝕率逐漸下降，結合實際工作施工情況綜合考慮，緩蝕劑GB1對鐵材質的最佳配比為2∶1。

2.1.2 硫酸清洗劑對鐵材質最佳濃度

取分析純的硫酸555mL，加入到盛有9.445L自來水的容器中，配置成10L硫酸溶液，用氫氧化鈉標定其濃度，通過自來水或硫酸來調節(jié)到溶液濃度為1mol／L（即為1M），以此為母液，分別稀釋配制成1mol／L、0.5mol／L、0.25mol／L、0.125mol／L、0.1mol／L和0.05mol／L的硫酸溶液，在該硫酸溶液中分別加入緩蝕劑GB1（配比2∶1）2‰、1‰、0.5‰、0.25‰、0.2‰、0.1‰，按照1.2的試驗條件進行試驗，緩蝕率關系曲線見圖1所示。

表1 緩蝕劑GB1對鐵材質的最佳配比

圖1 鐵的緩蝕率關系曲線

通過圖1可以看出，隨著緩蝕劑GB1加入量的增大，緩蝕效果明顯增強，緩蝕劑加入量在2‰時，緩蝕效果達到85%，從經濟角度以及清洗效果和清洗時間上進行綜合考慮，并結合實際清洗設備的情況，利用該酸洗劑對鐵材質設備進行清洗時，硫酸的濃度適宜在1mol／L，緩蝕劑加入量在2‰左右。

2.2 硫酸清洗劑對銅材質配方研究

2.2.1 硫酸清洗劑中緩蝕劑GB2對銅材質的最佳配比

按照2.1.1的試驗方法和步驟，對銅材質緩蝕劑GB2最佳配比進行實驗，結果見表2，由表2可以看出，緩蝕劑GB2隨著BTA加入量的增加腐蝕率逐漸降低，緩蝕率逐漸升高，但在配比達到1∶2之后，腐蝕率和緩蝕率隨著BTA的增加而沒有發(fā)生明顯的變化，所以，對銅材質的最佳配比應該為1∶2。

表2 緩蝕劑GB2對銅材質的最佳配比

2.2.2 硫酸清洗劑對銅材質最佳濃度

硫酸與緩蝕劑GB2對銅的腐蝕研究，試驗方法與2.1.2一樣，結果如圖2。

圖2 銅的緩蝕率關系曲線

從圖2上可以看出：在硫酸溶液中溶解氧是存在的，因此金屬銅表面的一小部分被氧化生成氧化銅或氧化亞銅使銅表面變黑（試驗結束銅片表面發(fā)黑），氧化銅或氧化亞銅與硫酸是反應的，因此，腐蝕率增大，相應，緩蝕率減小，并且減小不明顯。當硫酸濃度在1mol／L時，緩蝕率低于80%。因此，從對設備清洗的消耗時間和清洗效果上綜合考慮，利用該酸洗劑對銅材質設備進行清洗時，硫酸的濃度適宜在0.5mol／L，緩蝕劑加入量在1‰左右。

2.3 硫酸清洗劑配方的性能測試

根據以上試驗數據及分析結果，確定了硫酸清洗劑的優(yōu)化配方：硫酸清洗劑對鐵材質設備清洗時，硫酸的適宜濃度為1mol／L，緩蝕劑GB1最佳配比為2∶1，加入量在2‰左右；對銅材質設備清洗時，硫酸的適宜濃度為0.5mol／L，緩蝕劑GB2最佳配比1∶2，加入量在1‰左右。根據該配方復配硫酸清洗劑，取某賓館中央空調循環(huán)冷卻水（相當于實際應用）代替實驗室用的自來水，對鐵和銅進行48h掛片實驗研究，結果如表3所示，可以看出，無論是腐蝕形貌、腐蝕失重還是腐蝕率、緩蝕率，都呈現出較好的狀態(tài)，也證明了該配方具有較好的清洗緩蝕性能。

表3 硫酸清洗劑配方的性能測試

3 結論

（1）金屬鐵和銅材質不同，性質不同，使用硫酸作為清洗劑時，硫酸濃度控制也不一樣，對鐵材質清洗時硫酸濃度控制在1mol／L，而對銅材質清洗時硫酸濃度控制在0.5mol／L。

（2）緩蝕劑GB1是一種復配型緩蝕劑，由抑霧緩蝕劑（GR－912）和苯駢三氮唑（BTA）復配而成，對鐵材質清洗時最佳配比為2∶1，加入量控制在2‰左右。

（3）緩蝕劑GB2是一種復配型緩蝕劑，由抑霧緩蝕劑（GR－912）和苯駢三氮唑（BTA）復配而成，對銅材質清洗時最佳配比為1∶2，加入量控制在1‰左右。

（4）該硫酸清洗劑具有高效防腐、超強抑霧、安全廉價、性能穩(wěn)定、操作方便等優(yōu)點，對各種循環(huán)水設備的結垢與腐蝕都能夠進行快速、高效的清洗，值得推廣應用。

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［7］張旭光.碳鋼酸洗除銹中緩蝕抑霧劑的研究［J］.四川化工與腐蝕控制，2003，6（6）：16－17.

［8］GB／T 18175－2000.化學工業(yè)標準匯編［S］.北京：中國標準出版社，2009.