碳鋼電極在Al2O3納米流體中的腐蝕行為研究

周宏旺, 葛紅花, 袁　群, 孟新靜, 趙玉增, 廖強(qiáng)強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上?！?00090)

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碳鋼電極在Al2O3納米流體中的腐蝕行為研究

周宏旺, 葛紅花, 袁群, 孟新靜, 趙玉增, 廖強(qiáng)強(qiáng)

(上海電力學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院, 上海200090)

采用電化學(xué)阻抗譜和極化曲線研究了碳鋼電極在以模擬冷卻水為基液的Al2O3納米流體中的腐蝕行為.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Al2O3納米顆粒對(duì)碳鋼的腐蝕有一定的抑制作用;Al2O3納米流體中碳鋼電極的耐蝕性能隨著溫度的升高而降低,添加分散劑十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)對(duì)碳鋼也有一定的緩蝕作用,當(dāng)SDBS的用量超過(guò)一定值時(shí),對(duì)碳鋼的緩蝕性能開(kāi)始下降.

Al2O3納米流體; 碳鋼; 十二烷基苯磺酸鈉; 腐蝕; 電化學(xué)阻抗譜

在液體介質(zhì)中以一定的方式和比例添加納米級(jí)的金屬或非金屬粒子可以形成一類新型傳熱工質(zhì)——納米流體,納米流體的概念由美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的EASTMAN J A等人[1]于1995年率先提出,隨后20年來(lái)成為熱能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一.納米流體在加強(qiáng)傳熱方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值,EASTMAN J A等人[2]對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的研究表明,用按小于5%的體積比將納米氧化銅加入水中,與水相比,這樣的氧化銅納米流體的導(dǎo)熱性能比原來(lái)高了60%以上.另外,如果在一種冷卻系統(tǒng)中使得換熱量變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍,則泵的功率就需要變?yōu)樵泄β实?2倍.但如果應(yīng)用導(dǎo)熱系數(shù)較高的納米流體,則泵的功率與原有相比會(huì)減小一個(gè)數(shù)量級(jí),可使能耗得以降低[3].納米流體因其在提高流體換熱效率、減小壁面摩擦阻力、改進(jìn)光學(xué)性能等方面具有顯著的效果而受到人們的廣泛關(guān)注.

近年來(lái),人們開(kāi)始關(guān)注納米流體對(duì)金屬可能存在的腐蝕問(wèn)題,但不同體系的研究結(jié)果并不一致,有的體系中納米顆粒的存在抑制了金屬的腐蝕[4],而有的體系中卻促進(jìn)了金屬的腐蝕[5],而且多數(shù)研究在蒸餾水體系中進(jìn)行.

過(guò)去以去離子水或有機(jī)溶劑為基液來(lái)研究納米流體的穩(wěn)定性[6-7],然而在工業(yè)生產(chǎn)中的冷卻水系統(tǒng)中使用納米流體將有很好的應(yīng)用前景,因此如果電廠循環(huán)冷卻水采用納米流體來(lái)代替,則可以提高換熱效率,降低泵的功率,從而進(jìn)一步降低能耗.但是其對(duì)循環(huán)冷卻水管道的腐蝕情況的研究鮮有報(bào)道,因此本研究以模擬冷卻水為基液制備Al2O3納米流體來(lái)研究其對(duì)碳鋼的腐蝕.

1　實(shí)驗(yàn)部分

(1) 實(shí)驗(yàn)材料γ-Al2O3,顆粒直徑為20 nm(上海晶純生化科技股份有限公司);十二烷基苯磺酸鈉(SDBS),氯化鈉,鹽酸,氫氧化鈉等均為分析純.電極材料為20#碳鋼,電極加工將20#碳鋼加工成工作面為1 cm×1 cm 的試片,工作面背面焊上導(dǎo)線,用環(huán)氧樹(shù)脂封裝非工作面.試驗(yàn)前用0#～6#砂紙逐級(jí)打磨后,再用酒精脫脂,去離子水沖洗.

(3) 實(shí)驗(yàn)儀器采用SB-5200DTD型超聲波清洗機(jī),pHS-3J型pH計(jì),Nano-ZS90 Zeta電位儀(英國(guó)Malvern儀器有限公司),H01-1B型數(shù)顯磁力攪拌器.

(4) 電化學(xué)測(cè)試采用CHI660E電化學(xué)工作站及三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為Pt電極.電化學(xué)阻抗譜測(cè)試頻率范圍為0.01～1.0×105Hz,交流激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV,極化曲線測(cè)試掃描速度為20 mV/min.

2　結(jié)果與討論

2.1碳鋼電極在Al2O3納米流體中的腐蝕行為

2.1.1溫度和納米顆粒對(duì)碳鋼電極電化學(xué)阻抗譜的影響

首先研究納米流體及不含納米顆粒的模擬水中溫度和納米顆粒對(duì)碳鋼電極腐蝕行為的影響.圖1和圖2分別為模擬水中及Al2O3納米流體中碳鋼電極的Nyquist圖.

采用圖3的等效電路對(duì)電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)表1和表2.

圖1　　　　不同溫度下碳鋼電極在模擬冷卻水中的Nyquist圖

圖2　　　　不同溫度下碳鋼電極在Al2O3納米流體中的Nyquist圖

由表1和表2可以看出,無(wú)論是在納米流體中還是不含納米顆粒的模擬水中,30 ℃時(shí)碳鋼電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct最大,說(shuō)明該溫度下碳鋼的耐蝕性最佳.但隨著溫度的升高,碳鋼電極在兩個(gè)體系中的阻抗值逐漸降低,說(shuō)明碳鋼的耐蝕性隨著溫度的升高而降低,即升高溫度對(duì)碳鋼在這兩個(gè)體系中的腐蝕過(guò)程有促進(jìn)作用,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,溶液中的離子擴(kuò)散速度加快,破壞了OH-對(duì)碳鋼電極的保護(hù)作用,使得Cl-的遷入能力變強(qiáng),導(dǎo)致碳鋼的電化學(xué)電阻減小,腐蝕增加[9].

注:Rs—溶液電阻;Rct—電荷轉(zhuǎn)移電阻;Q1—雙電層電容;Rf,Q2—腐蝕膜層的電阻和電容.

圖3　擬合用等效電路

表2　　　　不同溫度下碳鋼電極在Al2O3納米流體中的阻抗譜擬合參數(shù)

比較表1和表2可以發(fā)現(xiàn),納米流體中碳鋼電極的阻抗值更大,說(shuō)明納米顆粒對(duì)碳鋼電極具有一定的緩蝕作用,這可能是由于Al2O3納米顆?？梢赃M(jìn)入擴(kuò)散層及在碳鋼電極表面發(fā)生沉積,提高了氧的擴(kuò)散阻力,降低了氧在碳鋼表面的吸附量,從而對(duì)碳鋼的腐蝕過(guò)程產(chǎn)生一定的抑制作用[4].

2.1.2不同體系中碳鋼電極電化學(xué)阻抗譜的對(duì)比分析

由于納米顆粒在水溶液中的分散性能差,故通常加入十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)來(lái)提高納米顆粒在溶液中的分散性[10].圖4為30 ℃時(shí)碳鋼電極在模擬水,含SDBS的模擬水,Al2O3納米流體,含SDBS的Al2O3納米流體中的Nyquist圖.采用圖3的等效電路對(duì)圖4的阻抗譜進(jìn)行擬合,結(jié)果見(jiàn)表3.

從圖4和表3可以看出,碳鋼電極在模擬水中的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct最小,說(shuō)明碳鋼電極在模擬水中腐蝕相對(duì)較嚴(yán)重;加入Al2O3或(和)SDBS的納米流體中碳鋼電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻較大,說(shuō)明碳鋼在這些體系中的腐蝕相對(duì)較輕.如納米Al2O3的加入使得碳鋼電極的Rct從模擬水中的780.9 Ω·cm2增大為905.0 Ω·cm2,說(shuō)明了納米Al2O3對(duì)碳鋼的腐蝕有一定的抑制作用.這可能是由于Al2O3納米顆粒的表面積比較大,同時(shí)其顆粒較小,因此Al2O3納米顆粒可能會(huì)懸浮在流體中,并進(jìn)入擴(kuò)散層;Al2O3納米顆?？膳c擴(kuò)散層中的氧氣碰撞,阻礙了氧氣分子的擴(kuò)散,從而使得碳鋼的腐蝕速率降低[4].模擬水中加入SDBS,碳鋼電極的Rct增大到2 299.0 Ω·cm2,說(shuō)明SDBS對(duì)碳鋼電極有較好的緩蝕作用.SDBS作為一種常用的表面活性劑,可以通過(guò)在金屬表面的吸附成膜,達(dá)到對(duì)金屬的緩蝕作用[11].另外,當(dāng)Al2O3納米流體中加入SDBS時(shí),碳鋼電極的Rct進(jìn)一步增大到2 322.0 Ω·cm2,說(shuō)明在SDBS和Al2O3納米顆粒的共同作用下,碳鋼電極的腐蝕過(guò)程得到了進(jìn)一步的抑制.

圖4　碳鋼電極在不同體系中的Nyquist圖

體 系RsRfRct(Ω·cm2)Q1/(μΩ-1·cm-2sn)Q2/(mΩ-1·cm-2sn)模擬水179.1648.0780.9736.7114.8模擬水+Al2O3234.2755.5905.0589.775.6模擬水+SDBS145.5449.12299.0483.02.8模擬水+Al2O3+SDBS146.5445.52322.0480.22.8

2.2分散劑SDBS對(duì)碳鋼電極的腐蝕影響

從上述分析可知,納米流體中的分散劑SDBS對(duì)碳鋼電極有較好的緩蝕作用,現(xiàn)針對(duì)不同濃度SDBS對(duì)碳鋼的緩蝕作用作進(jìn)一步研究.圖5為30 ℃時(shí)碳鋼電極在含不同濃度SDBS的Al2O3納米流體中的Nyquist圖;圖6為30 ℃時(shí)碳鋼電極在該體系中的極化曲線;通過(guò)極化曲線獲得的碳鋼電極的腐蝕電流密度見(jiàn)表4.

圖5　　　　碳鋼電極在含不同濃度SDBS的Al2O3納米流體中的Nyquist圖

圖6　　　　碳鋼電極在含不同濃度SDBS的Al2O3納米流體中的極化曲線

從圖5可以看出,加入分散劑SDBS能使碳鋼電極在Al2O3納米流體中的阻抗值變大,并且碳鋼電極的阻抗值隨著SDBS濃度的增加而增大,說(shuō)明在水基納米流體中SDBS對(duì)碳鋼具有較好的緩蝕作用.當(dāng)SDBS的質(zhì)量濃度達(dá)到0.05%時(shí),再增加SDBS濃度,阻抗值增大幅度變小;當(dāng)SDBS濃度達(dá)到0.1%時(shí),碳鋼電極的阻抗值反而有所減小,說(shuō)明當(dāng)SDBS用量超過(guò)一定值時(shí),對(duì)碳鋼的緩蝕性能開(kāi)始下降,這可能與SDBS的閾值效應(yīng)有關(guān)[12].

從圖6和表4可以看出,未加入SDBS的Al2O3納米流體中碳鋼電極的自腐蝕電流密度最大,說(shuō)明碳鋼的耐腐蝕性最差.加入SDBS后,隨著SDBS濃度的增加,碳鋼電極的自腐蝕電流密度減小,說(shuō)明碳鋼的耐腐蝕性增加,SDBS對(duì)碳鋼的緩蝕性能增強(qiáng).當(dāng)SDBS的質(zhì)量濃度達(dá)到0.1%時(shí),碳鋼電極的自腐蝕電流密度增大,說(shuō)明此濃度下SDBS對(duì)碳鋼的緩蝕性能下降.上述結(jié)論和電化學(xué)阻抗譜圖得到的結(jié)論相符.

表4　　　　碳鋼電極在含不同濃度SDBS的Al2O3納米流體中的自腐蝕電流密度　(A·cm-2)

3　結(jié)　論

(1) 納米流體中碳鋼電極的耐蝕性能隨著溫度的升高而降低.溫度升高對(duì)碳鋼電極在模擬水和納米流體中的腐蝕均有促進(jìn)作用.

(2) 納米流體中增加Al2O3納米顆粒對(duì)碳鋼電極的腐蝕有一定的抑制作用,分散劑SDBS對(duì)碳鋼能起到較好的緩蝕作用.

(3) 在Al2O3納米流體中SDBS對(duì)碳鋼的緩蝕作用隨著SDBS濃度的增加而增強(qiáng).當(dāng)SDBS用量超過(guò)一定值時(shí),對(duì)碳鋼的緩蝕性能反而會(huì)降低.

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(編輯胡小萍)

Analysis of Corrosion Behavior of Carbon Steel inAl2O3Nanofluids

ZHOU Hongwang, GE Honghua, YUAN Qun, MENG Xinjing, ZHAO Yuzeng, LIAO Qiangqiang

(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Corrosion behavior of carbon steel electrode in Al2O3nanofluids is analyzed using electrochemical impedance spectroscopy and polarization curve.The experimental results show that Al2O3nanoparticles exhibit a certain corrosion inhibition to carbon steel.The corrosion resistance of carbon steel electrode decreases with the increase of the temperature of the Al2O3nanofluids.Sodium dodecyl benzene sulfonate(SDBS),dispersant in nanofluids also appears to have corrosion inhibition to carbon steel,and the corrosion inhibition enhances when the concentration of SDBS increases.The corrosion resistance of carbon steel in Al2O3nanofluids decreases when the concentration of dispersant SDBS exceeds a certain value.

Al2O3nanofluid; carbon steel; sodium dodecyl benzene sulfonate; corrosion; electrochemical impedance spectroscopy

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.04.014

2015-09-30

簡(jiǎn)介：葛紅花(1967-),女,博士,教授,浙江義烏人.主要研究方向?yàn)榻饘俑g與防護(hù),工業(yè)冷卻水處理.E-mail:gehonghua@shiep.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金(51471104);上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(14DZ2261000,11DZ2210500);上海市教育委員會(huì)科創(chuàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(12ZZ173).

TG174.3

A

1006-4729(2016)04-0376-04