20鋼在含甲醇污水中的緩蝕劑選擇及其緩蝕性能

陳 為,段國(guó)強(qiáng),吳風(fēng)嶺,袁 亮,周永璋

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,南京 210009; 2. 中航新航集團(tuán)平原航空設(shè)備有限公司 熱表分廠,新鄉(xiāng) 453019)

20鋼在含甲醇污水中的緩蝕劑選擇及其緩蝕性能

陳 為1,段國(guó)強(qiáng)2,吳風(fēng)嶺2,袁 亮1,周永璋1

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,南京 210009; 2. 中航新航集團(tuán)平原航空設(shè)備有限公司 熱表分廠,新鄉(xiāng) 453019)

為了減緩甲醇回收系統(tǒng)的腐蝕，通過失重法對(duì)20鋼在含甲醇模擬污水中的緩蝕劑進(jìn)行了篩選及優(yōu)化，并通過極化曲線法研究了緩蝕劑的緩蝕性能；通過能譜(EDS)分析和阻垢性能試驗(yàn)研究了緩蝕劑的阻垢性能。結(jié)果表明：聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和ZnCl2以質(zhì)量比2∶1∶2復(fù)配，且該復(fù)合緩蝕劑用量為90 mg/L時(shí)，緩蝕性能最好，緩蝕率達(dá)到95.47%；該復(fù)合緩蝕劑是抑制電極陽極反應(yīng)為主的混合型緩蝕劑；含磷緩蝕劑在20鋼表面形成膜從而有效地阻擋了腐蝕介質(zhì)對(duì)基體的腐蝕，且該復(fù)合緩蝕劑具有較好的阻垢作用，阻垢率達(dá)83.33%.

含甲醇污水;緩蝕劑;緩蝕性能;緩蝕率;阻垢率

近年來在天然氣采氣時(shí)往往需要向井內(nèi)注入甲醇，因此采出水中存在甲醇，需在后期進(jìn)行回收。由于大牛地氣田含甲醇污水礦化度高，造成甲醇回收系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕嚴(yán)重。緩蝕劑作為一種經(jīng)濟(jì)有效的防腐阻垢手段可以應(yīng)用在甲醇回收系統(tǒng)中。徐士祺等[1]對(duì)華北石油局含甲醇污水進(jìn)行了試驗(yàn)，當(dāng)投加100 mg/L IMC-50緩蝕劑時(shí)，緩蝕率可達(dá)到89.5%；王宏等[2]選定的緩蝕劑中主要是有機(jī)羧酸、共聚物、唑類等，當(dāng)其投入300 mg/L，緩蝕率為76.1%?？紤]到大牛地氣田含甲醇污水具有高鈣、高礦化度，結(jié)垢和腐蝕都嚴(yán)重，且結(jié)垢主要是碳酸鈣垢的特點(diǎn)，選用在工業(yè)循環(huán)冷卻水中阻碳酸鈣垢較好的水處理劑單體為研究對(duì)象，進(jìn)行復(fù)配，考察其緩蝕性能，以期尋找到既具有較好的緩蝕性能又具有較佳阻垢性能的緩蝕劑。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)儀器：旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕試驗(yàn)儀、電子分析天平(精確到0.000 1 g)。緩蝕劑：氯化鋅、三聚磷酸鈉均為分析純；有機(jī)磷A、PBTCA(2-磷酸基-1，2，4-三羧酸丁烷)、ATMP(氨基三亞甲基膦酸)、HPMA(水解聚馬來酸酐)均為工業(yè)品。試樣：20鋼標(biāo)準(zhǔn)試片(50 mm×25 mm×2 mm，表面積為28 cm2)。

腐蝕介質(zhì)為根據(jù)對(duì)大牛地氣田含甲醇污水配制的模擬污水(pH為6.15，甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)，其離子含量見表1。

表1 模擬污水的離子含量

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 緩蝕劑的篩選

將單組份的緩蝕劑按50 mg/L加入模擬污水中對(duì)20鋼進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，篩選出緩蝕率高的緩蝕劑進(jìn)行復(fù)配，確定最佳緩蝕劑配方及添加量。

將20鋼試片用180號(hào)、320號(hào)、600號(hào)砂紙逐級(jí)打磨后用無水乙醇和丙酮擦洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干，放入干燥器干燥后放在分析天平上稱量。然后，將20鋼試片(一組3片)分別掛在未加緩蝕劑和加了緩蝕劑的腐蝕介質(zhì)(溫度90 ℃)中，以0.942 m/s的速率旋轉(zhuǎn)10 h后取出試片，先后用自來水沖洗、酸洗液(1.17 mol/L 鹽酸+0.5%烏洛托品)擦拭，再用60 g/L氫氧化鈉溶液沖洗，最后用含無水乙醇的棉球擦拭，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干后放入干燥器干燥。按式(1)計(jì)算腐蝕速率。

(1)

式中：v為20鋼的腐蝕速率，mm/a；m1，m2分別為腐蝕前后20鋼試片的質(zhì)量，g；S為試片表面積，cm2;t為腐蝕時(shí)間，h。

按式(2)計(jì)算緩蝕率。

(2)

式中：η為緩蝕率，%；v0為試樣在未添加緩蝕劑的腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率，mm/a；v1為試樣在加入緩蝕劑的腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率，mm/a。

1.2.2 極化曲線測(cè)試

極化曲線測(cè)試在CHI660A型電化學(xué)工作站上進(jìn)行[3]，采用三電極體系：工作電極為柱狀20鋼(工作面積為1 cm2，非工作面用環(huán)氧樹脂密封)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極。電解液為配制的模擬污水，測(cè)試溫度為室溫，待開路電位穩(wěn)定后，以0.001 V/s的掃描速率進(jìn)行掃描，掃描范圍為-1.0～0.4 V(相對(duì)于參比電極)。觀察試片腐蝕后的宏觀形貌，并對(duì)其表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜(EDS)分析。

1.2.3 阻垢性能試驗(yàn)

取300 mL添加緩蝕阻垢劑(最佳配方及添加量)的模擬污水與未添加緩蝕劑的模擬污水，分別置于兩個(gè)500 mL錐形瓶中，放入90 ℃的恒溫水浴中恒溫4 h(因?yàn)槲鬯谘b置中的停留時(shí)間不超過4 h)，然后取出冷卻至室溫，用濾紙過濾，按照GB7476-1987標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì) 鈣的測(cè)定 EDTA滴定法》 測(cè)定過濾液中鈣離子的含量。阻垢率按照SY/T 5673-1993標(biāo)準(zhǔn)《油田用緩蝕阻垢劑的性能評(píng)價(jià)方法》中的公式計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩蝕劑的篩選

2.1.1 單組分緩蝕劑篩選

選用阻碳酸鈣垢較好的水處理劑單體[4]和鋅鹽，進(jìn)行動(dòng)態(tài)掛片試驗(yàn)，緩蝕劑添加量為50 mg/L，結(jié)果如表2所示。

由表2可看出，三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和氯化鋅在試驗(yàn)條件下具有相對(duì)較好的緩蝕性能。

2.1.2 復(fù)合緩蝕劑配比的確定

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果確定以三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和氯化鋅等3種緩蝕劑為基礎(chǔ)進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)。考慮到大牛地氣田含甲醇污水的結(jié)垢條件較惡劣，因此提高緩蝕劑添加總量，初定為80 mg/L。為確保緩蝕劑具有較好的阻碳酸鈣垢的性能，將阻碳酸鈣垢性能最好的有機(jī)膦A的質(zhì)量濃度初定為16 mg/L，然后改變另外兩種緩蝕劑的配比,考察其對(duì)緩蝕劑緩蝕性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A與氯化鋅按不同比例復(fù)配后復(fù)合緩蝕劑的緩蝕性能

從表3可以看出：三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和ZnCl2以質(zhì)量比2∶1∶2時(shí)復(fù)配，緩蝕效果最好，緩蝕率達(dá)到91.69%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)合緩蝕劑比單體緩蝕劑緩蝕效果好，三聚磷酸鈉、有機(jī)磷A、氯化鋅之間具有緩蝕協(xié)同作用。有機(jī)膦A分子結(jié)構(gòu)中含有磷?；?PO(OH)2，與20鋼表面的二價(jià)離子有很好的螯合作用，可生成難溶性螯合物并沉積于碳鋼表面形成保護(hù)膜，對(duì)20鋼具有緩蝕作用[5]；鋅離子與有機(jī)膦酸鹽及聚合物等復(fù)配使用后，可增強(qiáng)鋅離子的穩(wěn)定性，加速有機(jī)膦類緩蝕劑成膜的作用，并保持緩蝕劑形成的膜的耐久性；此外，有機(jī)膦和聚合物具有高效的分散性，因此與鋅鹽復(fù)配能產(chǎn)生很好的緩蝕效果[6]。

2.1.3 復(fù)合緩蝕劑用量的確定

保持上述試驗(yàn)中得到最佳配比(三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和ZnCl2質(zhì)量比2∶1∶2)不變，改變復(fù)合緩蝕劑用量，研究復(fù)合緩蝕劑用量對(duì)其緩蝕效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可看出：在三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和ZnCl2質(zhì)量比2∶1∶2不變的情況下，隨著復(fù)合緩蝕劑用量逐漸增加，緩蝕劑的緩蝕率逐漸升高，復(fù)合緩蝕劑用量為90 mg/L時(shí)，緩蝕率最大，達(dá)95.47%;但當(dāng)復(fù)合緩蝕劑用量大于90 mg/L時(shí)，其緩蝕效果有所下降。這主要是因?yàn)殡S著復(fù)合緩蝕劑用量的增加，金屬表面形成致密的膜，緩蝕效果變好，緩蝕率逐漸升高；但是在自然腐蝕狀態(tài)，當(dāng)復(fù)合緩蝕劑用量增大到某一程度時(shí)會(huì)發(fā)生緩蝕劑陽極脫附，導(dǎo)致其緩蝕率非但不上升反而下降，從而出現(xiàn)一個(gè)極值現(xiàn)象[7]，所以當(dāng)復(fù)合緩蝕劑用量大于90 mg/L時(shí)，其緩蝕效果有所下降。

圖1 復(fù)合緩蝕劑用量對(duì)緩蝕率的影響Fig. 1 Effect of addition amount of compound corrosion inhibitor

2.2 極化曲線

在模擬污水中以最佳復(fù)配比(三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和ZnCl2配比2∶1∶2)和最佳用量(90 mg/L)添加復(fù)合緩蝕劑，比較了20鋼在添加了與未添加復(fù)合緩蝕劑模擬污水中的極化曲線，結(jié)果如圖2所示。

圖2 20鋼在添加與未添加復(fù)合緩蝕劑模擬污水中的極化曲線Fig. 2 Polarization curves of 20 steel in simulated wastewater with and without compound corrosion inhibitor

從圖2中可以看出：復(fù)合緩蝕劑的加入使極化曲線的陰、陽極強(qiáng)極化區(qū)明顯左移，說明加入復(fù)合緩蝕劑形成的保護(hù)層大大減小了電極表面微陰極與陽極的有效面積；且陰、陽極的塔菲爾斜率均有增加，尤其是陽極的塔菲爾斜率增加更為明顯，這說明該復(fù)合緩蝕劑可同時(shí)抑制陰、陽極反應(yīng)過程，是混合型緩蝕劑。

從圖3可看出，未添加緩蝕劑的試片表面不平整，腐蝕嚴(yán)重，而添加了復(fù)合緩蝕劑的試片表面平整光亮并有淺藍(lán)色的膜。這說明該復(fù)合緩蝕劑具有明顯的緩蝕效果。

從圖4可看出，在添加復(fù)合緩蝕劑的條件下，試片的腐蝕產(chǎn)物中含有磷，這說明含磷緩蝕劑在試片表面形成膜，從而有效地阻擋了腐蝕介質(zhì)對(duì)基體的腐蝕。

(a) 未添加緩蝕劑

(b) 添加復(fù)合緩蝕劑圖3 20鋼在添加與未添加復(fù)合緩蝕劑模擬污水中的腐蝕表面形貌Fig. 3 Corrosion morphology of the surface of 20 steel in simulated wastewater without (a) and with (b) compound corrosion inhibitor

(a) 未添加緩蝕劑

(b) 添加復(fù)合緩蝕劑圖4 20鋼在添加與未添加復(fù)合緩蝕劑模擬污水中腐蝕產(chǎn)物的EDS譜Fig. 4 EDS spectra of corrosion products on 20 steel in simulated wastewater without (a) and with (b) compound corrosion inhibitor

2.3 阻垢性能

由表4可看出：該復(fù)合緩蝕劑具有較好的阻垢作用，阻垢率為83.33%。從圖4中也可看出，在未添加復(fù)合緩蝕劑的條件下，EDS譜中出現(xiàn)了鈣的極強(qiáng)峰，而在添加復(fù)合緩蝕劑的條件下，EDS譜圖出現(xiàn)了鈣的極弱峰，這說明該復(fù)合緩蝕劑有效地阻擋了垢在試片表面上沉積。

表4 不同條件下阻垢性能試驗(yàn)的結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 在緩蝕劑單品種篩選試驗(yàn)中，三聚磷酸鈉、有機(jī)磷A與氯化鋅緩蝕效果較好。三聚磷酸鈉、有機(jī)膦A和ZnCl2以質(zhì)量比2∶1∶2復(fù)配，且復(fù)合緩蝕劑用量為90 mg/L時(shí)，緩蝕效果最好，緩蝕率達(dá)到95.47%。

(2) 復(fù)合緩蝕劑的加入使極化曲線的陰、陽極強(qiáng)極化區(qū)明顯左移，該復(fù)合緩蝕劑可同時(shí)抑制陰、陽極電極反應(yīng)過程，是混合型緩蝕劑。

(3) 含磷緩蝕劑在20鋼表面形成膜從而有效地阻擋了腐蝕介質(zhì)對(duì)基體的腐蝕，且該復(fù)合緩蝕劑具有較好的阻垢作用，阻垢率達(dá)83.33%。

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Selection of Corrosion Inhibitors and Their Corrosion Inhibition for 20 Steel in Wastewater Containing Methanol

CHEN Wei1, DUAN Guoqiang2, WU Fengling2, YUAN Liang1, ZHOU Yongzhang1

(1. College of Environment, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China; 2. Heat Meter Factory, AVIC Xinhang Pingyuan Aeronautical Equipment Co., Ltd., Xinxiang 453019, China)

Corrosion inhibitors of 20 steel in the simulated wastewater containing methanol were selected and optimized by weight loss method in order to slow down the corrosion rate of methanol recycle system, and their corrosion inhibition was studied by polarization curve method. The scale inhibition was investigated through energy dispersive spectroscopy (EDS) and scale inhibition testing. The results show that when the mass ratio of sodium tripolyphosphate to organic phosphorus A and to zinc chloride was 2∶1∶2, and the adding amount of compound corrosion inhibitor was 90 mg/L, the compound corrosion inhibitor showed the best inhibition with inhibition efficiency of 95.47%. The compound inhibitor was a mixed inhibitor which inhibited anodic reaction mainly. A protective film was formed on the surface of 20 steel from inhibitors containing phosphorus and resisted corrosive medium to corrode the substrate. The compound inhibitor also presented good scale inhibition, whose scale inhibition efficiency was 83.33%.

methanol wastewater; corrosion inhibitor; inhibition property; corrosion inhibition efficiency; scale inhibition efficiency

10.11973/fsyfh-201706004

2015-12-16

周永璋(1964-)，教授，博士，從事金屬腐蝕與防護(hù)研究，13905170164，zhouyongzhang@126.com

TG174

A

1005-748X(2017)06-0425-04