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    栲膠法脫硫液對(duì)Q245R材料腐蝕性研究

    2018-03-24 06:36:33薛敏華浮建軍錢福軍王保森莫友彬曹家興裴銳南
    關(guān)鍵詞:單寧酸腐蝕性緩沖液

    薛敏華 ,浮建軍 ,錢福軍 ,張 震 ,王保森 ,莫友彬 ,曹家興 *,裴銳南 *

    (1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西化工研究院,廣西 南寧 530001)

    化學(xué)工業(yè)設(shè)備、管道存在不同程度的腐蝕,嚴(yán)重影響正常和安全生產(chǎn)[1],并造成重大經(jīng)濟(jì)損失,2014年我國(guó)因腐蝕損失已超過2萬(wàn)億元[2],研究溶液對(duì)設(shè)備和管道材料的腐蝕性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。硫以各種形式廣泛分布在地殼中,如煤、石油、天然氣等,這些資源的利用過程均涉及處理硫的問題。半水煤氣、天然氣、石油、沼氣、整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)綠色煤電項(xiàng)目等領(lǐng)域常采用濕式氧化法脫除混合氣中H2S回收硫磺。栲膠法脫硫是利用堿性栲膠水溶液從氣體中脫除H2S的工藝過程,是我國(guó)特有的脫硫方法,最早由廣西化工研究院等單位成功開發(fā)[3,4],該法具有運(yùn)行費(fèi)用省、無(wú)硫磺堵塔以及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于半水煤氣、水煤氣、重油裂解以及焦?fàn)t氣脫硫[5,6]。

    目前,栲膠法脫硫液對(duì)材料的腐蝕性相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道多源于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)[7-12],如劉陽(yáng)[9]初步總結(jié)了某廠脫硫生產(chǎn)中設(shè)備和管道的腐蝕狀況;王沛林等[12-14]采用掛片法測(cè)定生產(chǎn)工況下脫硫液對(duì)設(shè)備材料的腐蝕速率??梢?,尚缺乏脫硫液組成變化對(duì)材料腐蝕性影響的全面認(rèn)識(shí);目前電化學(xué)方法常用于研究材料腐蝕性,脫硫設(shè)備和管道多采用Q245R金屬材料[15]。本文擬用電化學(xué)Tafel技術(shù),開展栲膠法脫硫液對(duì)Q245R材料腐蝕性的研究,明晰脫硫劑組分和硫副鹽對(duì)材料腐蝕性的影響及規(guī)律,為栲膠法脫硫在材料腐蝕方面提供一定的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。

    1 實(shí)驗(yàn)部分

    1.1 儀器與試劑

    自制帶夾套的玻璃反應(yīng)槽;CH1006型超級(jí)恒溫槽;磁力攪拌器;PHS2-3C型精密pH計(jì),雷磁;Pt211型鉑電極,天津艾達(dá);232型飽和KCl甘汞電極,天津艾達(dá);自制Q245R材料工作電極(工作面積0.785cm2);CHI600E型電化學(xué)工作站,上海辰華。Na2CO3、NaHCO3、NaVO3、 單 寧 酸 、Na2SO4、Na2S2O3、NaSCN等均為分析純;栲膠為工業(yè)級(jí)的氧化橡椀栲膠(簡(jiǎn)稱 TEOS)。

    1.2 溶液配制

    Na2CO3-NaHCO3緩沖液:分別稱取一定量Na2CO3、NaHCO3,用去離子水溶解,定容于容量瓶配制成pH值8.86、堿度(Na2CO3計(jì))25g/L的緩沖液。

    NaVO3溶液:分別稱不同質(zhì)量 NaVO3,用Na2CO3-NaHCO3緩沖液溶解,定容于容量瓶配制成ρ(NaVO3)為 0.1~3.0g/L的一系列待測(cè)液。

    栲膠溶液:分別稱不同質(zhì)量栲膠,用Na2CO3-NaHCO3緩沖液溶解,定容于容量瓶配制成ρ(TEOS)為0.1~5.0g/L的一系列待測(cè)液。

    栲膠法脫硫液組成:33.3g/L NaHCO3、4.0g/L Na2CO3、2.0g/L 栲膠、1.0g/L NaVO3水溶液。

    含硫副鹽栲膠法脫硫液:分別稱取一定量的Na2SO4、Na2S2O3、NaSCN,溶解于栲膠法脫硫液中,并定容于容量瓶配制成不同質(zhì)量濃度含硫副鹽的一系列待測(cè)液。

    1.3 實(shí)驗(yàn)方法

    1.3.1 工作電極的制作與預(yù)處理

    將直徑10mm、厚2mm的Q245R腐蝕試片(符合HG5-1526-83)之圓片,與銅導(dǎo)線焊接,置于PVC管中并用環(huán)氧樹脂填充密封,固化后依次用1500目、5000目砂紙和載有Al2O3拋光粉的鹿皮打磨至鏡面光亮,依次用去離子水、無(wú)水乙醇和丙酮清洗并晾干,置干燥器中待用。

    1.3.2 電化學(xué)測(cè)試

    帶夾套的五頸瓶中使待測(cè)液恒定至40℃,用232型飽和KCl甘汞電極為參比電極、Pt211型鉑電極為對(duì)電極,Q245R電極為工作電極。測(cè)試Q245R電極在脫硫液中的開路電壓E,測(cè)試時(shí)間為30min;測(cè)試 Tafel曲線,范圍 E±250mV,掃速0.5mV/s;用CHI600E型電化學(xué)工作站自帶的軟件分析Tafe曲線,得到Q245R材料在溶液中的腐蝕電位Ecorr、極化電阻Rp、腐蝕電流 Icorr、腐蝕速率 Vcorr和緩蝕率η等信息。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 栲膠法脫硫劑組分對(duì)Q245R材料腐蝕性影響

    栲膠法脫硫劑組份為栲膠和NaVO3,栲膠既是載氧劑,也是釩鹽的絡(luò)合劑[16,17]。

    2.1.1 偏釩酸鈉對(duì)Q245R材料腐蝕性影響

    測(cè)定Q245R材料在Na2CO3-NaHCO3緩沖液、NaVO3質(zhì)量濃度為0~3.0g/L時(shí)的Tafel曲線,結(jié)果如圖1所示,由Tafel曲線分析得到的腐蝕信息如表1所示。

    圖1 Q245R在不同NaVO3質(zhì)量濃度的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中Tafel曲線Fig.1 Tafel curves of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with different NaVO3concentration

    表1 Q245R在不同NaVO3質(zhì)量濃度的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中腐蝕信息Table 1 Corrosion information of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with different NaVO3concentration

    由圖1和表1可知,NaVO3質(zhì)量濃度由0~0.1g/L增大,Tafel曲線正移,腐蝕電位Ecorr值由-0.310V增至-0.279V,熱力學(xué)上表明材料發(fā)生腐蝕的傾向減小;腐蝕速率Vcorr值由2.36×10-2mm/a減至7.17×10-3mm/a,緩蝕率 η 達(dá) 69.7%;NaVO3質(zhì)量濃度由0.5~3.0g/L增大,腐蝕電位Ecorr值在-0.260V附近,熱力學(xué)上表明材料發(fā)生腐蝕的傾向變化不大,而極化電阻Rp值緩慢增大,腐蝕電流Icorr值緩慢降低, 腐蝕速率 Vcorr值由 5.40×10-3mm/a減至 4.69×10-3mm/a,緩蝕率η由77.2%緩慢增至80.1%。上述電化學(xué)研究數(shù)據(jù)的結(jié)論證實(shí)了林靖[18]的NaVO3可減緩材料腐蝕的說法、且與宋世新[7]掛片法測(cè)定的NaVO3可減輕材料腐蝕之結(jié)論是一致的。周本省[19]研究表明偏釩酸鹽是一種氧化性緩蝕劑,在堿性介質(zhì)中對(duì)鋼鐵有緩蝕作用[20,21]。因此,脫硫劑組分NaVO3對(duì)Q245R材料有緩蝕作用;脫硫生產(chǎn)中NaVO3質(zhì)量濃度通常為1~1.5g/L,則它對(duì)Q245R材料緩蝕率η約為76%。

    2.1.2 栲膠對(duì)Q245R材料腐蝕性影響

    測(cè)定Q245R材料在Na2CO3-NaHCO3緩沖液、栲膠質(zhì)量濃度為0~5.0 g/L時(shí)的Tafel曲線,結(jié)果如圖2所示,由Tafel曲線分析得到的腐蝕信息如表2所示。

    由圖2和表2可知,栲膠質(zhì)量濃度由0~5.0g/L增大,Tafel曲線負(fù)移,腐蝕電位Ecorr值由-0.311V減至-0.419V,從熱力學(xué)角度表明材料發(fā)生腐蝕的傾向變大;栲膠組份對(duì)材料的腐蝕速度Vcorr值均大于空白組的8.30×10-2mm/a,說明氧化態(tài)的栲膠組份對(duì)Q245R腐蝕性有所增加;實(shí)驗(yàn)中材料表面形成一種棕黑色膜的新相,推測(cè)是氧化態(tài)的栲膠和空氣的氧促使堿性介質(zhì)中Q245R材料表面的鐵氧化為Fe3+,F(xiàn)e3+進(jìn)一步與栲膠中單寧生成類似于單寧酸鐵(ш)絡(luò)合物的膜層物質(zhì),但其膜層疏松且易脫落,對(duì)材料腐蝕無(wú)抑制作用。

    圖2 Q245R在不同栲膠質(zhì)量濃度的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中Tafel曲線Fig.2 Tafel curves of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with different tannin extract concentration

    表2 Q245R在不同栲膠質(zhì)量濃度的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中腐蝕信息Table 2 Corrosion information of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with different tannin extract concentration

    栲膠質(zhì)量濃度由0~1.0g/L增加時(shí),極化電阻Rp值減小,腐蝕電流Icorr值增加,腐蝕速率Vcorr值變大;栲膠質(zhì)量濃度由1.0~5.0g/L增加時(shí),極化電阻Rp值變大,腐蝕電流Icorr值降低,腐蝕速率Vcorr值變小??梢姡嗄z質(zhì)量濃度為1.0g/L時(shí),材料的腐蝕速率Vcorr最大值為0.112mm/a;表明栲膠質(zhì)量濃度大于1.0g/L時(shí),栲膠對(duì)材料的腐蝕性有所降低,這與牟學(xué)春[16]的栲膠對(duì)碳鋼的緩蝕作用要求溶液中保持一定的栲膠含量觀點(diǎn)相同。此外,栲膠中的單寧對(duì)鐵有活化作用[22],其結(jié)構(gòu)上眾多的羥基與羧基中的羰基形成氫鍵,產(chǎn)生分子間的締合作用。栲膠質(zhì)量濃度增加,促進(jìn)了分子間的締合作用,從而降低單寧對(duì)材料的活化作用,表現(xiàn)為材料腐蝕速率減?。昏嗄z質(zhì)量濃度低時(shí),締合作用較小,不足以降低單寧對(duì)材料的活化作用。脫硫生產(chǎn)中栲膠質(zhì)量濃度通常為2g/L,提高其栲膠質(zhì)量濃度可稍降低脫硫液對(duì)材料的腐蝕性。

    2.1.3 NaVO3與栲膠共存對(duì)Q245R材料腐蝕性影響

    栲膠中富含單寧,可與金屬釩離子絡(luò)合,因此考察NaVO3與栲膠共存對(duì)材料的腐蝕性影響。測(cè)定Q245R材料在Na2CO3-NaHCO3緩沖液、NaVO3質(zhì)量濃度為1.0g/L、栲膠質(zhì)量濃度0~5.0 g/L時(shí)的Tafel曲線,結(jié)果如圖3所示,由Tafel曲線分析得到的腐蝕信息如表3所示。

    圖3 Q245R在NaVO3、栲膠共存的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中Tafel曲線Fig.3 Tafel curves of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with NaVO3and tannin extract

    表3 Q245R在NaVO3、栲膠共存的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中腐蝕信息Table 3 Corrosion information of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with NaVO3and tannin extract

    由圖3和表3可知,栲膠質(zhì)量濃度為0g/L、NaVO3質(zhì)量濃度由0g/L~1.0g/L增加時(shí),Tafel曲線正移,腐蝕電位Ecorr值變大,極化電阻Rp值明顯增大,腐蝕電流Icorr值降低,腐蝕速率Vcorr值由1.29×10-1mm/a顯著減至 3.76×10-2mm/a, 緩蝕率 η 達(dá)70.9%;當(dāng)NaVO3質(zhì)量濃度為1.0g/L、栲膠質(zhì)量濃度由0g/L增至5.0g/L時(shí),腐蝕電位Ecorr值在-0.340V附近變化不大,極化電阻Rp值變大,腐蝕電流Icorr值降低,腐蝕速率 Vcorr值由 3.76×10-2mm/a減至1.01×10-2mm/a,緩蝕率η由70.9%增至92.2%,這明顯大于栲膠質(zhì)量濃度為0g/L、NaVO3質(zhì)量濃度為1.0g/L時(shí)的緩蝕率η=70.9%??梢?,栲膠具有促進(jìn)NaVO3對(duì)材料緩蝕的作用,栲膠與NaVO3的協(xié)同作用使材料的緩蝕作用增強(qiáng)。劉新光[23]用栲膠和NaVO3為主要成分進(jìn)行鈍化鍍鋅件試驗(yàn),栲膠和NaVO3質(zhì)量濃度分別為10g/L和5g/L時(shí),鍍件表現(xiàn)良好的鈍化效果。脫硫生產(chǎn)中NaVO3、栲膠質(zhì)量濃度一般分別為1g/L、2g/L時(shí),實(shí)驗(yàn)測(cè)得Q245R材料的緩蝕率η為87.6%。

    2.1.4 單寧酸對(duì)Q245R材料腐蝕性影響

    用于脫硫的工業(yè)品栲膠主要成分是單寧,含量約60%~70%。以單寧酸為模擬,擬明晰栲膠中單寧對(duì)材料的腐蝕性。測(cè)定Q245R材料在Na2CO3-NaHCO3緩沖液中,單寧酸質(zhì)量濃度0~3.0g/L時(shí)的Tafel曲線,結(jié)果如圖4所示,由Tafel曲線分析得到的腐蝕信息如表4所示。

    由圖4和表4可知,單寧酸質(zhì)量濃度由0~2.5g/L增大,Tafel曲線正移,腐蝕電位Ecorr值由-0.436V增至-0.394V,從熱力學(xué)角度表明材料發(fā)生腐蝕的傾向大致變小;單寧酸對(duì)材料的腐蝕速度Vcorr值均小于空白組的1.90×10-1mm/a,說明單寧酸對(duì)Q245R腐蝕性有抑制,這與氧化態(tài)栲膠的不同,主要原因在于單寧酸為還原態(tài),它有鈍化材料表面能力而具備緩蝕作用。實(shí)驗(yàn)中材料表面形成藍(lán)黑色膜,與王濟(jì)奎[24]、李錕[25]等研究表明單寧酸在材料表面可形成藍(lán)黑色單寧酸轉(zhuǎn)化膜一致,與栲膠形成的膜層相比其結(jié)構(gòu)較致密。單寧酸是一種良好的天然緩蝕劑[26,27],孫錫三[28]等用乙醇提取栲膠中單寧酸,成功將其應(yīng)用于防銹劑中。

    圖4 Q245R在不同單寧酸質(zhì)量濃度的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中Tafel曲線Fig.4 Tafel curves of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with different tannic acid concentration

    表4 Q245R在不同質(zhì)量濃度單寧酸的Na2CO3-NaHCO3緩沖溶液中腐蝕信息Table 4 Corrosion information of Q245R in Na2CO3-NaHCO3buffer solution with different tannic acid concentration

    2.2 脫硫液中硫副鹽對(duì)Q245R材料腐蝕性的影響

    據(jù)栲膠法脫硫工業(yè)中脫硫液硫副鹽含量[29],測(cè)定Q245R材料在含硫副鹽的栲膠法脫硫液中,Na2SO4、Na2S2O3、NaSCN 質(zhì)量濃度分別在 0~100、0~300、0~200 g/L時(shí)的Tafel曲線,由Tafel曲線分析得到材料腐蝕速率隨硫副鹽質(zhì)量濃度的變化,結(jié)果分別如圖5~7 所示, 三種硫副鹽 Na2SO4、Na2S2O3、NaSCN 對(duì)Q245R材料腐蝕速率對(duì)比如圖8所示。

    由圖5可知,含硫副鹽栲膠法脫硫液中,Q245R材料的腐蝕速率Vcorr值隨Na2SO4質(zhì)量濃度增加呈階梯狀變大,Na2SO4質(zhì)量濃度在 0~20 g·L-1時(shí),腐蝕速率Vcorr值較小;在40~60g·L-1時(shí),腐蝕速率Vcorr值較大,約增大 2 倍;在 80~100g·L-1時(shí),腐蝕速率Vcorr值進(jìn)一步增大3倍左右。由圖6可知,Na2S2O3質(zhì)量濃度對(duì)Q245R材料的腐蝕速率Vcorr值影響與Na2SO4類似, 當(dāng) Na2S2O3質(zhì)量濃度在 0~80g·L-1時(shí),Q245R材料的腐蝕速率Vcorr值較小;在100~200g·L-1時(shí),Q245R材料的腐蝕速率Vcorr值約增大2倍;在200~300g·L-1時(shí),腐蝕速率Vcorr值進(jìn)一步增大3倍左右。由圖7可知,NaSCN質(zhì)量濃度在0~150g·L-1時(shí),對(duì)腐蝕速率Vcorr值影響不大;質(zhì)量濃度在150~300g·L-1時(shí),腐蝕速率Vcorr值顯著增大約10倍。由圖8可知,含硫副鹽的栲膠法脫硫液中,三種硫副鹽均可加劇材料的腐蝕,對(duì)材料腐蝕性影響由大到小依次為 NaSCN>Na2SO4>Na2S2O3。脫硫液中 Na2SO4、Na2S2O3、NaSCN 質(zhì) 量 濃 度 分 別 大 于40、80、150 g/L時(shí),材料的腐蝕速率Vcorr值顯著增大。

    圖5 Q245R腐蝕速率隨Na2SO4質(zhì)量濃度的變化Fig.5 Corrosion rate of Q245R vs Na2SO4concentration

    圖6 Q245R腐蝕速率隨Na2S2O3質(zhì)量濃度的變化Fig.6 Corrosion rate of Q245R vs Na2S2O3、concentration

    圖7 Q245R腐蝕速率隨NaSCN質(zhì)量濃度的變化Fig.7 Corrosion rate of Q245R vs NaSCN concentration

    3 結(jié)論

    在Na2CO3-NaHCO3堿介質(zhì)中,栲膠法脫硫劑組份及硫副鹽對(duì)Q245R材料腐蝕性存在影響:

    (1)組份NaVO3對(duì)材料有顯著緩蝕作用。質(zhì)量濃度為0.5g/L時(shí)材料緩蝕率η值達(dá)77.2%,隨NaVO3質(zhì)量濃度增至3.0g/L而緩蝕率η值略有增大。

    (2)呈氧化態(tài)的栲膠組份對(duì)材料表面形成棕黑色膜新相的膜層物質(zhì),其膜層疏松且易脫落,對(duì)材料腐蝕無(wú)抑制作用。栲膠質(zhì)量濃度0~1.0g/L時(shí),隨質(zhì)量濃度增大而材料的腐蝕速率Vcorr值有所增加;栲膠質(zhì)量濃度1.0~5.0g/L時(shí),隨質(zhì)量濃度增大而材料的腐蝕速率Vcorr值減小。模擬物單寧酸對(duì)材料有緩蝕效果。

    (3)栲膠與NaVO3共存時(shí),栲膠可以促進(jìn)NaVO3對(duì)材料緩蝕作用。

    (4)硫副鹽質(zhì)量濃度增大可加劇脫硫液對(duì)Q245R材料的腐蝕性,當(dāng)脫硫液中 Na2SO4、Na2S2O3、NaSCN質(zhì)量濃度分別大于40、80、150g/L時(shí),材料的腐蝕速率Vcorr值顯著增加。

    圖8 三種硫副鹽對(duì)Q245R腐蝕速率影響對(duì)比Fig.8 Comparison of three kinds of sulfur salt on corrosion rate of Q245R

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