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Shenzhen bintel environmental protection equipment Co., Ltd.
海冰融水用于工业冷却水技术

环渤海地区是我国北方重要的工业集聚地,有着为数众多的大型冶金、电力、石化等高耗水型企业,资源型缺水问题已成为制约其可持续发展的重要因素。在工业用水中,冷却水用量占有很高的比例,如石化行业冷却用水占总用水量的60%以上。因此,开发新水源替代淡水用于工业冷却水成为研究者关注的课题。每年冬季,渤海都会出现大面积海冰,从初冰至终冰可以保证有70 d 以上的冰期。海冰作为一种新型的非传统水源,每年可采资源量至少可达400 亿m3,盐度仅为海水的20%左右,众多研究者在海冰采集、输送、存储技术及可利用价值 等方面开展了大量研究工作并已取得成果。将海冰融水用于渤海沿岸工业循环冷却系统,无疑将有效节省大量淡水,缓解水资源危机。

  虽然海冰盐分较海水降低很多,但海冰融水仍具腐蚀性,解决其对碳钢的腐蚀问题是其作为循环冷却水应用的关键之一。本着环保的原则,开发低磷、低毒、无公害、可生物降解的缓蚀剂,已成为缓蚀剂研究者追求的共同目标。钼酸盐作为一种环境友好缓蚀剂,近年来得到日益广泛的应用。本研究通过正交试验筛选、复配以钼酸盐为主剂的多元复合缓蚀剂,以失重法、极化曲线法研究了该钼酸盐复合缓蚀剂在海冰融水中对Q235 碳钢的缓蚀效果,并对该配方在高浓缩倍数(2~5 倍)海冰融水中的缓蚀作用进行了评价,分析探讨了该钼酸盐复合缓蚀剂的作用机理。

  1 试验部分

  1.1 试验用水及水质情况分析

  海冰融水的水质情况见表 1。由表 1 可知,其中主要腐蚀性离子Cl-≥1 000 mg/L、(SO4 2-+Cl-)≥ 2 500 mg/L,根据间接冷却敞开式系统循环冷却水的水质标准(GB 50050—2007),二者含量均超标。依据海冰融水水质配制了不同浓缩倍数的海冰融水,并由此计算得出相应的海冰融水的朗格利尔指数IL<0、雷兹纳指数IR>6。表明其属于腐蚀性水质,且随浓缩倍数的提高,腐蚀性减弱。

  1.2 试验用水及水质情况分析

  1.2.1 失重法

  (1)静态全浸悬挂法。参照SY/T 5273—2000 中的试验方法,采用标准Q235 碳钢挂片,尺寸为 50 mm×25 mm×2 mm,表面积为28 cm2。试片经称重后在试验介质中浸泡72 h,试验温度为50 ℃。试验结束后取出试片,按GB/T 18175—2000 中规定的方法处理,称重,计算腐蚀率和缓蚀率。

  (2)旋转挂片法。参照GB/T 18175—2000 中的试验方法,采用Q235 碳钢挂片,试验温度为50 ℃,旋转速度为108 r/min,试验周期为72 h。

  1.2.2 极化曲线法

  极化曲线的测试由DT-3691 恒电位仪完成,辅助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极。研究电极为Q235 碳钢,表面积为1 cm2,其余部分用环氧树脂封嵌。采用恒电位法测试电极的极化曲线,扫描幅度为150 mV,扫描速率为5 mV/s,试验在室温下进行。

  2 结果与讨论

  2.1 钼酸盐复合缓蚀剂的筛选与复配

  2.1.1 单一钼酸盐的缓蚀效果

  钼酸盐作为一种环境友好缓蚀剂,对金属具有优良的缓蚀性能,因此首先进行单一钼酸盐在海冰融水中的缓蚀性能试验,由静态全浸悬挂法评价其缓蚀效果,结果如图 1 所示。

  图 1 单一钼酸盐对海冰融水中的碳钢的缓蚀效果

  由图 1 可知,当海冰融水中钼酸盐质量浓度< 30 mg/L 时,钼酸盐不仅起不到缓蚀作用反而会加速碳钢的腐蚀。这是由于钼酸盐属于阳极抑制型缓蚀剂,用量不足时,不能充分覆盖阳极表面,暴露在介质中的阳极面积小于阴极面积,会形成小阳极大阴极的腐蚀电池,从而加速了金属的腐蚀。

  随着钼酸盐用量的增加,其缓蚀作用逐渐加大,但仍不理想。即使其质量浓度达到1 000 mg/L,缓蚀率也仅为28.91%,而腐蚀率为0.143 1 mm/a,远超出 GB 50050—2007 中碳钢腐蚀速率<0.075 mm/a 的规定。因此,不能单独使用钼酸盐作为海冰融水的缓蚀剂,需要与其他种类缓蚀剂进行复配。

  2.1.2 正交试验法复配钼酸盐复合缓蚀剂

  复合配方中除钼酸盐外,还选用了与钼酸盐缓蚀剂有协同作用的六偏磷酸钠、硼砂、七水硫酸锌和羟基亚乙基二膦酸(HEDP)4 种缓蚀剂,依次命名为 A、B、C、D、E。每组分浓度分为4 水平,选用L16(45)、采用静态全浸悬挂法进行正交试验,结果见表 2。

  由表 2 可得出,最佳复配方案为A3B1C3D4E2,在最佳复配方案下,缓蚀率达到89.86%,腐蚀率为 0.020 4 mm/a,远低于GB 50050—2007 中碳钢腐蚀率<0.075 mm/a 的规定,缓蚀效果显著。

  从正交试验结果可明显看出,复配后的缓蚀剂缓蚀作用明显增加,同时钼酸盐的投加量大幅减少,最佳配方中钼酸盐质量浓度仅为15 mg/L,不仅达到了单一使用钼酸盐无法实现的缓蚀效果,同时大大降低了处理成本。试验说明,在海冰融水中,钼酸盐与六偏磷酸钠、七水硫酸锌、硼砂、HEDP 对减缓碳钢腐蚀有良好的协同增效作用。

  2.1.3 钼酸盐复合缓蚀剂在高浓缩倍数海冰融水中的缓蚀效果

  在实际运行中,为达到节能减排和节约成本的目的,冷却水通常会在高浓缩倍数下循环运行,因此开发适用于高浓缩倍数冷却水的缓蚀剂更有实际意义。为此,将上述筛选出的钼系复合缓蚀配方分别加入到浓缩倍数为2~5 的配制海冰融水中,采用静态全浸悬挂法检验其缓蚀效果。结果见表 3。

  由表 3 可知,在高浓缩倍数下的海冰融水中,该钼酸盐复合缓蚀剂对碳钢具有优异的缓蚀作用,缓蚀率达到89.56%~97.56%。

  2.2 旋转挂片试验结果

  将筛选出的钼酸盐复合缓蚀剂加入到浓缩倍数为1~5 的海冰融水中进行旋转挂片试验,进一步检验其缓蚀效果。试验结果如表 4 所示。

  由表 4 可知,虽然空白腐蚀率均大幅上升,但该钼酸盐复合缓蚀剂在浓缩1~5 倍的海冰融水中的缓蚀性能仍然十分优异,缓蚀率为96.51%~99.35%;腐蚀率亦均在GB 50050—2007 规定的范围内,与静态全浸悬挂试验的结论相符。

  2.3 极化曲线

  以浓缩倍数为5 的海冰融水为试验介质,碳钢在空白及投加钼酸盐复合缓蚀剂时的极化曲线如图 2 所示。其中i 为电流密度,E 为电位。

  图 2 碳钢在5 倍海冰融水中的极化曲线

  由图 2 可知,加入钼酸盐复合缓蚀剂后的极化曲线整体右移,即开路电位正移,说明该钼酸盐复合缓蚀剂是以抑制阳极反应为主的阳极型缓蚀剂。

  3 结论

  (1)在海冰融水中,对单一钼酸盐缓蚀剂,当钼酸盐质量浓度<30 mg/L 时,不仅没有缓蚀作用,反而加速金属腐蚀。随着钼酸盐含量的增高,缓蚀效果有所增加。当钼酸盐质量浓度为1 000 mg/L 时,腐蚀率为0.143 1 mm/a,仍无法达到GB 50050—2007 中碳钢腐蚀速率<0.075 mm/a 的规定。

  (2)钼酸盐与六偏磷酸钠、硼砂、七水硫酸锌、 HEDP 在海冰融水中具有良好的协同作用,最佳缓蚀率下各组分质量浓度分别为15 、20 、25 、44、20 mg/L。在浓缩倍数为1~5 的海冰融水中,采用静态腐蚀法和旋转挂片法对该配方的缓蚀性能的研究结果表明,碳钢腐蚀率≤0.075 mm/a,符合GB 50050—2007 中的规定,缓蚀率最高达到99.35%,缓蚀效果显著。

  (3)该钼酸盐复合缓蚀剂为抑制阳极反应过程的阳极型缓蚀剂。


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