無(wú)磷緩蝕劑在中堿中硬水質(zhì)中對(duì)A3碳鋼的緩蝕性能

　　中堿度中硬度水質(zhì)是一類堿度和硬度均處于中等程度的水質(zhì)，其RSI范圍廣，從結(jié)垢到腐蝕型均有。應(yīng)用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)后，腐蝕特征基本表現(xiàn)為垢下腐蝕。我國(guó)華北區(qū)域的水體因?yàn)榻邓�量偏少屬于中堿度中硬度水質(zhì)，該地區(qū)大多數(shù)工廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)都使用這種水質(zhì)。

　　根據(jù)中堿中硬水質(zhì)的腐蝕特點(diǎn)，使用此類水質(zhì)的工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)大都采用兼具緩蝕與阻垢功效的磷系配方，以控制換熱管表面垢下腐蝕的發(fā)生。由于水質(zhì)原因，現(xiàn)場(chǎng)使用的磷系配方磷用量較高，對(duì)后續(xù)的循環(huán)水排污造成很大限制，必須經(jīng)過(guò)處理才能排放。因此開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境不造成破壞的環(huán)保型緩蝕劑，是解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)水排放問(wèn)題的有效解決手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在低磷及無(wú)磷水處理藥劑上有不少成果，如聚天冬氨酸(PASP)和聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)為主體的無(wú)磷緩蝕阻垢劑〔1, 2〕，但其主要偏向于阻垢，緩蝕性能達(dá)不到應(yīng)用要求。

　　筆者用脂肪酸和氨基羧酸鹽作原料，采用脫水縮合法酰化合成了一種酰胺型無(wú)磷緩蝕劑，具有可生物降解性、生物友好性和優(yōu)秀的緩蝕性能。通過(guò)紅外光譜對(duì)藥劑進(jìn)行表征，并在中堿度中硬度水質(zhì)條件下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)掛片失重法和電化學(xué)阻抗譜研究該酰胺類無(wú)磷緩蝕劑對(duì)A3碳鋼(Q235)的緩蝕性能。

　　1 試驗(yàn)部分

　　1.1 試驗(yàn)材料及測(cè)試介質(zhì)

　　測(cè)試材料為Q235碳鋼，其成分見(jiàn)表 1。

　　取Q235碳鋼試樣依次用丙酮、無(wú)水乙醇擦拭，冷風(fēng)吹干備用。

　　選取華北地區(qū)天津某工廠的現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)水為測(cè)試水樣，經(jīng)活性炭和精濾去除雜質(zhì)后，測(cè)定水質(zhì)情況，見(jiàn)表 2。

　　1.2 試驗(yàn)藥劑與儀器

　　藥劑：酰胺類無(wú)磷緩蝕劑(自制)，市售磷系藥劑A、低磷藥劑B、硫酸、氫氧化鈉、丙酮、無(wú)水乙醇。

　　儀器：RCC-Ⅱ型旋轉(zhuǎn)掛片儀，高郵市秦郵儀器化工有限公司;Versa STAT多通道電化學(xué)工作站，美國(guó)普林斯頓。

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　(1)旋轉(zhuǎn)掛片失重法依照中國(guó)石化總公司發(fā)布的《冷卻水分析和試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

　　(2)電化學(xué)測(cè)試采用電化學(xué)阻抗譜法(EIS)：采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，工作電極為Q235碳鋼試樣，測(cè)試面積為1 cm2。EIS測(cè)量在開(kāi)路電位下進(jìn)行，測(cè)量頻率范圍為15 kHz～10 mHz，施加幅值為5 mV的正弦擾動(dòng)。測(cè)試電極在待測(cè)液中浸泡40 min后進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試溫度恒定為25 ℃。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 紅外譜圖分析

　　合成的酰胺類無(wú)磷緩蝕劑的紅外譜圖見(jiàn)圖 1。

 圖 1 酰胺類無(wú)磷緩蝕劑的紅外光譜

　　由圖 1可知，723 cm-1附近為長(zhǎng)鏈烷基特征吸收峰;1 395、1 608 cm-1為羧酸鹽特征吸收峰;在1 631cm-1附近出現(xiàn)了O=C-N的酰胺基團(tuán)特征吸收峰;2 848、2 922 cm-1為-CH3特征吸收峰。結(jié)果表明，合成的產(chǎn)物為具有酰胺官能團(tuán)的脂肪羧酸鹽類化合物。

　　2.2 酰胺類無(wú)磷緩蝕劑對(duì)中堿中硬水的緩蝕性能

　　配制不同質(zhì)量濃度(0～100 mg/L)的酰胺類無(wú)磷緩蝕藥劑，進(jìn)行72 h旋轉(zhuǎn)掛片失重試驗(yàn)，得到無(wú)磷緩蝕藥劑的梯度質(zhì)量濃度緩蝕性能數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖 2。

 圖 2 無(wú)磷緩蝕藥劑梯度質(zhì)量濃度測(cè)試

　　從圖 2可以看出，隨著酰胺類無(wú)磷緩蝕劑的使用質(zhì)量濃度逐漸增加，碳鋼試片的腐蝕速度逐漸下降。從30 mg/L開(kāi)始，藥劑在達(dá)到緩蝕效果增長(zhǎng)的臨界闕值點(diǎn)后，繼續(xù)增加藥劑用量腐蝕速度降低緩慢。酰胺類緩蝕劑屬于吸附型緩蝕劑，分子通過(guò)極性基團(tuán)在金屬表面吸附成膜，再通過(guò)非極性基團(tuán)在外圍形成單分子層的疏水膜，隔絕水分子與金屬的接觸，達(dá)到緩蝕效果。

　　2.3 酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方研究

　　根據(jù)軟硬酸堿理論〔3〕，酰胺類無(wú)磷緩蝕劑屬于軟堿，軟堿與軟酸(即水中裸露的基體Fe)發(fā)生直接吸附，形成穩(wěn)定的單分子層，隔絕水和金屬的接觸，從而達(dá)到緩蝕目的。但在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管路表面同時(shí)存在多種價(jià)態(tài)的金屬，根據(jù)“硬親硬，軟親軟，軟硬結(jié)合不穩(wěn)定，軟硬交界就不管”的規(guī)則〔4, 5〕，要防止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生，還需要硬堿與中間堿的配合使用。

　　按照軟硬酸堿對(duì)應(yīng)規(guī)則并進(jìn)行大量正交試驗(yàn)，筆者使用酰胺化合物、多羥基化合物、多羧酸聚合物等化合物，篩選出一種在中堿中硬水質(zhì)中具有較好阻垢和緩蝕效果的酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方。

　　(1)復(fù)合配方的旋轉(zhuǎn)掛片測(cè)試研究。在中堿度中硬度水質(zhì)中，對(duì)比測(cè)試了酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方和市售常見(jiàn)磷系緩蝕劑的緩蝕性能，結(jié)果見(jiàn)圖 3。

 圖 3 酰胺類無(wú)磷緩蝕劑及市售磷系藥劑的緩蝕效果比較

　　從圖 3可以看出，通過(guò)復(fù)配增效，酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方相比單劑在緩蝕性能上有較大提高，且生效闕值降低至10 mg/L。在40 mg/L的使用量下就能夠達(dá)到石化行業(yè)腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)：A3碳鋼年腐蝕速率≤0.075 mm/a。與市售磷系藥劑進(jìn)行平行比對(duì)，酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方在中堿度中硬度水質(zhì)中的緩蝕性能能夠達(dá)到磷系配方的緩蝕性能水平，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

　　(2)復(fù)合配方的電化學(xué)測(cè)試研究。采用電化學(xué)阻抗法對(duì)酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方進(jìn)行測(cè)試，并與市售磷系藥劑商品進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)失重法(旋轉(zhuǎn)掛片法)結(jié)果選取30、50 mg/L兩個(gè)投加量進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果如圖 4所示。

 圖 4 磷系藥劑和酰胺類無(wú)磷緩蝕劑復(fù)合配方的EIS測(cè)試結(jié)果

　　通過(guò)交流阻抗譜圖對(duì)極化電阻Rp進(jìn)行比較。其中Rp越小，腐蝕速率越快。圖 4中30 mg/L投加量下2種磷系藥劑的Rp很大程度上低于無(wú)磷藥劑配方的Rp;而投加量達(dá)到50 mg/L后，3種藥劑的Rp均有較大的提高。通過(guò)比較可以看出，在30、50 mg/L這2個(gè)質(zhì)量濃度下，Rp最大的均為無(wú)磷緩蝕復(fù)合配方，這是由于其吸附膜的電阻要高于磷系藥劑的沉積膜，且完整度更高。具體參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)通過(guò)紅外譜圖驗(yàn)證所合成的無(wú)磷緩蝕劑為酰胺類脂肪族化合物。

　　(2)酰胺類無(wú)磷緩蝕劑在中堿中硬水質(zhì)體系中具有良好的緩蝕性能，與其他藥劑的協(xié)同效果好，經(jīng)復(fù)配后得到的無(wú)磷緩蝕復(fù)合配方具有更好的中堿度中硬度水質(zhì)緩蝕效果。

　　(3)在中堿中硬水質(zhì)體系中，酰胺類無(wú)磷緩蝕復(fù)合配方的緩蝕性能等同于磷系藥劑，能夠有效地替代中堿中硬水質(zhì)條件下的磷系藥劑，旋轉(zhuǎn)掛片失重法和電化學(xué)阻抗法的測(cè)試結(jié)果均驗(yàn)證了酰胺類無(wú)磷緩蝕劑的緩蝕效果。