環(huán)渤海地區(qū)是我國北方重要的工業(yè)集聚地，有著為數(shù)眾多的大型冶金、電力、石化等高耗水型企業(yè)，資源型缺水問題已成為制約其可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在工業(yè)用水中，冷卻水用量占有很高的比例，如石化行業(yè)冷卻用水占總用水量的60%以上。因此，開發(fā)新水源替代淡水用于工業(yè)冷卻水成為研究者關(guān)注的課題。每年冬季，渤海都會出現(xiàn)大面積海冰，從初冰至終冰可以保證有70 d 以上的冰期。海冰作為一種新型的非傳統(tǒng)水源，每年可采資源量至少可達(dá)400 億m3，鹽度僅為海水的20%左右，眾多研究者在海冰采集、輸送、存儲技術(shù)及可利用價值 等方面開展了大量研究工作并已取得成果。將海冰融水用于渤海沿岸工業(yè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，無疑將有效節(jié)省大量淡水，緩解水資源危機(jī)。
雖然海冰鹽分較海水降低很多，但海冰融水仍具腐蝕性，解決其對碳鋼的腐蝕問題是其作為循環(huán)冷卻水應(yīng)用的關(guān)鍵之一。本著環(huán)保的原則，開發(fā)低磷、低毒、無公害、可生物降解的緩蝕劑，已成為緩蝕劑研究者追求的共同目標(biāo)。鉬酸鹽作為一種環(huán)境友好緩蝕劑，近年來得到日益廣泛的應(yīng)用。本研究通過正交試驗(yàn)篩選、復(fù)配以鉬酸鹽為主劑的多元復(fù)合緩蝕劑，以失重法、極化曲線法研究了該鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑在海冰融水中對Q235 碳鋼的緩蝕效果，并對該配方在高濃縮倍數(shù)(2~5 倍)海冰融水中的緩蝕作用進(jìn)行了評價，分析探討了該鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑的作用機(jī)理。
1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)用水及水質(zhì)情況分析
海冰融水的水質(zhì)情況見表 1。由表 1 可知，其中主要腐蝕性離子Cl-≥1 000 mg/L、(SO4 2-+Cl-)≥ 2 500 mg/L，根據(jù)間接冷卻敞開式系統(tǒng)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 50050—2007)，二者含量均超標(biāo)。依據(jù)海冰融水水質(zhì)配制了不同濃縮倍數(shù)的海冰融水，并由此計(jì)算得出相應(yīng)的海冰融水的朗格利爾指數(shù)IL<0、雷茲納指數(shù)IR>6。表明其屬于腐蝕性水質(zhì)，且隨濃縮倍數(shù)的提高，腐蝕性減弱。
1.2 試驗(yàn)用水及水質(zhì)情況分析
1.2.1 失重法
(1)靜態(tài)全浸懸掛法。參照SY/T 5273—2000 中的試驗(yàn)方法，采用標(biāo)準(zhǔn)Q235 碳鋼掛片，尺寸為 50 mm×25 mm×2 mm，表面積為28 cm2。試片經(jīng)稱重后在試驗(yàn)介質(zhì)中浸泡72 h，試驗(yàn)溫度為50 ℃。試驗(yàn)結(jié)束后取出試片，按GB/T 18175—2000 中規(guī)定的方法處理，稱重，計(jì)算腐蝕率和緩蝕率。
(2)旋轉(zhuǎn)掛片法。參照GB/T 18175—2000 中的試驗(yàn)方法，采用Q235 碳鋼掛片，試驗(yàn)溫度為50 ℃，旋轉(zhuǎn)速度為108 r/min，試驗(yàn)周期為72 h。
1.2.2 極化曲線法
極化曲線的測試由DT-3691 恒電位儀完成，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極。研究電極為Q235 碳鋼，表面積為1 cm2，其余部分用環(huán)氧樹脂封嵌。采用恒電位法測試電極的極化曲線，掃描幅度為150 mV，掃描速率為5 mV/s，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。
2 結(jié)果與討論
2.1 鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑的篩選與復(fù)配
2.1.1 單一鉬酸鹽的緩蝕效果
鉬酸鹽作為一種環(huán)境友好緩蝕劑，對金屬具有優(yōu)良的緩蝕性能，因此首先進(jìn)行單一鉬酸鹽在海冰融水中的緩蝕性能試驗(yàn)，由靜態(tài)全浸懸掛法評價其緩蝕效果，結(jié)果如圖 1 所示。
圖 1 單一鉬酸鹽對海冰融水中的碳鋼的緩蝕效果
由圖 1 可知，當(dāng)海冰融水中鉬酸鹽質(zhì)量濃度< 30 mg/L 時，鉬酸鹽不僅起不到緩蝕作用反而會加速碳鋼的腐蝕。這是由于鉬酸鹽屬于陽極抑制型緩蝕劑，用量不足時，不能充分覆蓋陽極表面，暴露在介質(zhì)中的陽極面積小于陰極面積，會形成小陽極大陰極的腐蝕電池，從而加速了金屬的腐蝕。
隨著鉬酸鹽用量的增加，其緩蝕作用逐漸加大，但仍不理想。即使其質(zhì)量濃度達(dá)到1 000 mg/L，緩蝕率也僅為28.91%，而腐蝕率為0.143 1 mm/a，遠(yuǎn)超出 GB 50050—2007 中碳鋼腐蝕速率<0.075 mm/a 的規(guī)定。因此，不能單獨(dú)使用鉬酸鹽作為海冰融水的緩蝕劑，需要與其他種類緩蝕劑進(jìn)行復(fù)配。
2.1.2 正交試驗(yàn)法復(fù)配鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑
復(fù)合配方中除鉬酸鹽外，還選用了與鉬酸鹽緩蝕劑有協(xié)同作用的六偏磷酸鈉、硼砂、七水硫酸鋅和羥基亞乙基二膦酸(HEDP)4 種緩蝕劑，依次命名為 A、B、C、D、E。每組分濃度分為4 水平，選用L16(45)、采用靜態(tài)全浸懸掛法進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果見表 2。
由表 2 可得出，最佳復(fù)配方案為A3B1C3D4E2，在最佳復(fù)配方案下，緩蝕率達(dá)到89.86%，腐蝕率為 0.020 4 mm/a，遠(yuǎn)低于GB 50050—2007 中碳鋼腐蝕率<0.075 mm/a 的規(guī)定，緩蝕效果顯著。
從正交試驗(yàn)結(jié)果可明顯看出，復(fù)配后的緩蝕劑緩蝕作用明顯增加，同時鉬酸鹽的投加量大幅減少，最佳配方中鉬酸鹽質(zhì)量濃度僅為15 mg/L，不僅達(dá)到了單一使用鉬酸鹽無法實(shí)現(xiàn)的緩蝕效果，同時大大降低了處理成本。試驗(yàn)說明，在海冰融水中，鉬酸鹽與六偏磷酸鈉、七水硫酸鋅、硼砂、HEDP 對減緩碳鋼腐蝕有良好的協(xié)同增效作用。
2.1.3 鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑在高濃縮倍數(shù)海冰融水中的緩蝕效果
在實(shí)際運(yùn)行中，為達(dá)到節(jié)能減排和節(jié)約成本的目的，冷卻水通常會在高濃縮倍數(shù)下循環(huán)運(yùn)行，因此開發(fā)適用于高濃縮倍數(shù)冷卻水的緩蝕劑更有實(shí)際意義。為此，將上述篩選出的鉬系復(fù)合緩蝕配方分別加入到濃縮倍數(shù)為2~5 的配制海冰融水中，采用靜態(tài)全浸懸掛法檢驗(yàn)其緩蝕效果。結(jié)果見表 3。
由表 3 可知，在高濃縮倍數(shù)下的海冰融水中，該鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑對碳鋼具有優(yōu)異的緩蝕作用，緩蝕率達(dá)到89.56%~97.56%。
2.2 旋轉(zhuǎn)掛片試驗(yàn)結(jié)果
將篩選出的鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑加入到濃縮倍數(shù)為1~5 的海冰融水中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掛片試驗(yàn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)其緩蝕效果。試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。
由表 4 可知，雖然空白腐蝕率均大幅上升，但該鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑在濃縮1~5 倍的海冰融水中的緩蝕性能仍然十分優(yōu)異，緩蝕率為96.51%~99.35%;腐蝕率亦均在GB 50050—2007 規(guī)定的范圍內(nèi)，與靜態(tài)全浸懸掛試驗(yàn)的結(jié)論相符。
2.3 極化曲線
以濃縮倍數(shù)為5 的海冰融水為試驗(yàn)介質(zhì)，碳鋼在空白及投加鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑時的極化曲線如圖 2 所示。其中i 為電流密度，E 為電位。
圖 2 碳鋼在5 倍海冰融水中的極化曲線
由圖 2 可知，加入鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑后的極化曲線整體右移，即開路電位正移，說明該鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑是以抑制陽極反應(yīng)為主的陽極型緩蝕劑。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)在海冰融水中，對單一鉬酸鹽緩蝕劑，當(dāng)鉬酸鹽質(zhì)量濃度<30 mg/L 時，不僅沒有緩蝕作用，反而加速金屬腐蝕。隨著鉬酸鹽含量的增高，緩蝕效果有所增加。當(dāng)鉬酸鹽質(zhì)量濃度為1 000 mg/L 時，腐蝕率為0.143 1 mm/a，仍無法達(dá)到GB 50050—2007 中碳鋼腐蝕速率<0.075 mm/a 的規(guī)定。
(2)鉬酸鹽與六偏磷酸鈉、硼砂、七水硫酸鋅、 HEDP 在海冰融水中具有良好的協(xié)同作用，最佳緩蝕率下各組分質(zhì)量濃度分別為15 、20 、25 、44、20 mg/L。在濃縮倍數(shù)為1~5 的海冰融水中，采用靜態(tài)腐蝕法和旋轉(zhuǎn)掛片法對該配方的緩蝕性能的研究結(jié)果表明，碳鋼腐蝕率≤0.075 mm/a，符合GB 50050—2007 中的規(guī)定，緩蝕率最高達(dá)到99.35%，緩蝕效果顯著。
(3)該鉬酸鹽復(fù)合緩蝕劑為抑制陽極反應(yīng)過程的陽極型緩蝕劑。
