适用于软化水的缓蚀阻垢剂配方及效能

刘文山，路瑞玲，王秀娟，常 青

（1.甘肃蓝星清洗科技有限公司，兰州730060；2.兰州交通大学 环境与市政工程学院，兰州730070）

我国西北地区水质含盐量和硬度偏高，给工业用水带来严重的结垢问题，为此一些厂家采用软化水作循环冷却水的补充水。虽然水质软化处理可以避免结垢问题的发生，但软化水具有腐蚀性，应用于循环水系统时仍需对水质进行稳定处理，主要方法是添加缓蚀阻垢剂。目前能有效控制软化水腐蚀的缓蚀阻垢剂中以钼酸盐为主体的复合药剂最受关注［1-5］。尽管钼酸盐系缓蚀剂缓蚀性能良好，但存在用量较高、价格昂贵等问题，限制了其在工业中的应用范围。针对某公司500万吨工作循环系统的软化水，筛选出一种不含钼酸盐及致癌的亚硝酸盐等有毒有害成分的复合药剂，以期有效地控制钠离子交换树脂处理的软化水腐蚀问题。

1 试验

1.1 水质状况

该冶炼炉循环水系统采用钠离子交换树脂软化水作为补水，共有两套系统，分别为新线系统和旧线系统，各系统补充水的水质及相应雷兹纳稳定指数RSI［6］见表1。

由表1可见，RSI＞6，可以判定新旧线软化水均为腐蚀性水，而且水中氯离子含量较高，水的硬度较低，会使腐蚀倾向更加严重。

1.2 缓蚀阻垢剂配方的筛选

软化水腐蚀主要是由溶解氧引起的［7］，加之该公司软化水中氯离子含量较高，会加重腐蚀［8］。因此缓蚀阻垢剂不仅需要减缓溶解氧引起的腐蚀，还要能减缓氯离子引起的点蚀问题。根据单剂的缓蚀性能、各单剂之间的配伍性能及稳锌的要求，优选了有机膦羧酸、磺酸盐类共聚物、有机膦酸酯、锌盐、唑类等，按不同的组分和比例组成了一系列水处理药剂LXZH-9221，LXZH-9222，LXZH-9261，LXZH-1481等，并根据其缓蚀阻垢效果进行筛选。

表1 补充水水质

1.3 缓蚀及阻垢试验

缓蚀试验的试片材质为Q235碳钢，尺寸50mm×25mm×2mm。将试片用金相砂纸打磨，并用滤纸将其上的防锈油脂擦拭干净，再分别用脱脂棉在丙酮和无水乙醇中擦洗，然后用滤纸吸干，置于干燥器中干燥4h以上，称量（精确至0.2mg），置于RCC-Ⅰ型旋转腐蚀挂片试验仪（江苏省江都市建华仪器仪表厂）中，以失重法测定试片腐蚀速率［9］，时间72h，温度40℃。

阻垢试验采用静态法［10］，将软化水样置于500mL的锥形瓶中，用恒温水浴锅加热至80℃，保持时间10h，在不同的浓缩倍数下测定阻垢率。

1.4 样品表征

用日本电子光学公司生产的JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜观察试片形貌；用美国物理电子公司生产的PHI-5702型多功能电子能谱仪（XPS）测定试片表面的相对元素组成。

2 结果与讨论

2.1 缓蚀与阻垢效果

根据已有经验将投加浓度设为80mg·L-1，在此浓度下比较不同配方药剂的缓蚀效果。添加不同配方药剂的试片及空白试片的腐蚀速率见表2。

由表2可见，空白腐蚀严重，严重超出国标GB 50050-2007《工业循环冷却水处理设计规范》的要求（碳钢设备传热面水侧腐蚀速率应小于0.075mm·a-1），需要投加药剂控制腐蚀。此外，在上述几种药剂中，当浓度为80mg·L-1时既能控制住新线软化水腐蚀又能控制住旧线软化水腐蚀的药剂为LXZH-1481。

以LXZH-1481为最佳配方药剂，分别研究其在不同的投加量下对新旧线软化水的缓蚀效果，测得的腐蚀速率见图1。由图1可见，在相同投加量下，LXZH-1481对旧线软化水的缓蚀效果比对新线线软化水的强，这是因为在旧线软化水中存在一定量的Ca2＋，而新线软化水中Ca2＋较少，Ca2＋的存在有利于膦酸钙沉淀膜的形成，对金属起到了更好的的保护作用。此外，随着药剂浓度的增加，腐蚀速率迅速下降，新旧线分别在100mg·L-1和80mg·L-1时出现拐点，下降趋缓。考虑成本及缓蚀效果等各种影响因素，新线软化水投加浓度应控制在100mg·L-1以上，旧线软化水投加浓度应控制在80mg·L-1以上。

图1 LXZH-1481药剂浓度对腐蚀速率的影响

在新、旧线软化水的阻垢试验中将缓蚀阻垢剂LXZH-1481的投加量分别设定在100mg·L-1和80mg·L-1以上。结果表明，新线软化水投加100mg·L-1LXZH-1481及旧线软化水投加80mg·L-1LXZH-1481，浓缩倍数保持为4时，对碳酸钙的阻垢率均已达100%，无须再提高投加量，说明LXZH-1481不仅有良好的缓蚀作用，也具有高效的阻垢效能。

2.2 扫描电镜观察

图2是试片在LXZH-1481药剂投加前后在旧线软化水中的表面形貌。由图2可见，空白试片的表面粗糙、凹凸不平，腐蚀程度严重，锈层分布不连续，沿着锈层出现腐蚀沟槽花样痕迹，局部有孔蚀；添加80mg·L-1LXZH-1481后，试片表面基本平整，显得比较光滑，腐蚀很轻微，加工时的划痕仍然可见。试片在新线软化水中的电镜表征与此相似。

2.3 XPS分析

图3是试片在LXZH-1481添加前后的XPS分析图谱。其分析结果见表3。试片在新线软化水中的XPS表征与此相似。

图3 碳钢试片表面在投加LXZH-1481前后的XPS表征

表3 碳钢试片添加LXZH-1481前后表面元素含量

结果表明，未投加缓蚀剂的试片表层有碳、钠、氧、硅，其中Na＋是由钠离子交换树脂软化处理过程中引入，但未发现铁。投加缓蚀阻垢剂后试片表面增加了钙、磷、铁，与未添加缓蚀阻垢剂的试片相比，氧含量大大增加，钠含量下降，硅消失。由此推断，未投加缓蚀阻垢剂时，试片表面的铁发生阳极溶解，几乎消耗殆尽，造成严重腐蚀。添加缓蚀阻垢剂后，其中的有机膦酸盐与水中的钙离子螯合，在试片表面形成了沉淀型膜，保护了碳钢试片，因而检测到表面有铁和钙，及来自药剂的磷和氧。缓蚀阻垢剂中的锌盐能与有机膦酸盐发挥协同作用，并在材质表面形成沉淀型膜。但试片表面并未检出锌元素的存在，这可能是由于本配方中锌盐的相对含量较低，因而投加缓蚀阻垢剂后的软化水中锌元素含量较低，据估算仅有1.9mg·L-1，超出仪器的检出限（0.01%），所以在膜层中未检测出锌元素的存在。

3 结论

（1）缓蚀阻垢剂LXZH-1481对于钠离子交换树脂处理的软化水具有较好的缓蚀和阻垢效果，新线软化水投加浓度控制在100mg·L-1以上，旧线软化水投加浓度控制在80mg·L-1以上。

（2）缓蚀阻垢剂LXZH-1481不含钼酸盐等昂贵物质，也不含亚硝酸盐等致癌物质，成本适中，效果较好。

（3）通过扫描电镜及XPS表征发现，缓蚀阻垢剂LXZH-1481在碳钢试片表面形成了沉淀型膜，有效地保护了碳钢材质。

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［3］龚浩，马仁川.钼系缓蚀剂的缓蚀作用与机理［J］.腐蚀与防护，1996，17（1）：41-44.

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［8］曲秀华，徐淳淳，吕国诚，等.低硬度循环冷却水中Cl-，SO42-及水处理剂对304不锈钢腐蚀行为的影响［J］.中国腐蚀与防护学报，2009，29（3）：187-190.

［9］GB／T 18175-2000水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法［S］.

［10］GB／T 16632-2008水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法［S］.