硫酸介质中铜和铁缓蚀剂配方研究

程玉山 孙寅聪 陈燕敏 孙彩霞

（河南省科学院能源研究所，河南 郑州，450008）

近年来，BTA作为铜缓蚀剂被清洗业界广泛应用，其缓蚀机理是由于在Cu表面上生成了Cu2O／Cu（I）BTA膜，阻滞了Cu的腐蚀，而且缓蚀剂的浓度越高，生成的Cu2O／Cu（I）BTA膜越致密，抑制作用越强［1－3］。但是，BTA 的主要缺点就是有毒，使用浓度越大，毒性就越强［4］，因此，寻找使用量小、缓蚀效果好且环境友好的缓蚀剂就成了人们研究的热点，由于各种单体缓蚀剂自身存在的缺陷导致其使用受到了限制［5］，复配缓蚀剂就成了研究的焦点，利用缓蚀剂之间的协同作用，可以减少缓蚀剂的用量且获得较好的缓蚀效果，并解决单组份缓蚀剂难以克服的困难［6］。本文就是通过对BTA和抑雾缓蚀剂（GR－912）进行复配试验研究［7］，利用两者之间的协同作用，得到了两者最佳配比及最佳使用量，不仅适用于铜材质，也适用于铁材质，克服了单一缓蚀剂组分适用范围窄、用量大、环境不友好等缺点，为从事化学清洗工作者和设备管道管理工作者提供了一种可靠的配方参考。

1 实验部分

1.1 基材及其前处理

碳钢A3Ⅰ型，试样尺寸为50mm×25mm×2mm，表面积为28cm2；紫铜Ⅰ型，试样尺寸为50mm×25mm×2mm，表面积为28cm2；

硫酸（密度为1.84），丙酮（AR），乙醇（AR），北京化工厂；

缓蚀剂为抑雾缓蚀剂（GR－912）和苯骈三氮唑（BTA）复配而成，自制；

用滤纸把碳钢A3Ⅰ型试片和紫铜Ⅰ型试片的防锈油脂擦拭干净，然后分别在丙酮无水中用脱脂棉擦洗，置于干净滤纸上，用滤纸吸干，置于干燥器中4h以上，称量（精确到0.0001g），保存在干燥器中，待用。

1.2 测试条件参数

试验采用RCC－型旋转挂片腐蚀试验仪（江苏江邮）进行缓蚀剂性能研究，依据《水处理剂缓蚀性能的测定—旋转挂片法》GB／T 18175－2000。试验水浴温度设定为45℃±1.0℃，旋转轴转速100r／min，当水浴温度达到45℃时开始试验计时，并开启旋转按钮，试验时间为72h，试验结束后，取出试片进行处理，并称量。

1.3 分析计算

采用静态失重法评价其缓蚀性能［8］。称量碳钢试片和紫铜试片的初始重量和试片腐蚀后质量，分别计算出其腐蚀率和缓蚀率，计算方法如下：

腐蚀率和缓蚀率的相关计算公式如下：腐蚀率：

式（1）中：m ——待测试片损失质量，g；s——试片面积，cm2；ρ——试片密度，g／cm3；t——测试时间，h。

缓蚀率：

式（2）中：X0——空白试片的腐蚀率，mm／a；X1——待测试片的腐蚀率，mm／a。

2 结果与讨论

2.1 硫酸清洗剂对铁材质配方研究

2.1.1 硫酸清洗剂中缓蚀剂GB1对铁材质的最佳配比

酸洗缓蚀剂GB1是采用抑雾缓蚀剂（GR－912）和苯骈三氮唑（BTA）按照一定比例复配而成的，实验根据二者复配比例的不同对铁和铜材质的影响来确最适宜配比。取7个烧杯，每个烧杯装入1mol／L的硫酸溶液1L，把抑雾缓蚀剂和苯骈三氮唑按照4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4不同配比，分别加入1‰到上述7个烧杯中，按照1.2的实验方法对碳钢试片进行实验，结果见表1。由表1可以看出，缓蚀剂GB1随着GR－912加入量的减少腐蚀率逐渐升高，缓蚀率逐渐下降，结合实际工作施工情况综合考虑，缓蚀剂GB1对铁材质的最佳配比为2∶1。

2.1.2 硫酸清洗剂对铁材质最佳浓度

取分析纯的硫酸555mL，加入到盛有9.445L自来水的容器中，配置成10L硫酸溶液，用氢氧化钠标定其浓度，通过自来水或硫酸来调节到溶液浓度为1mol／L（即为1M），以此为母液，分别稀释配制成1mol／L、0.5mol／L、0.25mol／L、0.125mol／L、0.1mol／L和0.05mol／L的硫酸溶液，在该硫酸溶液中分别加入缓蚀剂GB1（配比2∶1）2‰、1‰、0.5‰、0.25‰、0.2‰、0.1‰，按照1.2的试验条件进行试验，缓蚀率关系曲线见图1所示。

表1 缓蚀剂GB1对铁材质的最佳配比

图1 铁的缓蚀率关系曲线

通过图1可以看出，随着缓蚀剂GB1加入量的增大，缓蚀效果明显增强，缓蚀剂加入量在2‰时，缓蚀效果达到85%，从经济角度以及清洗效果和清洗时间上进行综合考虑，并结合实际清洗设备的情况，利用该酸洗剂对铁材质设备进行清洗时，硫酸的浓度适宜在1mol／L，缓蚀剂加入量在2‰左右。

2.2 硫酸清洗剂对铜材质配方研究

2.2.1 硫酸清洗剂中缓蚀剂GB2对铜材质的最佳配比

按照2.1.1的试验方法和步骤，对铜材质缓蚀剂GB2最佳配比进行实验，结果见表2，由表2可以看出，缓蚀剂GB2随着BTA加入量的增加腐蚀率逐渐降低，缓蚀率逐渐升高，但在配比达到1∶2之后，腐蚀率和缓蚀率随着BTA的增加而没有发生明显的变化，所以，对铜材质的最佳配比应该为1∶2。

表2 缓蚀剂GB2对铜材质的最佳配比

2.2.2 硫酸清洗剂对铜材质最佳浓度

硫酸与缓蚀剂GB2对铜的腐蚀研究，试验方法与2.1.2一样，结果如图2。

图2 铜的缓蚀率关系曲线

从图2上可以看出：在硫酸溶液中溶解氧是存在的，因此金属铜表面的一小部分被氧化生成氧化铜或氧化亚铜使铜表面变黑（试验结束铜片表面发黑），氧化铜或氧化亚铜与硫酸是反应的，因此，腐蚀率增大，相应，缓蚀率减小，并且减小不明显。当硫酸浓度在1mol／L时，缓蚀率低于80%。因此，从对设备清洗的消耗时间和清洗效果上综合考虑，利用该酸洗剂对铜材质设备进行清洗时，硫酸的浓度适宜在0.5mol／L，缓蚀剂加入量在1‰左右。

2.3 硫酸清洗剂配方的性能测试

根据以上试验数据及分析结果，确定了硫酸清洗剂的优化配方：硫酸清洗剂对铁材质设备清洗时，硫酸的适宜浓度为1mol／L，缓蚀剂GB1最佳配比为2∶1，加入量在2‰左右；对铜材质设备清洗时，硫酸的适宜浓度为0.5mol／L，缓蚀剂GB2最佳配比1∶2，加入量在1‰左右。根据该配方复配硫酸清洗剂，取某宾馆中央空调循环冷却水（相当于实际应用）代替实验室用的自来水，对铁和铜进行48h挂片实验研究，结果如表3所示，可以看出，无论是腐蚀形貌、腐蚀失重还是腐蚀率、缓蚀率，都呈现出较好的状态，也证明了该配方具有较好的清洗缓蚀性能。

表3 硫酸清洗剂配方的性能测试

3 结论

（1）金属铁和铜材质不同，性质不同，使用硫酸作为清洗剂时，硫酸浓度控制也不一样，对铁材质清洗时硫酸浓度控制在1mol／L，而对铜材质清洗时硫酸浓度控制在0.5mol／L。

（2）缓蚀剂GB1是一种复配型缓蚀剂，由抑雾缓蚀剂（GR－912）和苯骈三氮唑（BTA）复配而成，对铁材质清洗时最佳配比为2∶1，加入量控制在2‰左右。

（3）缓蚀剂GB2是一种复配型缓蚀剂，由抑雾缓蚀剂（GR－912）和苯骈三氮唑（BTA）复配而成，对铜材质清洗时最佳配比为1∶2，加入量控制在1‰左右。

（4）该硫酸清洗剂具有高效防腐、超强抑雾、安全廉价、性能稳定、操作方便等优点，对各种循环水设备的结垢与腐蚀都能够进行快速、高效的清洗，值得推广应用。

［1］张万友，王冰，廖强强，等.BTA系列CU缓蚀剂的电化学行为［J］.腐蚀科学与防护技术，2001，13（5）：32－34.

［2］董泉玉，张强，李锐，等.国内铜缓蚀剂的最新发展现状［J］.全面腐蚀控制，2003，17（6）：19.

［3］万红敬，黄红军，胡建伟，等.三种铜缓蚀剂抗H2S腐蚀性能研究［J］.装备环境工程，2013，5：19－20.

［4］郑兴文，龚敏，邹振，等.竹叶提取液在硫酸介质中的缓蚀性能及复配研究［J］.腐蚀科学与防护技术，2009，21（5）：39－40.

［5］余强，魏昶，陈阵，等.硫酸中Q235钢缓蚀剂的电化学研究［J］.电镀与涂饰，2011，30（2）：42.

［6］王媛媛，陈善华.铜缓蚀剂的缓蚀协同效应［J］.广东化工，2009，36（2）：47－49.

［7］张旭光.碳钢酸洗除锈中缓蚀抑雾剂的研究［J］.四川化工与腐蚀控制，2003，6（6）：16－17.

［8］GB／T 18175－2000.化学工业标准汇编［S］.北京：中国标准出版社，2009.