新型高效环保非磷阻垢缓蚀剂性能研究

李升军，楚飞虎，吴晓雄

（爱环吴世（苏州）环保股份有限公司，江苏 苏州 215011）

在工业用循环水领域，非环保型的磷系阻垢缓蚀剂应用普遍[1-3]。 这类药剂对水体自身无毒性、价位低廉且具有非常好的阻垢缓蚀性能，当前乃至今后一段时期还是会被大量应用[4]。 然而这类药剂排入水体后，容易导致水体富营养化，严重污染水源，而国家的环保要求越来越高[5]。 因此，高效环保型无磷阻垢缓蚀剂开发越来越受到重视。

研究表明，将单一的阻垢剂和缓蚀剂进行复配可以起到良好的阻垢缓蚀效果。 本文开发的高效环保型无磷阻垢缓蚀剂，对钙垢分散阻垢性能优异，对A3 碳钢缓蚀性能良好，适用于不同的循环水系统，符合国家节能环保的要求，有助于提高工业循环水的利用率，市场前景广阔。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

新型高效环保非磷阻垢缓蚀剂NP，40%（质量分数），自制；羟基乙叉二膦酸（HEDP），60%（质量分数），分析纯，阿拉丁试剂有限公司；2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸（AMPS），98%（质量分数），分析纯，阿拉丁试剂有限公司。

SHJ-6A 数显恒温水浴锅，常州迅生仪器有限公司；UV754N 分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司；旋转挂片腐蚀仪，自制；A3 碳钢试片（50 mm×25 mm×2 mm）、黄铜试片（50 mm×25 mm×2 mm）、铝试片（50 mm×25 mm×2 mm），扬州市祥玮机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 阻垢性能评价

实验采用碳酸钙沉积法，配制不同药剂浓度进行阻碳酸钙垢实验，然后在不同温度下进行药剂的阻碳酸钙垢实验，分别考察药剂浓度及温度对阻碳酸钙垢性能的影响[6]。

1.2.2 分散性能评价

采用分散氧化铁性能评价- 透光率法，配制不同的药剂浓度，测定其透光率，评价药剂的分散性能[7]，原理：加入不同阻垢剂后通过测定上层溶液的透光率来确定不同阻垢剂的分散性能。 如果上层溶液的分散性能差，氧化铁就会沉淀，溶液透光率就大；反之，如果溶液透光率小，说明阻垢剂的分散性能好。

1.2.3 缓蚀性能评价

实验采用旋转挂片法，配制不同药剂浓度进行不同金属的挂片腐蚀实验[8]。同时选定A3 碳钢在不同温度条件下评价药剂的缓蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 不同质量浓度对阻碳酸钙垢性能的影响

采用碳酸钙沉积法，对NP、HEDP 和AMPS 在质量浓度分别为5、10、15、20、25、30、35 和40 mg/L时对碳酸钙垢的阻垢性能进行评价，阻垢率如图1所示。总硬度为600 mg/L（以碳酸钙计，即钙离子质量浓度为240 mg/L，下同），水浴温度为80 ℃，时间为10 h。

图1 不同药剂在不同质量浓度下的阻垢率

由图1 知，NP、HEDP 和AMPS 对碳酸钙垢均有阻垢效果，NP 的阻垢效果明显优于HEDP 和AMPS，不同质量浓度下对碳酸钙垢的平均阻垢率高30%左右；同时随着质量浓度的增大，阻垢率趋缓，说明药剂对碳酸钙垢的阻垢性能有一定的溶限效应。 由于NP 药剂分子结构中同时含有酰胺键和羧基键，溶于水后发生强烈电离，生成带有负电荷的长分子链，可与Ca2+形成易溶于水的螯合物，极大地增加了无机盐的溶解度；同时，聚羧酸结构的溶化作用使无机盐的晶核与聚羧酸结构离子碰撞，发生物理或化学吸附，呈现明显的分散状态，NP 药剂对碳酸钙垢的阻垢效果优异。

2.2 温度对阻碳酸钙垢性能的影响

采用碳酸钙沉积法，在温度为30、40、50、60、70、80 和90 ℃条件下对阻碳酸钙垢性能进行评价，阻垢率如图2 所示。 总硬度为600 mg/L，药剂质量浓度为20 mg/L，时间为10 h。

图2 不同药剂在不同温度下的阻垢率

由图2 知，随着温度的升高，NP、HEDP 和AMPS对碳酸钙垢的阻垢率均降低，NP 降低幅度优于HEDP 和AMPS；同时，当温度＞80 ℃时，阻垢率均大幅下降。 由于NP 为复配药剂，配方间的阻垢协同作用，耐高温能力强，在温度＜80 ℃时，阻垢性能优异；温度＞80 ℃时，复配药剂吸附于碳酸钙晶核表面的能力下降，导致碳酸钙的生成速率加快，同时温度升高，聚羧酸结构可能发生变化，其螯合能力下降，进而阻垢性能急剧下降，但相比HEDP 和AMPS 仍有明显的阻垢性能优势。

2.3 不同药剂分散性能评价

按5、10、15、20、25、30、35 和40 mg/L 配制不同质量浓度的药剂，分别加入总硬度为375 mg/L（即钙离子质量浓度为150 mg/L）的钙离子储备液和10 mg/L的二价铁离子储备液，调节pH=9.0，水浴温度为50 ℃，恒温5 h。 滴定后，于510 nm 波长处，测定其透光率，结果见图3。

图3 不同药剂在不同质量浓度下透光率

由于加入阻垢缓蚀剂后，氧化铁会均匀分散于溶液中，导致透光率变低；若药剂的分散性能差，氧化铁会沉淀，溶液透明，透光率高。 由图3 知，随着药剂浓度的增加，透光率均大幅降低，说明药剂具有良好分散性能，而NP 的分散性能最好。

2.4 NP 药剂对不同金属的缓蚀性能评价

选取A3 碳钢、黄铜和铝试片，配制质量浓度为10、20、30、40 和50 mg/L 的NP 药剂，在温度为30 ℃条件下采用旋转挂片法进行缓蚀性能评价，结果见图4。

图4 NP 药剂在不同质量浓度下对不同金属的缓蚀率

由图4 知，随着NP 药剂质量浓度的增加，对不同金属的缓蚀率均明显增大，说明NP 药剂可以适用A3 碳钢、黄铜、铝，适用范围广；同时，NP 药剂对A3碳钢的缓蚀率明显好于黄铜、铝。 NP 药剂中的钼酸根与二价铁可以形成钼酸铁固体，可以抑制点蚀位置活化铁的溶解，进而抑制点蚀的扩散和蔓延，有效减缓腐蚀；A3 碳钢为铁碳合金，更容易形成钼酸铁沉积在金属表面，而在有氧环境下，钼酸根在点蚀处可被还原，使铁再钝化，由此，NP 药剂对A3 碳钢的缓蚀有吸附、沉积和氧化等共同作用，而对黄铜、铝的缓蚀主要有膜离子的选择性，阻止金属离子进入溶液，同时阻止阴离子到达金属表面，从而阻止点蚀发生。

2.5 温度对A3 碳钢缓蚀率的影响

配制质量浓度分别为10、20、30、40 和50 mg/L的NP 药剂，在不同温度条件下采用旋转挂片法进行缓蚀性能评价，结果见图5。

图5 不同温度条件下不同质量浓度NP 药剂对A3 碳钢缓蚀率

由图5 知，在不同温度条件下，随着NP 药剂质量浓度的增加，对A3 碳钢的缓蚀率均明显增大，其中温度＜50 ℃时，随着NP 药剂质量浓度的增加，缓蚀率大幅上升。 由于温度升高，溶液中的离子物质扩散速率增大，溶液的黏度和过电位逐渐减小；扩散系数的增大，可促使更多溶解氧扩散至A3 碳钢表面的阴极区，而NP 药剂的有效成分在A3 碳钢表面扩散速率快，不容易沉积，钝化反应时间短；同时过电位降低，在A3 碳钢表面未有效钝化之前，加速氧在阴极的还原过程及A3 碳钢在阳极的溶解过程，导致腐蚀速率增大，缓蚀率降低。 温度较低时，随着NP 药剂质量浓度的增加，其有效成分可快速通过吸附、膜离子选择、沉积和氧化钝化等方式，在A3 碳钢表面形成一层保护膜，阻止腐蚀的进行。

3 结论

采用碳酸钙沉积法、透光率法和旋转挂片法，对比评价了NP、HEDP 和AMPS 对碳酸钙垢的阻垢性能及NP 药剂的缓蚀性能，结果显示：NP 药剂对碳酸钙垢的阻垢率达90%以上，相较于HEDP 和AMPS，平均高出30%左右；在温度＜80 ℃时，对碳酸钙垢的阻垢性能良好，温度＞80 ℃时，阻垢率大幅降低，但仍优于HEDP 和AMPS；NP 药剂的分散性能最好，其分散透光率较AMPS 低15%；NP 药剂对A3 碳钢、黄铜和铝均有良好的缓蚀性能，在温度＜50 ℃时，对A3 碳钢缓蚀率可达83%；该新型高效环保非磷阻垢缓蚀剂性能优异。