环保型软水缓蚀剂

2017-03-15 09:59:21 8

   软水密闭循环系统采用软化水循环,水的硬度低,在运行过程中,换热器表面不会形成水垢,这就从根本上避免了换热器表面结垢现象,但是由于没有垢层保护,腐蚀加重。另外密闭循环水中氧气不易析出,循环水温度高,加重了溶解氧的氧浓差极化腐蚀。所以软水闭路循环系统运行过程中必须投加专用的软水缓蚀剂,才能保证换热设备不被腐蚀。目前常用的缓蚀剂有磷酸盐系列和氧化性缓蚀剂两类。磷酸盐系列缓蚀剂磷含量高,易引起水体富营养化;而氧化性缓蚀剂一般对人体和环境有害,用量大,其使用范围受到限制。

  随着人们环保意识的加强,“绿色化学”及其技术的应用已经成为环境保护和防止污染的重要方面。“绿色药剂”的概念已被提出并成为21世纪水处理剂的发展方向[1, 2, 3, 4]。笔者根据绿色化学原理和观点,围绕性能、环境和经济三大方面,开发了一种不含磷、环境相容性好、生产成本低的新型软水缓蚀剂。

  1 实验部分

  1.1 实验水样水质

  实验水样为邯郸市永洋钢铁公司去离子软化水,其pH=8.75、钙硬度23.64 mg/L、镁硬度17.82 mg/L、总碱度187.15 mg/L、氯离子39.5 mg/L、电导率542 μS/cm。

  1.2 试剂与仪器

  葡萄糖酸钠、苯甲酸钠、氢氧化钠、EDTA等为分析纯,聚天冬氨酸、PASP接枝产物、苯并三氮唑、丙烯酸共聚物、互丰公司以钨酸盐为主的软水缓蚀剂HF-97、武汉某钢铁公司以亚硝酸盐为主的软水缓蚀剂W655等为工业品。

  JA-4103型电子天平,上海天平仪器厂;THZ-82气浴恒温振荡器,常州诺基仪器有限公司;724型分光光度计,上海光学仪器厂;RCC-I型旋转挂片腐蚀试验仪,高邮市新邮仪器厂;CHI660B型电化学工作站,上海辰华仪器公司;碳钢、铜和不锈钢试片(50 mm×25 mm×2 mm),高邮市新邮仪器厂。

  1.3 缓蚀性能的评价方法

  1.3.1 旋转挂片实验法

  旋转挂片实验根据《水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法》(GB/T 18175—2014)来进行。所用实验仪器为RCC-I型旋转挂片腐蚀试验仪,试片分别为A3型碳钢片、304型不锈钢片、H62型黄铜片,所用实验水为河北省邯郸市永洋钢铁公司生产性软水,实验温度(45±1) ℃,转速75 r/min,时间72 h[5],并分别按式(1)、式(2)计算腐蚀率和缓蚀率。

  式中:W0——试验前试片的质量,g;

  W——试验后试片的质量,g;

  A——试片表面积,28 cm2;

  D——试片密度,g/cm3;

  t——试验时间,72 h。

  1.3.2 电化学腐蚀实验

  电化学腐蚀实验采用常规三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极,工作电极为A3碳钢。为了尽量减小实验时的溶液电阻,安装装置时尽量使盐桥尖嘴部位与工作电极接近。且为了减少环境噪声等对测试结果的影响,在实验时三电极测试系统应一直放置在屏蔽箱中。

  测量极化曲线,采用动电位扫描方法,极化扫描速率为1 mV/s,扫描范围为±300 mV。实验前,工作电极用800#~1 200#砂纸逐级打磨,再用蒸馏水与丙酮清洗,风干后于软水中浸泡30 min后进行测试。

  1.4 软水缓蚀剂的制备

  聚天冬氨酸是一种从原料制备过程到最终产品均对环境和人体无害的可生物降解的绿色环保型水处理剂[6],其接枝产物缓蚀性能较聚天冬氨酸有一定提高,属于可生物降解物质。但其单独用于软水中的缓蚀效果并不理想,因此需要进行复配使用。经过查阅文献及大量挂片试验结果,选定了药剂成分为葡萄糖酸钠、苯甲酸钠、分散剂、苯并三氮唑、聚天冬氨酸接枝产物,依次按质量比为25∶14∶6∶2∶18进行复配,可制得软水缓蚀剂SWT-305。

  1.5 生物降解性的测定

  加入一定浓度待测药剂的营养液500 mL于锥形瓶中,然后接入土壤菌悬液1 mL,在室温20 ℃的环境下,在摇床上振荡28 d,在第1天、第7天、第14天、第21天、第28天分别测定反应液的COD[7],并按式(3)计算降解率。

   式中:Ct——t时刻含有受试物接种反应液中的COD, mg/L;

  Cbt——t时刻空白对照中的COD,mg/L;

  C0——含有受试物的接种反应液中的初始 COD, mg/L;

  Cb0——空白对照中的初始COD,mg/L。

  2 结果与讨论

  2.1 软水缓蚀剂的缓蚀性能研究

  2.1.1缓蚀率与加药量的关系

  确定软水缓蚀剂的配方后,通过旋转挂片实验测定软水缓蚀剂SWT-305对A3碳钢的缓蚀率与其加药量的关系,结果见图1。

 图1 不同加药量时的缓蚀率

  由图1可以看出,随着加药质量浓度的增加,缓蚀率不断升高,当药剂投加质量浓度小于65 mg/L时,其缓蚀率较低,但缓蚀率随着加药量的增加而明显增大。当投加质量浓度为65 mg/L时,缓蚀率可以达到99.47%,计算其腐蚀率为0.008 8 mm/a,完全达到国家标准。继续增加药量,缓蚀率趋于稳定,所以选择投加质量浓度为65 mg/L。

  2.1.2 缓蚀率与实验温度和用量的关系

  在不同温度及药剂用量下进行旋转挂片实验,SWT-305投加质量浓度分别为40、65、90 mg/L时,碳钢挂片在35、45、55 ℃下的缓蚀率见表1。

   由表2可以看出,在35、45、55 ℃下,缓蚀率随着软水缓蚀剂用量的增加而增大;当药剂用量相同时,缓蚀率随着实验温度的升高而下降。当药剂投加质量浓度为65 mg/L时,35、45、55 ℃下的腐蚀率分别为0.006 5、0.008 8、0.004 14 mm/a,均小于国家标准规定的0.075 mm/a,说明软水缓蚀剂在不同温度下对A3碳钢均有良好的缓蚀效果,且性能稳定。

   2.2 软水缓蚀剂对不同材质的缓蚀效果及与常用缓蚀剂的比较

  药剂投加质量浓度为65 mg/L,实验温度为45 ℃,时间72 h,通过旋转挂片实验测定SWT-305对不同材质的缓蚀率,结果见表2。同时与其他药剂进行了对比,结果见表3。

   由表2、表3可以看出,软水缓蚀剂SWT-305各缓蚀组分之间具有良好的协同效应,对碳钢、不锈钢、铜等金属材质都有良好的缓蚀效果,实验后的金属片表面无点蚀和局部腐蚀现象,其腐蚀率远远低于《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050—2007)标准中的要求,即铁及铁合金腐蚀率≤0.075 mm/a,铜及铜合金腐蚀率≤0.005 mm/a,不锈钢及合金腐蚀率≤0.005 mm/a。而与HP-97、W655比较结果表明,SWT-305缓蚀效果明显优于其他两种软水缓蚀剂,说明SWT-305缓蚀性能优异。

  2.3 极化曲线法对软水缓蚀剂性能的研究

  极化曲线法是一种简便的测定腐蚀速率的方法。通过极化曲线法,可以判断水处理剂的作用类型、两极Tafel斜率及自腐蚀电流大小等,并且可以通过计算得出缓蚀率。利用电化学工作站对空白软水及加入65 mg/L缓蚀剂的软水体系中的碳钢进行Tafel极化测试,实验温度为30 ℃,结果见图2。

 图2 SWT-305的极化曲线

  由图2可以看出,与空白软水相比,加入缓蚀剂SWT-305后的软水的极化曲线自腐蚀电位有明显增大的趋势,阴极极化曲线的变化不大,斜率变化不明显;而阳极极化曲线变化较大,斜率变化明显。这说明,SWT-305为阳极型缓蚀剂,主要通过阻止碳钢表面铁离子的氧化来阻止软水对金属的侵蚀。

  2.4 软水缓蚀剂的生物降解性能研究

  根据生物摇床实验法和COD法测定SWT-305的生物降解性能,结果表明:随着实验时间的延长,COD逐渐降低,降解率逐渐增加。在第7天时,COD降低到了38.21 mg/L,降解率为19.32%,第21天时,COD降低到了22.18 mg/L,降解率为54.34%,根据摇床实验法的生物降解性评价标准可知,SWT-305属于可生物降解性物质。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  选定聚天冬氨酸接枝产物、苯甲酸钠、葡萄糖酸钠、分散剂、苯并三氮唑复配组成环保型软水缓蚀剂。通过旋转挂片腐蚀实验对软水缓蚀剂缓蚀性能进行测定,实验结果表明,当实验温度为45 ℃,缓蚀剂投加质量浓度为65 mg/L时,A3碳钢的腐蚀率为0.008 8 mm/a,铜的腐蚀率为0.000 3 mm/a,不锈钢的腐蚀率为0.000 5 mm/a,完全达到国家规定标准。

  电化学测试结果表明,SWT-305软水缓蚀剂属于抑制阳极反应为主的缓蚀剂,生物降解实验结果表明,软水缓蚀剂为可生物降解的环境友好型产品。

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