冷卻水系統(tǒng)碳鋼設(shè)備清洗劑作用機(jī)理

更新時(shí)間：2009-09-15 16:25 來(lái)源：水利工程網(wǎng) 作者: 郭良生,余興增,黃霓裳閱讀：1291

1 引　言

冷卻水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)有水垢(包括各種鈣垢,主要是CaCO3)和污垢(包括淤泥,鐵銹和生物膠泥等)沉積在碳鋼設(shè)備傳熱管的表面上。隨著運(yùn)行時(shí)間的延續(xù),上述沉積物不斷增厚,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸸艿蓝氯３练e物的存在不僅會(huì)影響換熱器的傳熱效率,而且會(huì)產(chǎn)生垢下腐蝕[1],最終導(dǎo)致熱交器鋼管穿孔。因此,為保證冷卻水系統(tǒng)的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)碳鋼設(shè)備的使用壽命必須進(jìn)行水處理,以起到緩蝕、阻垢和殺菌滅藻的作用。碳鋼設(shè)備的清洗是實(shí)施水處理的重要環(huán)節(jié),傳熱管表面上的沉積物如不清洗干凈,使用的水處理劑將無(wú)法在鋼管表面形成有效的保護(hù)膜,本工作對(duì)一種專(zhuān)用的高效多功能清洗劑ZF型清洗劑及其作用機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 實(shí)　驗(yàn)

2.1　清洗速度的測(cè)定用工廠提供的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)碳鋼設(shè)備的實(shí)際試樣浸泡在ZF型清洗劑中,在常溫和靜態(tài)的條件下,觀察試樣表面沉積物的去除情況,記錄不同試樣清洗干凈所需時(shí)間。

2.2　緩蝕率的測(cè)定采用失重法和極化曲線法測(cè)定復(fù)合緩蝕劑的緩蝕效率。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為含31%的工業(yè)鹽酸500ml/L和ZF型清洗劑。實(shí)驗(yàn)材料為Ｑ235鋼。失重法試樣規(guī)格為5.0cm×2.50cm×0.15cm,表面積為27.25cm2。極化曲線法試樣表面積為1cm2。所用試樣均經(jīng)金相砂紙逐級(jí)打磨,再經(jīng)自來(lái)水、無(wú)水酒精清洗、冷風(fēng)吹干,置入干燥器中備用。(1)失重法　試樣經(jīng)稱(chēng)重后在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)中浸泡23H。取出的試樣按照GB6348—86方法處理、稱(chēng)重,然后按式(1)計(jì)算緩蝕率ＥＥ(%)=VO-VCVO×100(1)式中　VO———試樣在31%的工業(yè)鹽酸500ml/L中的腐蝕率,μm/avc———試樣在ZF型清洗劑中的腐蝕率,μm/a(2)極化曲線法　試驗(yàn)在CHIM605電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行,用鉑電極作為輔助電極,用飽和甘汞電極作為參比電極。

3　結(jié)果與討論

3.1　ZF型清洗劑的主要特點(diǎn)ZF型清洗劑的化學(xué)組成和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、2。

ZF型清洗劑的主要特點(diǎn)：

(1)具有多種功能,可一次性將成分復(fù)雜的沉積物除凈。

(2)清洗速度快,清洗表面質(zhì)量好,具有活性,有利于水處理劑在其表面形成有效保護(hù)膜。

(3)緩蝕效率高,對(duì)碳鋼設(shè)備的腐蝕性很小。

(4)操作安全簡(jiǎn)便,溶液容易配制和調(diào)整。

(5)常溫使用,節(jié)約能源。

(6)原材料價(jià)廉易得,清洗成本低。

3.2　ZF型清洗劑的作用機(jī)理分析

3.2.1　鹽酸鹽酸是ZF型清洗劑的主劑。它依靠化學(xué)溶解和機(jī)械剝離除去沉積物中的CaCO3、Ca3PO4和氧化鐵一類(lèi)的腐蝕產(chǎn)物。

(1)化學(xué)溶解　

由于鹽酸與上述物質(zhì)反應(yīng)生成可溶性的并且溶解度很大的金屬氯化物,因此,鹽酸對(duì)CaCO3、Ca3(PO4)2和氧化鐵一類(lèi)腐蝕產(chǎn)物特別有效。即CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑(1)Ca3(PO4)2+6HCl→3CaCl2+2H3PO4(2)Fe2O3+6HCl→2FeCl3+3H2O(3)Fe3O4+8HCl→2FeCl3+FeCl2+4H2O(4)FeO+2HCl→FeCl2+H2O(5)2FeCl3+Fe→3FeCl2(6)　　

(2)機(jī)械剝離　

鹽酸與基體鐵反應(yīng)產(chǎn)生的H2可達(dá)1個(gè)大氣壓,從而把水垢和銹層剝離下來(lái)。Fe+2HCl→FeCl2+H2↑(7)　　鹽酸與碳酸鈣反應(yīng)很快,但對(duì)于銹蝕產(chǎn)物而言,盡管鹽酸的除銹速度在同濃度和同溫度的條件下是硫酸的1.5～2倍,在各種酸洗藥品中,鹽酸是首選的一種,但對(duì)鐵銹的溶解速度仍然較慢。鹽酸的除銹速度與其濃度有關(guān)。由圖1[2]不難看出:在20℃時(shí),鹽酸濃度在15%～20%的范圍內(nèi),除銹速度最快。作者把工業(yè)鹽酸(含HCl31%)稀釋一倍,其溶液的鹽酸濃度正好落在除銹速度最快的范圍內(nèi)。繼續(xù)提高鹽酸濃度不僅無(wú)益,反而有害。這是由于鹽酸易揮發(fā),產(chǎn)生的酸霧會(huì)腐蝕周?chē)脑O(shè)備。由圖1還可以看出:提高鹽酸溶液溫度可以大幅度提高除銹速度。然而溫度太高,也會(huì)使鹽酸揮發(fā)。因此鹽酸溶液的溫度最好控制在20～40℃為宜。

3.2.2　氟化鈉鹽酸對(duì)硅酸鹽垢的清洗效果較差。這是由于鹽酸與硅酸鹽垢反應(yīng)生成氯化鈣和硅酸,硅酸是一種不溶于水或酸(HF除外)的凝膠狀沉淀物,阻礙Ca2+進(jìn)入溶液,即CaSiO3+2HCl→CaCl2+H2SiO3↓(8)　　在鹽酸溶液中加入適量的氟化鈉能提高清洗劑對(duì)硅酸鹽垢和氧化鐵的去除能力。F-半徑特別小,負(fù)電性大,由于靜電吸引作用,易與體積小的多價(jià)正離子形成穩(wěn)定的絡(luò)陰離子[SiF6]2-和[FeF6]3-,即NaF+HCl→HF+NaCl(9)CaSiO3+6HF→Ca2++[SiF6]2-+3H2O(10)Fe2O3+12HF→6H++2[FeF6]3-+3H2O(11)　　[SiF6]2-與Ca2+構(gòu)成絡(luò)合物CaSiF6[3],CaSiF6可溶于鹽酸或氫氟酸,從而把硅酸鹽垢和氧化鐵從沉積物中除去。這就是鹽酸清洗結(jié)合絡(luò)合劑清洗提高了清洗劑的除垢效率。此外,氟化鈉還具有一定緩蝕作用。由表3和圖2中不難發(fā)現(xiàn):在含烏洛托品和硫脲的鹽酸溶液(2#溶液)中添加氟化鈉(3#溶液)后,其試樣的陽(yáng)極極化曲線3＇較之2#試樣下移幅度較大,而陰極極化曲線3變化甚微,說(shuō)明氟化鈉的引入具有一定的陽(yáng)極抑制作用,試樣的緩蝕率從90.0%提高至94 7%。其原因可能是陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物Fe2+被溶液中的溶解O2氧化成Fe3+,繼而Fe3+與F-絡(luò)合成穩(wěn)定的絡(luò)陰離子[FeF6]3-,[FeF6]3-帶負(fù)電,易被吸附在帶正電的微電池陽(yáng)極上,而起到陽(yáng)極抑制作用。

3.2.3　OP乳化劑鹽酸溶液對(duì)油脂和微生物生成的膠狀物質(zhì)的清洗效果很差。為分散上述沉積物,在鹽酸溶液中加入適量非離子型表面活性劑OP乳化劑。OP乳化劑是一種非離子表面活性劑,其分子中既有親油基,又有親水基。親油基被油層所吸附,親水基朝向水溶液。分子定向排列的結(jié)果,使其表面張力降低,油層破裂,分散開(kāi)來(lái)。OP乳化劑具有很好的濕潤(rùn)性、滲透性和擴(kuò)散性。其分子滲入油層底部,將油層剝離下來(lái)。然后OP乳化劑分子將分散的油質(zhì)點(diǎn)包圍起來(lái),形成牢固的吸附層,分散在溶液中,從而把油脂和膠狀物質(zhì)從污垢中除去。此外,由于OP乳化劑具有良好的浸潤(rùn)性,加強(qiáng)了酸洗液與垢的接觸,從而提高了除垢的速度。OP乳化劑的引入還能降低碳鋼的表面張力,使反應(yīng)(7)產(chǎn)生的氫氣更易逸出,避免發(fā)生氫脆現(xiàn)象。

3.2.4　烏洛托品和硫脲鹽酸是一種強(qiáng)酸,對(duì)碳鋼設(shè)備有很強(qiáng)的腐蝕性,為避免過(guò)蝕現(xiàn)象,作者選用烏洛托品、硫脲和磷酸等作為復(fù)合緩蝕劑。烏洛托品N4(CH2)6分子中存在4個(gè)雜化原子N,硫脲(NH2)2CS分子中具有2個(gè)雜化原子N和一個(gè)雜化原子S,因此它們可以與碳鋼表面Fe(OH)2膜中的Fe2+或是基體上的鐵原子絡(luò)合,直接吸附在碳鋼表面上,抑制陰極反應(yīng)。這可從極化曲線的測(cè)量得到印證(見(jiàn)圖2)。在鹽酸溶液中加入烏洛托品8g/L和適量的硫脲后,其試樣的陰極極化曲線2較之空白試樣大幅度下移,而陽(yáng)極極化曲線2＇下移幅度很小,另者2#試樣的自腐蝕電位E2較之空白試樣E1也負(fù)移,體現(xiàn)出陰極型緩蝕劑的基本特征[4]。

3.2.5　磷酸在鹽酸溶液中加入85%的磷酸6ml/L,可以提高除銹的速度。因?yàn)榱姿崮芘c鐵銹反應(yīng)生成可溶性的磷酸二氫鐵。例如FeO+2H3PO4→Fe(H2PO4)2+H2O(12)　　磷酸又是一種陽(yáng)極型緩蝕劑。因?yàn)殛?yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物Fe2+在溶解氧的協(xié)同作用下與磷酸反應(yīng),生成的FePO4沉積在碳鋼表面,抑制陽(yáng)極反應(yīng),導(dǎo)致陽(yáng)極極化曲線5＇比陰極極化曲線5相對(duì)于4#試樣下移幅度較大(見(jiàn)圖2),其緩蝕率相應(yīng)上升(見(jiàn)表3)。即Fe3++PO3-4→FePO4↓(13)