高 珊，王艷秋，劉獻博

(遼寧科技大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

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鎂合金鑄軋實驗平臺循環(huán)冷卻水處理研究

高 珊，王艷秋，劉獻博

(遼寧科技大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

摘要：針對鑄軋循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在長期運行過程中出現(xiàn)的結(jié)垢、腐蝕和生物污垢三方面問題，選定了以自來水+緩蝕阻垢劑處理方法作為處理方案。以HT-p13F為實驗藥劑，并以鎂合金鑄軋實驗平臺的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行條件及環(huán)境為基礎(chǔ)，進行了實驗室實驗驗證。通過以上實驗結(jié)果，得出了鎂合金駐扎實驗平臺循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的處理方案和設(shè)計參數(shù)：以HT-p13F為緩蝕阻垢劑，投加濃度為10 mg/L，投加周期為6 d，緩蝕率為93.90%，阻垢率為99.45%。

關(guān)鍵詞：循環(huán)冷卻水；緩蝕阻垢劑；失重法

1引言

21世紀全球面臨的一個嚴峻問題就是水資源短缺，這個問題已引起世界各國的重視[1]。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，水資源地域分布不均，在工業(yè)發(fā)達地區(qū)，水資源短缺問題日顯嚴重。工業(yè)用水中循環(huán)冷卻水的耗水量占了相當(dāng)大的比重，而我國冶金、發(fā)電、石油、化工等行業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水年耗水量占到工業(yè)用水量的50%～80%。由此可見，提高循環(huán)冷卻水的利用率是目前解決我國工業(yè)用水緊張、減少水污染物排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2～4]。

冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于多種因素的綜合作用，會產(chǎn)生比直流系統(tǒng)更為嚴重的沉積物的附著、設(shè)備腐蝕和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道的問題，它們會威脅和破壞鑄軋工藝長期安全生產(chǎn)，甚至造成經(jīng)濟損失[5]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的大多數(shù)設(shè)備是由金屬制造，由于循環(huán)水的長期使用，會發(fā)生腐蝕穿孔等現(xiàn)象[6]。循環(huán)冷卻水在長期循環(huán)使用后會出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生問題，只有有效的處理解決好這三方面問題才能確保穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)約資源，降低能耗。從而減少環(huán)境污染，解決生物粘泥或軟垢粘泥附引起的腐蝕、冷卻水流量減少進而降低冷卻效率等問題[7]。 通過碳酸鈣沉淀法、靜態(tài)掛片法、動態(tài)旋轉(zhuǎn)掛片法，研究緩蝕阻垢劑的性能，可以解決鎂合金鑄軋實驗平臺循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕和生物污垢問題，最后依據(jù)實驗結(jié)果結(jié)合理論及經(jīng)驗，為未來鎂合金鑄軋實驗設(shè)備推廣的循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)設(shè)計提供設(shè)計參數(shù)。

2實驗方法

2．1儀器及藥劑

電子天平，曝氣控制器，智能型蠕動泵，數(shù)顯恒溫水浴鍋。

緩蝕阻垢劑(HT-p13F)、丙酮、無水乙醇、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、乙二胺四乙酸二鈉、鹽酸、碳酸氫鈉、氯化鈣，所選藥劑均為分析純。

2．2實驗試片及其處理

本實驗試片材質(zhì)為Ⅰ型標準黃銅試片， (50±0.1)mm×(25±0.1)mm×(2±0.1)mm，掛孔Φ(4±0.1)mm，試片總面積28.00 cm2。①取出試片，用脫脂棉擦除新片表面的油脂，擦拭后分別用400、800、1000型號的水砂紙打磨，打磨時，為防止砂紙上的顆粒對試片的產(chǎn)生不同程度的劃痕，從而造成影響，可將砂紙蘸取水，從而避免影響。②用脫脂棉擦拭并清洗掛片，隨后再用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈。③將試片浸與無水乙醇中，并用脫脂棉擦洗。④擦洗后，將試片置干凈濾紙上，用濾紙簡單吸附后用冷風(fēng)吹干。⑤用濾紙將試片包好，置于干燥器中24 h以上后稱重待用。

3結(jié)果與分析

3．1HT-p13F藥劑阻垢性能測定

本實驗采用碳酸鈣沉淀法(GB/T 16632-2008)，對所選定的HT-p13F水處理劑進行阻垢性能的測定。將試液和空白試液分別置于兩個潔凈的錐形瓶中，兩錐形瓶浸入(80±1)℃的恒溫水浴鍋中(試液的液面不得高于水浴的液面)，恒溫放置10 h，冷至室溫后用中速定量濾紙過濾。分別計算試液和空白試液鈣離子濃度，每項實驗做3組平行對照實驗。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，添加水處理劑(HT-p13F)后，消耗EDTA體積明顯變小，即Ca2+濃度遠遠高于未添加水處理劑的試液濃度，鈣離子得到很好地絡(luò)合而未形成碳酸鈣沉淀被析出，通過計算得出其阻垢率達到99.45%，阻垢效果良好。

3．2HT-p13F在酸性介質(zhì)中緩蝕效果測定

分別取配置好的水處理劑藥劑0、0.5、1.0、1.5、2.0、

表1　試液與空白試液消耗

2.5、3.0、3.5、4.0 mL于100 mL容量瓶中，用去離子水定容。搖勻后轉(zhuǎn)移至100 mL燒杯中，將之前處理并稱好質(zhì)量的試片按序用防腐繩懸掛于燒杯中，懸掛試片時應(yīng)避免與燒杯壁接觸，試片上方應(yīng)距液面有一定距離，以防溶液揮發(fā)使試片裸露。使試片完全浸沒在試液中，放在恒溫水浴(30 ℃)中4 h后取出，處理后放于干燥器24 h后稱量，計算質(zhì)量差。添加不同體積試液質(zhì)量損失值與空白試液試片質(zhì)量損失的關(guān)系如圖1所示。

通過對圖1的觀察可看出，在酸性介質(zhì)條件下，添加任何體積試液均未對試片起到緩蝕效果。由此可得出結(jié)論，該藥劑不適用于酸性溶液， 即在使用過程中不宜加酸調(diào)節(jié)或應(yīng)用于酸洗溶液的緩蝕阻垢。

3．3HT-p13F緩蝕性能測定

本實驗采用旋轉(zhuǎn)掛片法(動態(tài)失重法)，通過加入不同濃度藥劑，計算實驗前后的試片質(zhì)量損失、藥劑的腐蝕率和緩蝕率，從而選擇最佳濃度及最佳緩蝕效果。取400 mL實驗室自來水置與500 mL燒杯中，放在水浴鍋中，待溫度達到30 ℃時，滴加0、0.5、1、1.66、3.32、4.97、6.62 mL提前配置好的試液，攪勻。將處理好并稱量記錄的試片用防腐繩固定于旋轉(zhuǎn)軸上，慢慢調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸，使試片完全浸沒于溶液中，保持試片上方與液面之間距離在2 cm左右，固定旋轉(zhuǎn)軸，記錄液面高度并標記。調(diào)節(jié)程控器，設(shè)定固定轉(zhuǎn)速，開啟開關(guān)，使其旋轉(zhuǎn)運行試片線速度:0.30～0.40 m/s。記錄時間，在1～2 h補加蒸餾水，使液面保持標記的高度。設(shè)備運行72 h后，關(guān)閉開關(guān)，取下試片，用蒸餾水將試片沖洗干凈，并置于10%硫酸溶液中3～5 min，取出用蒸餾水沖洗，沖洗后置于0.1氫氧化鈉溶液中約30 s，取出繼續(xù)用蒸餾水沖洗，沖洗后用蘸有無水乙醇的脫脂棉反復(fù)擦洗，并用濾紙簡單吸濕后用冷分吹干，用濾紙包好置于干燥器中24 h以上，稱量其質(zhì)量。試片酸洗空白試驗即不經(jīng)旋轉(zhuǎn)掛片實驗，直接將處理并稱量好的試片進行掛片實驗的后續(xù)處理，計算處理后試片質(zhì)量損失值，做三組平行對照實驗，去除偏差較大的結(jié)果，對剩余數(shù)據(jù)求平均值，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，藥劑投加濃度在0～10 mg/L期間，其緩蝕率隨投加濃度的增加而增加，當(dāng)添加試液體積3.32 mL(10mg/L)時，緩蝕率達到最大值，為93.90%，腐蝕率為0.000 5 mm/a。隨后隨著投加濃度的增加，緩蝕率開始出現(xiàn)下降趨勢，后期再隨著藥劑濃度的增加，由于藥劑對銅試片的作用已達到一種飽和狀態(tài)，故緩蝕率趨于平衡不變。通過變化趨勢可以看出投加濃度為10 mg/L為最佳投加濃度。

3．4溫度對藥劑HT-p13F緩蝕效果的影響測定

由于鎂合金鑄軋實驗平臺循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運行過程中，溫度會隨環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生一定的變化，故本實驗在實驗運行的過程中改變實驗溫度，使其最高溫度達到60 ℃，最低溫度30 ℃，并不斷調(diào)節(jié)改變溫度，其他條件保持不便，通過與空白實驗的試片質(zhì)量損失值的對比，評定溫度對該藥劑緩蝕效果的影響。實驗結(jié)果如表2所示。

表2　試片質(zhì)量損失值與其在變溫和恒溫條件下的關(guān)系

由表2可以看出，在變溫與恒溫兩種環(huán)境條件下，試片的質(zhì)量損失值相差為0.000 1 g，改變溫度，使質(zhì)量損失增大了10%，在可以接受范圍，即可認為溫度變化對藥劑的緩蝕效果無影響。

3．5投加周期的測定

為了達到節(jié)約運營成本目的，確定藥劑的有效作用時間，即確定最合適的投加周期在實際生產(chǎn)中具有重要的意義。本研究在失重法確定最佳投加濃度的基礎(chǔ)上，改變實驗運行周期，設(shè)定3、6、9 d三個時間梯度進行實驗室實驗，并作不投加藥劑的空白對照試驗，根據(jù)試片質(zhì)量的損失值來判斷藥劑的有效作用時間，找到合適的藥劑投加周期。本實驗除改變實驗運行周期外，基本操作緩蝕性能的測定操作。選擇的投加藥劑濃度為測定緩蝕性能實驗中得到的最佳投加濃度10 mg/L，即投加試液3.32 mL。不同作用時間與試片質(zhì)量損失值之間的關(guān)系如表3所示。

由表3實驗數(shù)據(jù)顯示可知，在運行周期從3～6 d之間，質(zhì)量損失增大0.000 5 g，而6～9 d則增大0.001 8 g，設(shè)定為6 d時，達到最佳的緩蝕效果，極大的降低的試片的質(zhì)量損失，即藥劑的最佳作用時間為6 d，即在實際生產(chǎn)中可設(shè)定6 d為一個投加周期。

表3　不同作用時間與試片質(zhì)量損失值之間的關(guān)系

4結(jié)語

HT-p13F阻垢率可達到99.45%，具有很好的阻垢效果。HT-p13F試劑，在1 mol/L酸性介質(zhì)中對黃銅試片沒有任何緩蝕效果，即該藥劑在使用時不宜添加酸調(diào)節(jié)，不適用于酸洗處理。該藥劑在投加濃度為10 mg/L時達到最佳緩蝕效果，緩蝕率達到93.90%。在實驗過程中分階段改變實驗溫度，最終測得其對黃銅試片的緩蝕效果沒有明顯影響。在只改變運行周期的條件下，實驗顯示在周期設(shè)定為6 d時緩蝕效果最佳。針對鎂合金駐扎循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的環(huán)境條件，本實驗可推薦使用該藥劑，投加濃度為10 mg/L，投加周期為6 d。

參考文獻：

[1]龍荷云.循環(huán)冷卻水處理[M].南京:江蘇科學(xué)出版社，1997.

[2]宋福香.循環(huán)冷卻水的水質(zhì)穩(wěn)定性處理[J].湖南農(nóng)機，2009，36(6):36～39.

[3]史佩紅，曲云，鐘莢，等.循環(huán)冷卻水磷系配方進展[J].河北輕化工學(xué)院學(xué)報，1998，45(2):1～3.

[4]李本高，祁魯粱，張金銳.循環(huán)冷卻水處理技術(shù)進展[J].工業(yè)用水與廢水，1999，30(1):2～5.

[5]Berad Nowack．Environmental chemistry ofphosphonates[J].Water Research，2003(37)：2533～2546.

[6]Davenport B，DeBoo A，Dubois F.CEH report:chelating agents.SRI Consulting[R].Menlo Park.CA.USA.20.

[7]王睿，張岐，丁潔，等.阻垢劑作用機理研究進展田[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2001，18(2):79～92．

Study on the Circulating Cooling Water Treatment on the Magnesium Alloy Cast Rolling Experiment Platform

Gao Shan，Wang Yanqiu，Liu Xianbo

(SchoolofChemicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China)

Abstract:To deal with the problems of scaling，corrosion and biofouling occurred in the long-term operation process ofroll-casting circulating cooling water system，the article selects the handling method of tap water plus corrosion inhibitor asthe best treatment scheme.Taking HT-p13Fas experimental agentsand based on the condition and environment of circulating cooling water systemon magnesium alloy cast rolling experiment platform，the article conducts an experimental verification.Through the above experimental results，the article obtains the treatment scheme and design parameter of circulating cooling water system on magnesium alloy cast rollingexperimental platform.When takingthe HT-p13F as corrosion inhibitorswhose dosingconcentration is 10 mg/L and dosing period is six days，the corrosion rate is 93.90% and the scale inhibiting ratiois 99.45%.

Key words:circulating cooling water; corrosion and scale inhibitor; weight loss method

文章編號：1674-9944(2016)02-0057-03

中圖分類號：X703

文獻標識碼：A

作者簡介：高珊(1990—)，女，遼寧鞍山人，遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生。 王艷秋(1971—)，女，遼寧鞍山人，高級工程師，主要從事污水處理方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2015-11-20