李秀峰，張保利(河北省冶金研究院，河北 石家莊 050031)

0 引言

化工行業(yè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的緩蝕阻垢劑應(yīng)用原因主要體現(xiàn)在兩方面。第一，在化工行業(yè)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，其使用的水源普遍為自來(lái)水以及地下水，雖然這兩種水的水質(zhì)存在一定差異性，但是卻共同含有Ca2+、HCO33-、Mg2+、SO42-以及PO43-等離子物質(zhì)，極易在日常生產(chǎn)過(guò)程中受水溫以及pH 值等因素的影響，導(dǎo)致陰陽(yáng)離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣等沉淀物質(zhì)，以上物質(zhì)在達(dá)到一定數(shù)量之后便會(huì)全部堆積在管道以及熱交換器等位置，進(jìn)而形成積垢，輕則會(huì)導(dǎo)致該循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)管道設(shè)備堵塞以及熱交換器傳熱性能降低等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)[1]。第二，碳鋼作為冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中熱交換器的主要材質(zhì)，在長(zhǎng)期運(yùn)作過(guò)程中難以避免地會(huì)與空氣、水和化學(xué)品進(jìn)行接觸，進(jìn)而使碳鋼受到氧化和腐蝕等。雖然避免以及減緩結(jié)垢和腐蝕的方法多種多樣，但是采用阻垢、緩蝕劑是一種成本低、實(shí)用性高以及操作簡(jiǎn)單便捷的方法，更具應(yīng)用價(jià)值。

甘薯中含有大量的淀粉物質(zhì)，在淀粉物質(zhì)加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，為環(huán)境保護(hù)帶來(lái)負(fù)面影響。但是，在淀粉加工產(chǎn)生的廢水中，蘊(yùn)含了許多碳水化合物、多糖、多酚類等物質(zhì)，比如：葉酸、抗壞血酸、煙酸、綠原酸等，以上物質(zhì)元素均為潛在的緩蝕阻垢劑候選者。相關(guān)研究表明，葉酸對(duì)Q235 鋼以及304 不銹鋼等鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)在鹽酸、硫酸等溶液中具有優(yōu)異的抗腐蝕性能；抗壞血酸在各種具有腐蝕性質(zhì)的介質(zhì)中也可以對(duì)碳鋼起到緩蝕效果。由此可見(jiàn)，科學(xué)提取甘薯淀粉廢水中具有抗腐蝕和阻垢性質(zhì)的有機(jī)物，不僅可以有效解決工業(yè)生產(chǎn)中的結(jié)垢堆積和腐蝕等問(wèn)題，還可以最大限度提升甘薯淀粉廢水的回收利用率，實(shí)現(xiàn)降低環(huán)境污染和保護(hù)環(huán)境的目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

在甘薯淀粉廢水中IBWE 物質(zhì)的緩蝕阻垢劑研制實(shí)驗(yàn)中，除表1 中的實(shí)驗(yàn)所需試劑外，還需要以下實(shí)驗(yàn)儀器，分別為：FA2003 電子分析天平、JSM-7800F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、RCC-II 型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)儀、WKMZ-II 型智能動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置、AVANCE III HD 4000MHz 型核磁共振波譜儀、CHI660E 電化學(xué)工作站、VERTEX 70 傅里葉變換紅外光譜儀、GZP-250恒溫培養(yǎng)箱[2]。

表1 實(shí)驗(yàn)所需試劑表

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 IBWE 提取以及緩蝕阻垢劑研制

首先，將清洗干凈的甘薯削皮，再將去皮的甘薯粉碎得到漿料，之后適當(dāng)添加蒸餾水，超聲30 min，接著將其置于60 ℃的環(huán)境下持續(xù)加熱5 h，加熱完成后讓其冷卻至常溫狀態(tài)，再過(guò)濾去除其內(nèi)部固體殘留物[3]。然后將過(guò)濾完成的濾液靜置48 h，去除淀粉，再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀將濾液予以濃縮處理，獲得甘薯淀粉廢水提取液(IBWE)。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)掛片法評(píng)價(jià)緩蝕性能

碳鋼的主要構(gòu)成材料是20#碳鋼，該材料的化學(xué)組成是：C(0.17%)、Mn(0.35%)、Cr(0.25%)、Ni(0.30%)、Si(0.17%)、Cu(0.25%)，其他均是Fe。在該實(shí)驗(yàn)研究中，應(yīng)用的碳鋼片參數(shù)尺寸為5.0 cm×2.5 cm×0.2 cm，且該碳鋼片的密度是7.85 g/cm3。本次實(shí)驗(yàn)研究會(huì)將國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測(cè)定旋轉(zhuǎn)掛片法》作為參考和基礎(chǔ)，嚴(yán)謹(jǐn)開(kāi)展緩蝕性能測(cè)試。

公式(1)為腐蝕速率的計(jì)算公式。

式中：m是指碳鋼片在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前的質(zhì)量(g)；m0是指碳鋼片在實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量(g)；S是指實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的碳鋼片表面積(cm2)，t是指實(shí)驗(yàn)時(shí)間(h)，ρ是指碳鋼片的密度(g/cm3)。

公式(2)為緩蝕效率的計(jì)算公式。

式中：v0、v分別代表實(shí)驗(yàn)中碳鋼片試樣在空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)中和具備緩蝕劑溶液中的腐蝕速率。

1.2.3 阻垢性能評(píng)價(jià)方法

依照國(guó)際(GB/T 16632—2008)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻CaCO3垢性能予以評(píng)價(jià)分析。阻垢效率“η1”的計(jì)算公式見(jiàn)公式(3)。

式中：v0、v1分別代表空白組和加入阻垢劑后消耗的EDTA 體積數(shù)量。

將CaCl2、Na2SO4配制成Ca2+濃度為7 100 mg/L、SO42-濃度為6 800 mg/L 的溶液，之后在該溶液中添加適量的標(biāo)準(zhǔn)硼砂溶液以及阻垢劑，再將其置于70 ℃的水浴中持續(xù)加熱6 h，然后冷卻至室溫。取出5 mL 濾液，向?yàn)V液中添加5 mL KOH 溶液以及70 mL 蒸餾水和0.4 g 鈣羧酸指示劑，并在此基礎(chǔ)上使用0.01 mol/L EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液平行滴定3 次，以此得到Ca2+的含量。在此過(guò)程中的阻垢效率“η2”計(jì)算公式如公式(4)。

式中：v0以及v2分別代表加熱和不加熱的空白組消耗的EDTA 體積數(shù)量，而v1則是代表添加阻垢劑后的溶液消耗的EDTA 體積數(shù)量[4]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 IBWE 在鹽溶液中的緩蝕性能分析

通過(guò)旋轉(zhuǎn)掛片法研究了IBWE 在45 ℃的溫度下置于鹽溶液內(nèi)對(duì)碳鋼的緩蝕性能，其研究的各項(xiàng)緩蝕數(shù)據(jù)信息如表2 所示。

表2 碳鋼在不同濃度IBWE 的鹽溶液中的腐蝕參數(shù)表

根據(jù)表2 中的內(nèi)容予以分析可以得知，IBWE 濃度的持續(xù)提升，會(huì)使得腐蝕速率呈下降趨勢(shì)，緩蝕率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)IBWE 的濃度增加至2.0 g/L 時(shí)，其腐蝕速率由空白實(shí)驗(yàn)的0.87 gm-2h-1逐漸降低至0.15 gm-2h-1，此刻的緩蝕率是82.45%。將IBWE 形成的絡(luò)合物覆蓋至碳鋼的表層，使其作為保護(hù)層存在，其性能牢固，不會(huì)輕易被水流破壞。不僅如此，腐蝕階段形成的腐蝕性物質(zhì)也可以沉積在碳鋼表層，作為物理性質(zhì)的障礙層，同樣能起到減緩腐蝕物質(zhì)侵蝕的效果[5]。

2.2 IBWE 的阻垢性能

2.2.1 IBWE 濃度對(duì)阻CaCO3 垢以及阻CaSO4 垢性能的影響

如圖1 所示，隨著IBWE 的濃度不斷增加，其阻CaCO3垢的增加效率基本持平，當(dāng)IBWE 的濃度增加至3.0 g/L 時(shí)，其阻CaCO3垢的效率增長(zhǎng)至80%。阻CaSO4垢的增長(zhǎng)效率先迅速后緩慢，在IBWE 濃度從0 加至1.5 g/L 的過(guò)程中，其增長(zhǎng)效率較快，但當(dāng)IBWE 濃度大于1.5 g/L 時(shí)，其阻垢效率便逐漸進(jìn)入并保持在較為平穩(wěn)的狀態(tài)，當(dāng)IBWE 濃度為1.5 g/L 時(shí)，阻CaSO4垢的效率為95%。之所以如此，是因?yàn)樵谠摑舛认潞外}離子進(jìn)行作用的IBWE 分子大致已經(jīng)處于飽和狀態(tài)。由此可見(jiàn)，IBWE 無(wú)論是在阻CaCO3垢還是阻CaSO4垢中均具備優(yōu)異的性能[6]。

圖1 IBWE 濃度對(duì)阻CaCO3和CaSO4垢性能的影響示意圖

2.2.2 垢晶體的XRD 分析

CaCO3晶體的晶型主要包含方解石、文石以及秋霰石，由圖2 所顯示的CaCO3晶體添加IBWE 前后的XRD 譜圖可以看出，未添加IBWE 阻垢劑時(shí)產(chǎn)生的CaCO3晶型主要為方解石和文石。而添加IBWE阻垢劑之后產(chǎn)生的CaCO3晶型不僅含有方解石以及文石的特征衍射峰，還存在秋霰石的特征衍射峰，同時(shí)衍射峰的強(qiáng)度還呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。由此證明，添加了IBWE 產(chǎn)生的CaCO3晶體的晶型出現(xiàn)了變化，且晶體的產(chǎn)生也遭到了限制。

圖2 不加阻垢劑(a)和加入提取物后(b)的CaCO3的XRD譜圖

CaSO4垢的主要存在形式是二水合硫酸鈣，由圖3所顯示的CaSO4晶體添加IBWE 前后的XRD 譜圖可以看出，在未添加IBWE 阻垢劑的情況下，其形成的CaSO4晶體在XRD 圖譜中產(chǎn)生了反應(yīng)極為強(qiáng)烈的二水合硫酸鈣特征衍射峰。而添加了IBWE 阻垢劑之后產(chǎn)生的CaSO4晶體的XRD 圖譜中，可以明顯地觀察出二水合硫酸鈣的特征衍射峰強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，IBWE 的添加對(duì)CaSO4晶體的生長(zhǎng)起到了限制作用。

圖3 不加阻垢劑(a)和加入提取物后(b)的CaSO4的XRD譜圖

3 討論

本研究用多種方式對(duì)從甘薯淀粉廢水中提取出來(lái)的具有緩蝕、阻垢性質(zhì)的物質(zhì)進(jìn)行研制，制成IBWE緩蝕阻垢劑，其不僅有著顯著的緩蝕、阻垢效果，還可以有效降低原料成本，以及實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的化工生產(chǎn)目標(biāo)，是一種真正的環(huán)境友好型緩蝕阻垢劑。根據(jù)研究結(jié)果表明，當(dāng)IBWE 濃度為2.0 g/L 時(shí)，其在鹽溶液中的緩蝕效率高達(dá)82.45%；此外，在IBWE 濃度對(duì)阻CaCO3以及CaSO4垢性能的影響分析中，IBWE 的濃度在1.5 g/L 時(shí)，其阻CaSO4垢的效率高達(dá)95%，當(dāng)IBWE的濃度在3.0 g/L 時(shí)，阻CaCO3垢的效率達(dá)到80%；并且依照垢晶體的XRD 分析結(jié)果可以得知，當(dāng)IBWE分子附著在垢晶體的生長(zhǎng)活性位點(diǎn)上時(shí)，會(huì)改變晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得晶體的生長(zhǎng)受到限制[7]。而從甘薯淀粉廢水中提取出來(lái)的IBWE 物質(zhì)之所以具備優(yōu)異的緩蝕阻垢性能，是因該物質(zhì)中的分子(比如葉酸、煙酸、抗環(huán)血酸、綠原酸等)存在大量的N、O 雜原子和芳香環(huán)以及多重鍵，對(duì)碳鋼等材質(zhì)起到緩蝕阻垢的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，IBWE 緩蝕阻垢劑無(wú)論是在研制還是性能方面，均可以有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，同時(shí)在化工生產(chǎn)中起到顯著的緩蝕阻垢效果，是一種極具應(yīng)用價(jià)值的環(huán)保型緩蝕阻垢劑。