蒸餾海水淡化產品水對鑄鐵材質腐蝕研究

王曉玲，徐 克，蘇立永，張 乾

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

蒸餾海水淡化產品水對鑄鐵材質腐蝕研究

王曉玲，徐 克，蘇立永，張 乾

(國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

分析了多級閃蒸海水淡化產品水水質特點，研究了淡化水對鑄鐵管網的腐蝕影響。利用穩定指數法、失重法、電化學分析和腐蝕產物的XRD檢測等方法開展了實驗研究。實驗結果顯示了淡化水對鑄鐵試片的腐蝕程度及淡化水對鑄鐵腐蝕產物的類型，可為淡化水進入市政管網提供參考。

海水淡化；產品水；鑄鐵；腐蝕

隨著淡水資源的日益缺乏，海水淡化的產品水大規模進入供水管網是必然的趨勢。海水淡化水是非傳統的水源，雖然在衛生方面不會直接威脅人們的健康，但海水淡化產品水是腐蝕性水質[1]，進入管網后會使管網的金屬釋放，破壞管表面存在的無機薄膜[2]，也能使管網中的腐蝕瘤溶解，發生“紅水”現象[3]，從而影響管網壽命。

本文通過穩定指數法、失重法、電化學分析和腐蝕產物的XRD檢測等方法分析探討淡化水的腐蝕性和腐蝕產物類型，以便選擇最佳的防腐蝕措施，為淡化水進入管網提供參考。

1 淡化水腐蝕性分析

目前商業化的蒸餾海水淡化包括多級閃蒸（MSF）和多效蒸餾（MED）兩種淡化方式，總的來說其產水各項指標均符合國家飲用水標準，是優質的純凈水。由表1可見，MSF和MED海水淡化的產水水質基本一致，含鹽量低，TDS一般＜10 mg/L，pH 一般在 5.0～6.7 之間，Cl－、SO42－、F－、HCO3－等含量都非常低。

由于淡化水pH值較低，堿度僅存在HCO3－且含量較低，加之鈣含量幾乎接近于零，因此水質緩沖能力差。當輸送淡化水時，淡化水可破壞金屬表面的鈍化層，與鐵發生溶解，造成鐵的溶解釋放。

表1 海水淡化產水水質指標

可用 Langelier 飽和指數 （LSI）、Ryznar穩定指數（RSI）、Larson比率（LR）初步判定淡化水的穩定性。根據MSF的相關水質指標、溫度，查相關常數表，計算可得其判定指標。綜合水質穩定指數參考值，可見上述某MSF的水質屬于腐蝕性水質，且腐蝕傾向嚴重，見表2。

2 試驗內容及方法

表2 某MSF水質穩定性評價

根據 《水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉掛片法》（GB/T 18175－2000）測定淡化水對金屬管的腐蝕速率，監測淡化水腐蝕性的變化趨勢。輔以電化學的方法測量淡化水的腐蝕電位和極化曲線，X－射線衍射（XRD）進行微觀形貌、化學成分分析，考察淡化水的腐蝕類型和腐蝕程度。

3 試驗條件

3.1 研究材料

3.1.1 試驗水質

上述MSF產品水。

3.1.2 試片材質

在供水管網中，鑄鐵管是供水管網中使用最多的一種管材。其耐壓可以超過2.0 MPa，管件規格齊全，拆裝便利，且通常有50～100 a的使用壽命，比鋼管耐腐蝕性強。如上海的供水管網中鑄鐵管占地下供水管網的56%[4]。我國臺北市在1996年敷設的3 412 km的管道中，球墨鑄鐵管占84.42%。日本東京城市供水管網中，球墨鑄鐵管約占90%。美國近幾年內，年安裝供水管道2.3×105km，其中球墨鑄鐵管占47.7%[5]。因此，在掛片試驗和電化學試驗中采用鑄鐵材質的試片和電極進行相關測試。

3.2 旋轉掛片試驗

3.2.1 測試標準

《旋轉掛片法》（GB/T 18175-2000）

3.2.2 藥劑

無水丙酮、無水乙醇、酸洗溶液（500 mL鹽酸溶液，加入4 g六次甲基四胺，溶解后混勻。）

3.2.3 試驗條件

（1）水浴溫度為常溫；

（2） 轉速 140 r/min；

（3）試片為50 mm×25 mm×2 mm的鑄鐵試片。

3.3 電化學試驗

3.3.1 儀器及材料

采用CHI660C型電化學工作站測量。試驗所用的工作電極材料為球墨鑄鐵。Pt為輔助電極；飽和汞-硫酸汞電極為參比電極；工作電極用環氧樹脂封嵌，工作面積為1.0 cm2。

3.3.2測試條件

試驗溫度25℃。

3.4 XRD分析

采用荷蘭X’pert PRO型X-射線衍射儀測定。

4 試驗結果及分析

4.1 掛片測試

經過135 h的試驗，燒杯內的水樣均呈不同程度的混濁狀態，顏色呈紅褐色，燒杯底部有沉淀，在蒸餾水中沖洗后，洗掉的腐蝕產物呈針狀，實驗結果見圖1。經過計算，淡化水平均腐蝕速率為1.144 8 mm/a，遠遠大于《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB50050-2007）中規定的0.075 mm/a。

圖1 鑄鐵在淡化水中的腐蝕速率變化

從圖1可以看出，90 h以內鑄鐵的腐蝕速率會隨時間變化而越來越大，最大腐蝕速率達到了1.270 6 mm/a，已經嚴重超標，但當大于90 h以后會降低。原因可能是：燒杯內的淡化水始終沒有更換，導致水中已經達到了溶解平衡，腐蝕速率有所降低。如果采用不斷流動的淡化水，勢必會使腐蝕加劇。

4.2 電化學測試

鑄鐵在淡化水中的自腐蝕電位和極化曲線見圖2和圖4。鑄鐵在自來水中的自腐蝕電位和極化曲線見圖3和圖4。

圖2 鑄鐵在淡化水中的自腐蝕電位

圖3 鑄鐵在自來水中的自腐蝕電位

圖4 鑄鐵在淡化水和自來水中的極化曲線

從以上圖中可以看出，淡化水的自腐蝕電位大約在-0.360 V左右，而自來水自腐蝕電位大約為-0.635 5 V，淡化水較容易腐蝕。淡化水腐蝕電流密度約1.6×10-7A/cm2，比自來水腐蝕電流密度小，則初始的腐蝕速率相對不高。原因是淡化水和自來水的腐蝕機理不同。淡化水pH低，電導率不高，陰離子的影響比較小，因此初始腐蝕速率較小，其腐蝕主要是陰極發生析氫反應，破壞了鑄鐵表面氧化膜，使其溶于淡化水中，且會不斷腐蝕金屬以達到溶解平衡。而自來水TDS相對較高，電導率高，并有一定的堿度和硬度，加上Cl-的影響加速了腐蝕，其腐蝕主要是受陰極擴散的影響，從極化曲線上看腐蝕主要是受氧的去極化作用控制，在金屬表面生成OH-，而陽極失去電子，使鐵溶解成Fe2+，受氧的氧化進一步生成Fe3+。

4.3 XRD分析

鑄鐵在淡化水中旋轉掛片180 h后，水溶液呈褐色渾濁；試片表面腐蝕產物呈棕黃色，細膩松散，震蕩后表面腐蝕產物大部分脫落，腐蝕不均勻；酸洗時無氣泡，清洗后表面有點蝕，見圖5。

圖5 淡化水中鑄鐵試片清洗前后外觀

鑄鐵在自來水中浸泡后，水溶液中存在紅褐色和黑色物質；腐蝕產物分為兩層，表面為紅褐色，顆粒較大，呈瘤狀，內部為黑色物質，腐蝕均勻；酸洗腐蝕產物時，有氣泡產生，見圖6。

圖6 自來水中鑄鐵試片清洗前后外觀

為了對腐蝕產物的特性進行分析，對已腐蝕的試片表面的晶體結構進行XRD分析，圖7是對腐蝕產物所作的圖譜。

對照圖譜特征分析，淡化水對鑄鐵水管的腐蝕產物幾乎全是FeOOH。

對于自來水，Sarin、Lin、Kevin 等人研究[6]發現：自來水對鑄鐵的腐蝕產物含有以下成分：α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe-CO3，而其內層主要晶體結構為Fe3O4。

可見，淡化水的腐蝕產物在顏色、附著力和物質結構上都與自來水不同，腐蝕的機理也不相同，實際應用中對鑄鐵管道的影響也應區別對待。

圖7 淡化水XRD分析圖譜

5 結論

供水行業中水質的化學穩定問題普遍存在，在海水淡化過程中，破壞了水質的穩定性，pH、堿度、硬度較低，使管網的金屬離子溶解，且不能生成碳酸鈣薄膜覆蓋在管壁上保護管道，造成管網的腐蝕和水質變差。研究表明：

（1） 淡化水 LSI=-3.35，RSI=12.36，LR=15.76， 屬于嚴重腐蝕性水質。

（2）對淡化水的旋轉掛片試驗表明，鑄鐵在淡化水中的腐蝕速率可達1.27 mm/a，遠遠大于《工業循環冷卻水處理設計規范》（GB50050-2007）中規定的 0.075 mm/a，且隨著新鮮淡化水的不斷輸送腐蝕速率加劇。

（3）從電化學的角度來看，淡化水的腐蝕機理與自來水不同，其自腐蝕電位約-0.360 V，腐蝕電流密度約1.6×10-7A/cm2，其初始腐蝕速率相對自來水不高。

（4）淡化水的腐蝕產物與自來水不同，淡化水對鑄鐵水管的腐蝕產物主要是FeOOH，進一步證明腐蝕機理與自來水不同。

建議長期現場監測淡化水對管道的腐蝕狀況，且淡化水進入管網前應進行必要的后處理措施，如調解pH值、加堿、礦化等。

[1]Desalination for Safe Water Supply[R]．Geneva：World Health Organization，2007．

[2]Laurie S McNeill，Marc Edwards．Iron pipe corrosion in distribution systems[J].American Water Works Association，2001，93(7)：88-93.

[3]Y Dreizin， A Tenne， D Hoffman.Integrating large scale seawater desalination plants within Israel’s water supply system[J].Desalination ，2008，220(1-3)：132-149.

[4]姚黎光.上海供水管網問題現狀與對策[J].建設科技，2008，05：78-79.

[5]劉慧，孫勇，等.給水排水管材實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]周韜.鐵質給水管道內壁腐蝕對管網水質影響研究 [D].長沙：湖南大學土木工程學院，2006.

Abstract：The characteristics of product water from multi-stage flash desalination(MSF)are investigated and its influence on municipal water pipe which is made of cast iron is researched.Corresponding experiments have been completed by different methods such as stability index,weight loss,electrochemical analysis and XRD testing.The results provided the corrosion degree of the cast iron specimens and the types of corrosion products caused by desalted water.Thus,this study would be meaningful for the usage of desalted water in municipal pipe networks.

Key words：seawater desalination;product water;cast iron;corrosion

Research on the Corrosion of Cast Iron Caused by Product Water of Distilled Seawater Desalination

WANG Xiao-ling,XU Ke,SU Li-yong,ZHANG Qian
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China）

P747，TG172.5

A

1003－2029（2011）01－0099－04

2010－11－03

2008年中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（K－JBYWF－2008－C03）

王曉玲（1977－），女，研究領域：海水淡化技術。Email:daisycany@yahoo.com.cn