工業(yè)循環(huán)冷卻水含鋅低磷鐵系預(yù)膜劑的研究

侯 雋，張凱瑞，李 菲，吳海君

(上海洗霸科技股份有限公司 上海 200080)

清洗預(yù)膜是工業(yè)循環(huán)冷卻水處理的重要環(huán)節(jié)[1]，該環(huán)節(jié)確保設(shè)備管道安全運(yùn)行和抑制腐蝕[2]。新設(shè)備投入使用前或者舊設(shè)備改造后，系統(tǒng)換熱表面會(huì)有一層浮油、浮銹并堆積雜質(zhì)。此時(shí)通過(guò)清洗，洗掉雜質(zhì)的同時(shí)也為預(yù)膜創(chuàng)造出新鮮光潔的金屬表面環(huán)境[3]。預(yù)膜的過(guò)程是建立在處于活化狀態(tài)的活潑金屬表面上，或其保護(hù)膜受到重大損傷的金屬表面上，在投入正常運(yùn)行之前預(yù)先生成一層完整而耐蝕的保護(hù)膜[4]。清洗預(yù)膜可以保證設(shè)備運(yùn)行順利、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提高生產(chǎn)能力、減少能源消耗，同時(shí)凈化環(huán)境[5]。

預(yù)膜劑的配方使用方案一般可采用提高濃度和專(zhuān)用配方兩種[6]。提高濃度預(yù)膜方案主要是提高緩蝕劑的成膜效果，在循環(huán)水系統(tǒng)初期投加較高濃度的緩蝕劑量，待成膜后，再降低藥劑濃度維持補(bǔ)膜和緩蝕作用[7]。典型的專(zhuān)用配方預(yù)膜方案是對(duì)金屬表面進(jìn)行鈍化處理，在常見(jiàn)的鈍化方法中，亞硝酸鈉法的鈍化工藝簡(jiǎn)單、鈍化溫度低、時(shí)間短、鈍化膜致密，但亞硝酸鈉的毒性較大、后續(xù)需要處理廢液[8]。

本實(shí)驗(yàn)采用的預(yù)膜劑主要成分是硫酸鋅、有機(jī)膦、七水合硫酸亞鐵等，創(chuàng)新性提出將鐵引入工業(yè)循環(huán)水處理藥劑中并驗(yàn)證其有效性。低磷預(yù)膜劑對(duì)環(huán)境的危害小，同時(shí)鐵離子的引入也有一定的實(shí)際生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用意義。本實(shí)驗(yàn)為工業(yè)循壞水預(yù)膜劑的配方研究提供了新思路和數(shù)據(jù)支持，為循環(huán)水系統(tǒng)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行提供參考[9]。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與藥劑

儀器：XYZK-A型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕儀，高郵市新郵儀器廠。

藥劑：七水硫酸鋅：化學(xué)純；有機(jī)膦：化學(xué)純；七水合硫酸亞鐵：分析純；硫酸：分析純；聚馬來(lái)酸酐：化學(xué)純；多元共聚物：化學(xué)純；葡萄糖酸鈉：分析純；三乙醇胺：分析純；氯化鈉：分析純；五水硫酸銅：分析純；乙醇：分析純；氫氧化鈉：分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為上海市嘉定區(qū)自來(lái)水，其水質(zhì)：pH=7.53、電導(dǎo)=351 μs/m、鈣硬(CaCO3)=97 mg/L、總硬(CaCO3)=133 mg/L、堿度(CaCO3)=186 mg/L、氯根=37 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將14 L配好的實(shí)驗(yàn)用水?dāng)噭蚓|(zhì)后分別加到7個(gè)2 L燒杯中，然后加入復(fù)配好的不同配方的預(yù)膜劑。將燒杯置于旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕測(cè)試儀上，然后將乙醇處理好的I型A3碳鋼掛片掛入水中，以 75 r/min 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)燒杯用蓋子蓋上以防止水分蒸發(fā)，因此在運(yùn)行期間不用補(bǔ)水。試驗(yàn)結(jié)束后，用硫酸銅-氯化鈉混合溶液滴定檢測(cè)掛片，測(cè)試預(yù)膜效果。

1.4 分析方法

參照《冷卻水系統(tǒng)化學(xué)清洗、預(yù)膜處理技術(shù)規(guī)則》(HG-T 3778-2005)，采用硫酸銅和氯化鈉混合溶液滴定預(yù)膜后的掛片，用秒表計(jì)掛片上出現(xiàn)紅色點(diǎn)狀的時(shí)間，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變色時(shí)間>10 s即合格，時(shí)間越長(zhǎng)，預(yù)膜效果越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋅、鐵、有機(jī)膦的添加量對(duì)預(yù)膜劑的效果影響

預(yù)膜劑中添加鋅、鐵對(duì)含磷預(yù)膜劑的使用效果存在一定的影響，適量添加有助于預(yù)膜劑發(fā)揮更好的預(yù)膜效果。本組實(shí)驗(yàn)基本條件見(jiàn)表1，所用的預(yù)膜劑的組分百分含量對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 預(yù)膜實(shí)驗(yàn)的基本條件

表2 預(yù)膜劑組分的百分含量

初始水質(zhì)pH調(diào)節(jié)到6.2～6.3，在預(yù)膜劑的投加量均為500 mg/L，本次實(shí)驗(yàn)中鐵和葡萄糖酸鈉配合使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可總結(jié)如下結(jié)論：配方1#與配方2#對(duì)比，鐵配合添加對(duì)磷-鋅預(yù)膜劑的預(yù)膜效果有促進(jìn)作用；配方2#與配方3#對(duì)比，在磷-鋅預(yù)膜劑中，適量增加鐵的含量，對(duì)預(yù)膜劑的促進(jìn)作用較高；配方2#與配方4#對(duì)比，降低磷的含量預(yù)膜劑的效果下降明顯；配方2#與配方5#對(duì)比，在含鐵的狀態(tài)下，提升鋅的含量對(duì)磷-鐵預(yù)膜劑的預(yù)膜效果起抑制作用；配方4#與配方6#對(duì)比，在鋅含量較高的狀態(tài)下，預(yù)膜劑中是否含磷對(duì)預(yù)膜劑的預(yù)膜效果影響不大；配方6#與配方7#對(duì)比，在鋅含量較高的狀態(tài)下，無(wú)磷并提高鐵的含量對(duì)預(yù)膜效果有促進(jìn)作用。

2.2 水質(zhì)pH條件對(duì)預(yù)膜劑效果影響

水質(zhì)的pH對(duì)于預(yù)膜劑的預(yù)膜效果存在一定的影響。適量提高水質(zhì)pH，會(huì)有鈍化作用促進(jìn)預(yù)膜，但pH過(guò)高，不利于預(yù)膜；pH較低時(shí)，水質(zhì)會(huì)對(duì)掛片有一定的腐蝕作用。

基于2.1中所用的配方，在其他條件不變的情況下改變水質(zhì)pH，預(yù)膜劑的預(yù)膜效果如表3所示。

表3 不同水質(zhì)pH條件下預(yù)膜劑的預(yù)膜效果

總體來(lái)看，過(guò)低的pH(pH<6.1)和補(bǔ)鈣所引入水質(zhì)中的氯離子會(huì)使掛片腐蝕，難以在掛片表面形成保護(hù)膜。在水質(zhì)pH為6.1～6.4范圍內(nèi)，均有一些配方顯示出較好的預(yù)膜效果，但是pH較高(pH>6.5)時(shí)，預(yù)膜效果明顯減弱。

在水質(zhì)pH為6.1～6.4范圍內(nèi)，顯示出預(yù)膜效果會(huì)隨著水質(zhì)的pH的降低而減弱。預(yù)膜是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜過(guò)程，引入鐵離子輔助預(yù)膜過(guò)程，考慮到的是鐵離子起到了一定的腐蝕作用，同時(shí)預(yù)膜劑中含有的鋅離子起到緩蝕作用，同時(shí)水質(zhì)條件也會(huì)影響掛片的腐蝕和預(yù)膜過(guò)程。總結(jié)來(lái)看，在多種條件的共同作用下達(dá)至平衡狀態(tài)會(huì)使預(yù)膜劑達(dá)到最佳使用效果。

2.3 預(yù)膜時(shí)間對(duì)預(yù)膜效果的影響

基于2.1中所用的配方，選取水質(zhì)pH為6.2～6.3，在其他條件不變的情況下延預(yù)膜時(shí)間至48 h，對(duì)比預(yù)膜效果如圖2所示。延長(zhǎng)預(yù)膜時(shí)間在一定程度上有助于預(yù)膜，但并不能對(duì)預(yù)膜效果得到較大的提升。延長(zhǎng)預(yù)膜時(shí)間雖然對(duì)預(yù)膜效果有利，但提高的效果并不特別明顯，所以就本次試驗(yàn)而言，預(yù)膜24 h即可。類(lèi)推到現(xiàn)場(chǎng)預(yù)膜過(guò)程中，不能單獨(dú)依靠提高預(yù)膜時(shí)間來(lái)增強(qiáng)預(yù)膜效果。

圖2 不同的預(yù)膜時(shí)間下不同預(yù)膜劑配方的滴定變色時(shí)間Fig.2 Titration discoloration time of different pre-film formulations at different pre-film time

3 結(jié) 論

(1)在傳統(tǒng)的磷-鋅預(yù)膜劑中創(chuàng)新性地加入鐵應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水處理藥劑中，加入適量的鐵有助于預(yù)膜效果；

(2)對(duì)于含磷、鐵、鋅預(yù)膜劑，過(guò)量的鋅存在并不能提高預(yù)膜效果，良好的預(yù)膜效果需要緩蝕和腐蝕達(dá)到平衡；

(3)弱酸性條件的水質(zhì)是適合含磷、鐵、鋅預(yù)膜劑的最佳水質(zhì)pH條件；

(4)延長(zhǎng)預(yù)膜時(shí)間可以提升預(yù)膜效果，但提升幅度不大且不可單一依靠提升預(yù)膜時(shí)間來(lái)增強(qiáng)預(yù)膜效果。