酸性清洗劑對不銹鋼材質的腐蝕率研究

羅文姬 許雅棋 樂曉光 張麗蓉 宋金武 鄧金花

（廣東環凱生物技術有限公司，廣東韶關，512029）

原位清洗系統—CIP清洗系統（Clean in Place），是一種可免除設備拆卸的清洗系統，適用于食品、醫藥、精細化工等行業[1]。在食品加工過程中，尤其是飲料行業，由礦物質、乳石或礦物質等沉積到管道中形成難以去除的污垢。酸性清洗劑對無機物污垢具有很強的清洗能力[2-3]，為此，通常在原位清洗系統中，堿洗后會進行酸洗除去無機垢。酸性清洗劑主要成分一般是有機酸和無機酸或混合酸，如檸檬酸、乙酸、鹽酸、硝酸、磷酸等[4]。其中，硝酸和磷酸常用作CIP酸性清洗劑的主要成分。食品加工行業用設備大多數材質為不銹鋼，而CIP系統不可拆卸的特點，使得酸性清洗劑對設備的腐蝕率至關重要。酸性清洗劑在低濃度下，清洗效率降低；在高濃度下，則容易引起不銹鋼的腐蝕，降低設備使用壽命；不同種類的酸，腐蝕率不盡相同。不銹鋼的腐蝕又分為點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕。通常情況下，點蝕只有在含鹵素離子溶液中發生；晶間腐蝕在高溫條件下和特定介質中才發生，而且是無法通過表面觀察到的網狀腐蝕；縫隙腐蝕在金屬與非金屬交接處發生；應力腐蝕是在有力作用下發生脆性開裂的現象[5]。

本研究圍繞CIP酸性清洗劑的兩種主要成分磷酸、硝酸的濃度及配比，對不銹鋼腐蝕率的大小、酸的種類及濃度與腐蝕率的關系進行了探討。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硝酸（68%，廣州化學試劑廠），磷酸（85%，廣州化學試劑廠），七水硫酸鎂（AR，廣州化學試劑廠），無水氯化鈣（AR，廣州化學試劑廠），無水乙醇（廣州化學試劑廠），菲啰嗪法低量程鐵測定試劑（廣東環凱微生物科技有限公司），304不銹鋼片（50.00 mm×25.00 mm×4.00 mm），純水。可見光分光光度計（HACH DR 3900），電熱恒溫水浴鍋（HKM WBK-6A），數顯游標卡尺（廣陸），計時器。

1.2 鋼片的準備

分別使用180#和200#砂紙打磨鋼片，使得鋼片表面光滑，并測量其表面積。用去離子水沖洗鋼片表面2次，再用無水乙醇清洗2次，置于干凈濾紙上，用濾紙吸干表面水分。干凈的不銹鋼片存放在干燥器中干燥4 h待用。

1.3 腐蝕液的準備

參考標準QB/T 4313－2012《食品工具和工業設備用酸性清洗劑》[6]附錄A，用250 mg/kg硬水根據清洗劑使用稀釋比制備系列濃度的磷酸溶液、硝酸溶液以及磷酸硝酸混合溶液，作為腐蝕液。

1.4 腐蝕率測定

參考標準QB/T 4313－2012附錄B腐蝕率的測定，將不銹鋼片懸掛于腐蝕液中，并置于80℃恒溫水浴2 h。在本研究中，使用失重法無法準確稱量不銹鋼片損失質量，因此在該標準基礎上，結合菲啰嗪法，對不銹鋼片腐蝕率測定方法進行了修改。

具體測定方法如下：取適量腐蝕液，加入鐵測定試劑，顯色5 min后，用可見分光光度計測定溶液中鐵離子濃度。根據腐蝕液中鐵離子濃度，計算不銹鋼片損失質量。每組做3個平行，測試結果取平均值，每組需做一個空白。同時，在不同時間內進行測定，觀察實驗的再現性。

2 結果與討論

2.1 磷酸濃度對腐蝕率影響

本研究使用菲啰嗪法，通過可見光分光光度計測定腐蝕液中鐵離子含量，從而計算出不銹鋼的腐蝕率，結果見表1。4個不同時間下的測定結果和規律相近，與4次實驗結果平均值的偏離程度不大，見表2。通過計算均值對磷酸濃度作圖得到圖1。從圖1可以看出，隨著磷酸含量的增加，鐵的腐蝕率逐漸增加。這是因為不銹鋼表面并非完全光滑，事實上，如果金屬表面上結晶的任何位錯、缺陷或者晶格歪曲等都會導致物理化學性質的不均一，或與金屬相接觸的介質理化性質不同，這些都會使金屬表面產生電位差，從而導致不銹鋼片發生電化學腐蝕[7]。隨著H+增加，陰極不斷吸收電子，而陽極Fe不斷失去電子生成Fe2+，腐蝕增加。

表1 不同濃度磷酸腐蝕率 K %

表2 不同濃度磷酸腐蝕率相對偏差d %

圖1 腐蝕率與磷酸濃度關系

2.2 硝酸濃度對腐蝕率影響

硝酸對不銹鋼片腐蝕率通過測定腐蝕液中鐵離子含量計算得到。同樣分別在4個不同時間進行實驗，結果見表3。4個不同時間下的測定結果和規律相近，與4次實驗結果平均值的偏離程度不大，見表4。通過計算均值對硝酸濃度作圖得到圖2。從硝酸腐蝕率測定結果看出，硝酸含量在實驗范圍內，腐蝕率呈現先增加后減少趨勢，其中腐蝕率最高值出現在0.90%附近。

表3 不同濃度硝酸腐蝕率 %

表3 不同濃度硝酸腐蝕率 %

硝酸濃度 腐蝕率 均值 1 2 3 40.60.70.80.91.00.67970.70060.72590.79940.75510.68070.69940.72530.79850.75420.68190.70150.72490.80070.75390.68150.69960.72460.79820.75140.68100.70030.72520.79920.7537 K K

表4 不同濃度硝酸腐蝕率相對偏差d %

圖2 腐蝕率與硝酸濃度關系

鐵在氧化性酸中腐蝕特點如下：腐蝕速度與酸濃度的關系較為復雜。在稀酸中，隨著H+還原的陰極去極化過程的進行，鐵發生溶解。當酸濃度增加到一定值后，酸的氧化作用變得很強，使鐵鈍化，腐蝕率下降。根據成相膜理論，成相膜是一種具有保護性的鈍化膜，此時的不銹鋼表面直接生成固相產物γ-Fe2O3，形成鈍化膜，這種表面膜層是表面金屬原子與定向吸附的水分子或OH-之間相互作用而形成的[7]。另外，腐蝕速度也與溫度相關且關系復雜[7]，特別是氧去極化腐蝕，隨著溫度增加，氧擴散速度增加，但溶解度下降。本研究在80℃下，不銹鋼片在敞口系統中腐蝕，溶解氧量會不斷下降而使氧去極化腐蝕率下降。

2.3 混酸配比對腐蝕率影響

不同配比混酸對不銹鋼的腐蝕率結果見表5。從結果看，腐蝕率隨硝酸增加、磷酸降低，呈現先上升后趨于平穩再下降的規律。4個不同時間下的測定結果和規律相近，與4次實驗結果平均值的偏離程度不大，見表6。通過計算均值對磷酸濃度作圖得到圖3。由此推測其腐蝕機理：在配比為2～8時，硝酸同時存在鈍化和腐蝕，再加上磷酸腐蝕作用，鈍化作用小于腐蝕作用，最終表現為酸腐蝕；當配比為16時，由于硝酸的鈍化作用大于腐蝕作用，而由于少量磷酸存在，使得腐蝕仍然存在。

表5 混合酸組分配比對不銹鋼片的腐蝕性研究 %

表6 混合酸配比對不銹鋼片的腐蝕率相對偏差d %

圖3 腐蝕率與混酸配比關系

3 結論

通過研究磷酸、硝酸單一組分的腐蝕率，得出了腐蝕率隨磷酸濃度增加而增加，隨硝酸濃度增加先增加后下降。兩種組分對比，磷酸更容易造成腐蝕，而硝酸在高濃度下可鈍化不銹鋼片，減少不銹鋼片的腐蝕。通過不同配比下的硝酸/磷酸混合溶液的腐蝕率研究，得到增加硝酸濃度同時減少磷酸濃度，有利于減緩不銹鋼的腐蝕。因此，可從酸組分和配比2個方面調整CIP酸性清洗劑配方，必要時也可加入少量緩蝕劑，以達到防腐蝕的目的。