可溶性硅酸鈉鹽水溶液在流動腐蝕行為中的作用機制研究

郝麗敏

（重慶航天職業技術學院黨委辦公室，重慶 400021）

硅、氧和金屬鈉元素構成的化合物總稱為硅酸鈉鹽，分子式為Na·nSiO2，n 為模數[1～3]。硅酸鹽應用領域主要集中在建材上，包括各種陶瓷、水泥以及玻璃制品中，都能夠用到硅酸鈉鹽，甚至在建材和耐火材料上也有硅酸鈉鹽的一席之地，硅酸鈉鹽還可用于制作人工晶體。考慮到硅酸鹽結構的特殊性，已知模數越大的硅酸鈉鹽，其可溶性越差。硅酸鈉(n≤3)為最常見的可溶性硅酸鈉鹽，而偏硅酸鈉和五水偏硅酸鈉則不那么常見，這些硅酸鈉鹽溶于水時呈現出堿性。相比較汽油、硝酸鹽、硫酸這類危險系數較高的物品，硅酸鈉鹽的腐蝕性似乎并沒有引起人們的重視[4，5]。但是硅酸鈉鹽比起這些易燃易爆腐蝕物品，其腐蝕性造成的危害并不小。日常在化工生產和倉庫儲存中，常常發生硅酸鈉鹽泄漏的事件，由于防護不當導致的腐蝕性危害同樣對生活產生嚴重的影響[6]。因此需要對可溶性硅酸鈉鹽水溶液的流動腐蝕作用機制做出進一步研究。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器及主要試劑

首先選擇實驗儀器，針對可溶性硅酸鈉鹽水溶液計量的pH 測定儀，型號PE28，pH 測量區間在0～14 之間。針對實驗材料進行金屬腐蝕性測試的儀器，型號為HWP04l0S，控溫區間在室溫達到80℃左右。實驗試樣選擇非復合型7075-T6 的鋁片金屬材料，材料比例為50mm×20mm×3mm 的復合型金屬材料；選擇S235JR+CR(1.0037resp.St 37-2)型號的鋼片材料，材料比例為50mm×20mm×3mm 的金屬材料。實驗試劑選擇市面常見的硅酸鈉鹽顆粒，分子式為Na2SiO2，硅酸鈉鹽模數在2～3 之間；在可溶性水溶液添加五水偏硅酸鈉，分子式Na2SiO3·5H2O；選擇九水偏硅酸鈉制備試劑，分子式Na2SiO3·9H2O。

1.2 應用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕

在室溫條件下，將(n=2,3)硅酸鈉溶于鈉和五水偏硅酸鈉的水溶液中，待溶液靜置10min后，選擇6 組準備好的鋁片和鋼片，分別進行單相流腐蝕、雙相流腐蝕以及多相流腐蝕[7]。對實驗金屬材料試樣進行全浸、半浸和懸掛腐蝕，測量實驗前材料金屬的質量，進一步測量金屬材料的懸空狀態時表面銹層的厚度，分析可溶性硅酸鹽溶液對材料的腐蝕作用。提取可溶性硅酸鈉水溶液中存在的Na2SiO3、H2SiO3、O2、Na+、SiO32-、OH-的離子物質，利用離子物質在55℃時與Fe 的氧化反應，檢測實驗材料在堿性溶液中發生的吸氧反應。對于垢下腐蝕性質進行分析，整合其流動沉積特性[8]。觀察實驗材料在規定的時間內是否出現腐蝕狀態。分別針對三種流動腐蝕狀態進行腐蝕試驗，對比鋁片試樣和鋼片試樣的腐蝕狀態，針對半浸狀態的試樣腐蝕速率進行測量，并以半浸狀態作為水平腐蝕頂峰，以此平行對比全浸狀態下的實驗材料流動腐蝕狀態。并對實驗材料的結垢速率和質量損失進行計算，通過結垢與質量損失進行流動腐蝕表面失膜速率的測定[9～11]。以實驗鋁片試樣出現腐蝕氣液界面為限，對其向周圍擴散的腐蝕流動性進行分析，并根據腐蝕流動現象推導出可溶性硅酸鈉鹽水溶液對實驗材料的腐蝕種類。通過吸氧腐蝕還原材料腐蝕陰極表面失膜過程，針對擴散反應蔓延速率進行測量，將液面中氣泡遷移對比電子還原反應。利用陽極失去電子氧化對比吸氧腐蝕，腐蝕的過程正負極主要發生如式(1)的化學反應。

對實驗材料試樣三個實驗階段的表面結構進行分析，可以得到可溶性硅酸鈉鹽水溶液對鋁的腐蝕過程，針對表面腐蝕均勻程度進行分析，利用點灼處理樣本表面結構，對樣本表面pH 值進行測量。利用樣本材料吸氧腐蝕的特性分析其氣液界面，并在周圍蔓延進行流動腐蝕速率的計算。測試流動腐蝕材料表面鈍化膜溶解的速率，當材料試樣厚度被流動腐蝕呈現出均勻出現減薄均勻時，對穩定下來的腐蝕反應速率進行計算。實驗開始后，腐蝕產物在實驗材料試樣表面開始大量積累，這在一定程度上會對金屬表面的反應速率產生影響，從而造成金屬表面反應不均，并進一步加劇實驗材料表面點蝕，分析完上述實驗過程后，對實驗結果進行總結分析。

2 實驗結果分析

2.1 測量流動腐蝕材料pH 值變化范圍

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕，監測實驗中的流動腐蝕材料pH 值變化范圍，如表1 所示。

通過分析表1 中數據可知：當可溶性硅酸鈉鹽水溶液模數≤3 時，流動腐蝕材料pH 區間維持在11～13.6 范圍內，流動腐蝕材料呈現出堿性。當可溶性硅酸鈉鹽水溶液質量分數為0.1%時，流動腐蝕材料的pH 值在11～12 之間上下波動。當質量分數保持不變時，流動腐蝕材料的溶液的pH 值增加的幅度與隨模數的減小相關，且其pH 值減小幅度也會隨著溶液內水含量的增加而遞減。當可溶性硅酸鈉鹽水溶液質量分數增加時，流動腐蝕材料的pH 值和溶液pH 趨向一致，穩定在13.3。

表1 流動腐蝕材料pH 值變化范圍

2.2 測定可溶性硅酸鈉鹽水溶液對流動腐蝕材料特性的影響

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液，分別對兩種流動腐蝕金屬材料進行全浸、半浸和懸掛流動腐蝕，得到兩種流動腐蝕金屬材料，使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕前后的對比結果如圖1 所示。

圖1 流動腐蝕前后兩種流動腐蝕金屬材料對比結果

根據圖1 中得到的對比結果可以看出：在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕之后，采用全浸和半浸的方式對鋼片金屬材料進行流動腐蝕的表面質量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕之前無太大的差別，其鋼片金屬材料顏色分別在中間和上半部分發生變化，且鋼片金屬材料表面質量出現不同程度的銹斑。而采用懸掛的方式對鋼片金屬材料進行流動腐蝕的表面質量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕之前存在較大的差別，其鋼片金屬材料顏色變化得十分明顯，且鋼片金屬材料表面質量嚴重受損，并在此基礎上出現了結垢現象。

采用全浸和懸空的方式對鋁片金屬材料進行流動腐蝕的表面質量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕之前無太大的差別，其鋁片金屬材料顏色較使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕之前加深，且鋁片金屬材料表面質量腐蝕均勻。而采用半浸的方式對鋁片金屬材料進行流動腐蝕的表面質量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕之前存在較大的差別，其鋼片金屬材料表面的鈍化膜出現溶解現象，且堆積了大量的流動腐蝕所生成的產物。

2.3 測定流動腐蝕材料表面失膜速率

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕，計算得到實驗中的流動腐蝕材料表面失膜速率，如圖2 所示。

圖2 流動腐蝕材料表面失膜速率

分析圖2 中數據可知：流動腐蝕表面失膜速率，在可溶性硅酸鈉鹽水溶液質量分數達到一定程度后趨于穩定，不再隨著質量分數的增加而增加。其中實驗材料鋁片在同試驗中受到腐蝕的可能性更高，半浸鋁片的流動腐蝕材料表面失膜速率最高為55%。全浸鋁片的流動腐蝕材料表面失膜速率最高為50%，懸掛鋁片的流動腐蝕材料表面失膜速率最高為45%。全浸鋼片和半浸鋼片的流動腐蝕材料表面失膜速率最高為20%，懸掛鋼片的流動腐蝕材料表面失膜速率最高為18%。

2.4 測定流動腐蝕材料最大腐蝕速率

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進行流動腐蝕，計算得到實驗中的流動腐蝕材料最大腐蝕速率，如表2 所示。

表2 流動腐蝕材料最大腐蝕速率

根據表2 中的數據可知：硅酸鈉在水溶液中的質量分數相同的條件下，隨著可溶性硅酸鈉鹽水溶液模數的降低，兩種流動腐蝕金屬材料的最大腐蝕速率隨之增加。其鋁片金屬材料的最大腐蝕速率為54.75%，鋼片金屬材料的最大腐蝕速率為30.57%。

3 實驗結果討論

當硅酸鈉的模數≥3 時，可溶性硅酸鈉鹽的水溶液的流動腐蝕性不強，難以對金屬材料造成腐蝕效果。因此，在進行日常運輸時，按照普通貨物(非腐蝕品)運輸即可。當碳酸鈉鹽的模數≤2 時，可溶性硅酸鈉鹽的水溶液的流動腐蝕性大幅度提升，其對金屬材料的腐蝕的最低質量分數區間為1.5%～4.3%之間。因此，在運輸過程中，此類硅酸鈉鹽的參照標準應當向危險腐蝕性貨物靠攏，并對硅酸鈉鹽的腐蝕性進行標注。對于日常生產、儲存和使用硅酸鈉鹽，應當使用鋼制設備或容器進行可溶性硅酸鈉鹽存儲，盡量避免鋁制設備和容器。若不可避免將兩者置于同一空間內，應當采取懸掛的方式，或者用惰性物質鍍在接觸面，防止與硅酸鈉鹽發生流動腐蝕反應。在運輸時，鋁制容器會與可溶性硅酸鈉鹽水溶液發生反應，因此，應當保證硅酸鈉鹽是固體形態。

4 結束語

通過本文研究，得到可溶性硅酸鈉鹽水溶液在流動腐蝕中會與金屬材料發生反應的結果，且流動腐蝕材料pH 值與可溶性硅酸鈉鹽水溶液的質量濃度相關。今后應當對于多相流的腐蝕規律進行研究，以腐蝕加劇的機制為方向，繼續對多相流場下腐蝕的誘發機理進行分析。