環境友好型緩蝕阻垢劑的研制與性能分析

李秀峰，張保利(河北省冶金研究院，河北 石家莊 050031)

0 引言

化工行業冷卻水循環系統的緩蝕阻垢劑應用原因主要體現在兩方面。第一，在化工行業的冷卻水循環系統中，其使用的水源普遍為自來水以及地下水，雖然這兩種水的水質存在一定差異性，但是卻共同含有Ca2+、HCO33-、Mg2+、SO42-以及PO43-等離子物質，極易在日常生產過程中受水溫以及pH 值等因素的影響，導致陰陽離子產生化學反應，形成碳酸鈣、硫酸鈣、磷酸鈣等沉淀物質，以上物質在達到一定數量之后便會全部堆積在管道以及熱交換器等位置，進而形成積垢，輕則會導致該循環系統出現管道設備堵塞以及熱交換器傳熱性能降低等問題，嚴重時則會造成安全風險[1]。第二，碳鋼作為冷卻水循環系統中熱交換器的主要材質，在長期運作過程中難以避免地會與空氣、水和化學品進行接觸，進而使碳鋼受到氧化和腐蝕等。雖然避免以及減緩結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、實用性高以及操作簡單便捷的方法，更具應用價值。

甘薯中含有大量的淀粉物質，在淀粉物質加工過程中會產生大量的廢水，為環境保護帶來負面影響。但是，在淀粉加工產生的廢水中，蘊含了許多碳水化合物、多糖、多酚類等物質，比如：葉酸、抗壞血酸、煙酸、綠原酸等，以上物質元素均為潛在的緩蝕阻垢劑候選者。相關研究表明，葉酸對Q235 鋼以及304 不銹鋼等鋼結構材質在鹽酸、硫酸等溶液中具有優異的抗腐蝕性能；抗壞血酸在各種具有腐蝕性質的介質中也可以對碳鋼起到緩蝕效果。由此可見，科學提取甘薯淀粉廢水中具有抗腐蝕和阻垢性質的有機物，不僅可以有效解決工業生產中的結垢堆積和腐蝕等問題，還可以最大限度提升甘薯淀粉廢水的回收利用率，實現降低環境污染和保護環境的目標。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗試劑和儀器

在甘薯淀粉廢水中IBWE 物質的緩蝕阻垢劑研制實驗中，除表1 中的實驗所需試劑外，還需要以下實驗儀器，分別為：FA2003 電子分析天平、JSM-7800F場發射掃描電子顯微鏡、RCC-II 型旋轉掛片腐蝕實驗儀、WKMZ-II 型智能動態模擬試驗裝置、AVANCE III HD 4000MHz 型核磁共振波譜儀、CHI660E 電化學工作站、VERTEX 70 傅里葉變換紅外光譜儀、GZP-250恒溫培養箱[2]。

表1 實驗所需試劑表

1.2 實驗方法

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，之后適當添加蒸餾水，超聲30 min，接著將其置于60 ℃的環境下持續加熱5 h，加熱完成后讓其冷卻至常溫狀態，再過濾去除其內部固體殘留物[3]。然后將過濾完成的濾液靜置48 h，去除淀粉，再用旋轉蒸發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 旋轉掛片法評價緩蝕性能

碳鋼的主要構成材料是20#碳鋼，該材料的化學組成是：C(0.17%)、Mn(0.35%)、Cr(0.25%)、Ni(0.30%)、Si(0.17%)、Cu(0.25%)，其他均是Fe。在該實驗研究中，應用的碳鋼片參數尺寸為5.0 cm×2.5 cm×0.2 cm，且該碳鋼片的密度是7.85 g/cm3。本次實驗研究會將國際標準GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測定旋轉掛片法》作為參考和基礎，嚴謹開展緩蝕性能測試。

公式(1)為腐蝕速率的計算公式。

式中：m是指碳鋼片在實驗進行之前的質量(g)；m0是指碳鋼片在實驗后的質量(g)；S是指實驗中應用的碳鋼片表面積(cm2)，t是指實驗時間(h)，ρ是指碳鋼片的密度(g/cm3)。

公式(2)為緩蝕效率的計算公式。

式中：v0、v分別代表實驗中碳鋼片試樣在空白對比實驗中和具備緩蝕劑溶液中的腐蝕速率。

1.2.3 阻垢性能評價方法

依照國際(GB/T 16632—2008)的標準對阻CaCO3垢性能予以評價分析。阻垢效率“η1”的計算公式見公式(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準硼砂溶液以及阻垢劑，再將其置于70 ℃的水浴中持續加熱6 h，然后冷卻至室溫。取出5 mL 濾液，向濾液中添加5 mL KOH 溶液以及70 mL 蒸餾水和0.4 g 鈣羧酸指示劑，并在此基礎上使用0.01 mol/L EDTA 標準溶液平行滴定3 次，以此得到Ca2+的含量。在此過程中的阻垢效率“η2”計算公式如公式(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 體積數量，而v1則是代表添加阻垢劑后的溶液消耗的EDTA 體積數量[4]。

2 實驗結果分析

2.1 IBWE 在鹽溶液中的緩蝕性能分析

通過旋轉掛片法研究了IBWE 在45 ℃的溫度下置于鹽溶液內對碳鋼的緩蝕性能，其研究的各項緩蝕數據信息如表2 所示。

表2 碳鋼在不同濃度IBWE 的鹽溶液中的腐蝕參數表

根據表2 中的內容予以分析可以得知，IBWE 濃度的持續提升，會使得腐蝕速率呈下降趨勢，緩蝕率呈上升趨勢。當IBWE 的濃度增加至2.0 g/L 時，其腐蝕速率由空白實驗的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 形成的絡合物覆蓋至碳鋼的表層，使其作為保護層存在，其性能牢固，不會輕易被水流破壞。不僅如此，腐蝕階段形成的腐蝕性物質也可以沉積在碳鋼表層，作為物理性質的障礙層，同樣能起到減緩腐蝕物質侵蝕的效果[5]。

2.2 IBWE 的阻垢性能

2.2.1 IBWE 濃度對阻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IBWE 的濃度增加至3.0 g/L 時，其阻CaCO3垢的效率增長至80%。阻CaSO4垢的增長效率先迅速后緩慢，在IBWE 濃度從0 加至1.5 g/L 的過程中，其增長效率較快，但當IBWE 濃度大于1.5 g/L 時，其阻垢效率便逐漸進入并保持在較為平穩的狀態，當IBWE 濃度為1.5 g/L 時，阻CaSO4垢的效率為95%。之所以如此，是因為在該濃度下和鈣離子進行作用的IBWE 分子大致已經處于飽和狀態。由此可見，IBWE 無論是在阻CaCO3垢還是阻CaSO4垢中均具備優異的性能[6]。

圖1 IBWE 濃度對阻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 阻垢劑時產生的CaCO3晶型主要為方解石和文石。而添加IBWE阻垢劑之后產生的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，同時衍射峰的強度還呈現出明顯的下降趨勢。由此證明，添加了IBWE 產生的CaCO3晶體的晶型出現了變化，且晶體的產生也遭到了限制。

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 圖譜中產生了反應極為強烈的二水合硫酸鈣特征衍射峰。而添加了IBWE 阻垢劑之后產生的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度呈下降趨勢。由此可見，IBWE 的添加對CaSO4晶體的生長起到了限制作用。

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從甘薯淀粉廢水中提取出來的具有緩蝕、阻垢性質的物質進行研制，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，以及實現環境保護的化工生產目標，是一種真正的環境友好型緩蝕阻垢劑。根據研究結果表明，當IBWE 濃度為2.0 g/L 時，其在鹽溶液中的緩蝕效率高達82.45%；此外，在IBWE 濃度對阻CaCO3以及CaSO4垢性能的影響分析中，IBWE 的濃度在1.5 g/L 時，其阻CaSO4垢的效率高達95%，當IBWE的濃度在3.0 g/L 時，阻CaCO3垢的效率達到80%；并且依照垢晶體的XRD 分析結果可以得知，當IBWE分子附著在垢晶體的生長活性位點上時，會改變晶體的結構，進而使得晶體的生長受到限制[7]。而從甘薯淀粉廢水中提取出來的IBWE 物質之所以具備優異的緩蝕阻垢性能，是因該物質中的分子(比如葉酸、煙酸、抗環血酸、綠原酸等)存在大量的N、O 雜原子和芳香環以及多重鍵，對碳鋼等材質起到緩蝕阻垢的效果。

4 結語

綜上所述，IBWE 緩蝕阻垢劑無論是在研制還是性能方面，均可以有效實現環境保護的目標，同時在化工生產中起到顯著的緩蝕阻垢效果，是一種極具應用價值的環保型緩蝕阻垢劑。