冷卻水系統(tǒng)碳鋼設備清洗劑作用機理
1 引 言
冷卻水系統(tǒng)在運行過程中,會有水垢(包括各種鈣垢,主要是CaCO3)和污垢(包括淤泥,鐵銹和生物膠泥等)沉積在碳鋼設備傳熱管的表面上。隨著運行時間的延續(xù),上述沉積物不斷增厚,嚴重時甚至會引起管道堵塞。沉積物的存在不僅會影響換熱器的傳熱效率,而且會產(chǎn)生垢下腐蝕[1],最終導致熱交器鋼管穿孔。因此,為保證冷卻水系統(tǒng)的正常運行和延長碳鋼設備的使用壽命必須進行水處理,以起到緩蝕、阻垢和殺菌滅藻的作用。碳鋼設備的清洗是實施水處理的重要環(huán)節(jié),傳熱管表面上的沉積物如不清洗干凈,使用的水處理劑將無法在鋼管表面形成有效的保護膜,本工作對一種專用的高效多功能清洗劑ZF型清洗劑及其作用機理進行試驗研究。
2 實 驗
2.1 清洗速度的測定用工廠提供的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)碳鋼設備的實際試樣浸泡在ZF型清洗劑中,在常溫和靜態(tài)的條件下,觀察試樣表面沉積物的去除情況,記錄不同試樣清洗干凈所需時間。
2.2 緩蝕率的測定采用失重法和極化曲線法測定復合緩蝕劑的緩蝕效率。實驗介質(zhì)為含31%的工業(yè)鹽酸500ml/L和ZF型清洗劑。實驗材料為Ｑ235鋼。失重法試樣規(guī)格為5.0cm×2.50cm×0.15cm,表面積為27.25cm2。極化曲線法試樣表面積為1cm2。所用試樣均經(jīng)金相砂紙逐級打磨,再經(jīng)自來水、無水酒精清洗、冷風吹干,置入干燥器中備用。(1)失重法 試樣經(jīng)稱重后在實驗介質(zhì)中浸泡23H。取出的試樣按照GB6348—86方法處理、稱重,然后按式(1)計算緩蝕率ＥＥ(%)=VO-VCVO×100(1)式中 VO———試樣在31%的工業(yè)鹽酸500ml/L中的腐蝕率,μm/avc———試樣在ZF型清洗劑中的腐蝕率,μm/a(2)極化曲線法 試驗在CHIM605電化學綜合測試系統(tǒng)上進行,用鉑電極作為輔助電極,用飽和甘汞電極作為參比電極。
3 結(jié)果與討論
3.1 ZF型清洗劑的主要特點ZF型清洗劑的化學組成和技術(shù)指標見表1、2。
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ZF型清洗劑的主要特點：
(1)具有多種功能,可一次性將成分復雜的沉積物除凈。
(2)清洗速度快,清洗表面質(zhì)量好,具有活性,有利于水處理劑在其表面形成有效保護膜。
(3)緩蝕效率高,對碳鋼設備的腐蝕性很小。
(4)操作安全簡便,溶液容易配制和調(diào)整。
(5)常溫使用,節(jié)約能源。
(6)原材料價廉易得,清洗成本低。
3.2 ZF型清洗劑的作用機理分析
3.2.1 鹽酸鹽酸是ZF型清洗劑的主劑。它依靠化學溶解和機械剝離除去沉積物中的CaCO3、Ca3PO4和氧化鐵一類的腐蝕產(chǎn)物。
(1)化學溶解
由于鹽酸與上述物質(zhì)反應生成可溶性的并且溶解度很大的金屬氯化物,因此,鹽酸對CaCO3、Ca3(PO4)2和氧化鐵一類腐蝕產(chǎn)物特別有效。即CaCO3+2HCl→CaCl2+H2O+CO2↑(1)Ca3(PO4)2+6HCl→3CaCl2+2H3PO4(2)Fe2O3+6HCl→2FeCl3+3H2O(3)Fe3O4+8HCl→2FeCl3+FeCl2+4H2O(4)FeO+2HCl→FeCl2+H2O(5)2FeCl3+Fe→3FeCl2(6)
(2)機械剝離
鹽酸與基體鐵反應產(chǎn)生的H2可達1個大氣壓,從而把水垢和銹層剝離下來。Fe+2HCl→FeCl2+H2↑(7) 鹽酸與碳酸鈣反應很快,但對于銹蝕產(chǎn)物而言,盡管鹽酸的除銹速度在同濃度和同溫度的條件下是硫酸的1.5～2倍,在各種酸洗藥品中,鹽酸是首選的一種,但對鐵銹的溶解速度仍然較慢。鹽酸的除銹速度與其濃度有關(guān)。由圖1[2]不難看出:在20℃時,鹽酸濃度在15%～20%的范圍內(nèi),除銹速度最快。作者把工業(yè)鹽酸(含HCl31%)稀釋一倍,其溶液的鹽酸濃度正好落在除銹速度最快的范圍內(nèi)。繼續(xù)提高鹽酸濃度不僅無益,反而有害。這是由于鹽酸易揮發(fā),產(chǎn)生的酸霧會腐蝕周圍的設備。由圖1還可以看出:提高鹽酸溶液溫度可以大幅度提高除銹速度。然而溫度太高,也會使鹽酸揮發(fā)。因此鹽酸溶液的溫度最好控制在20～40℃為宜。
3.2.2 氟化鈉鹽酸對硅酸鹽垢的清洗效果較差。這是由于鹽酸與硅酸鹽垢反應生成氯化鈣和硅酸,硅酸是一種不溶于水或酸(HF除外)的凝膠狀沉淀物,阻礙Ca2+進入溶液,即CaSiO3+2HCl→CaCl2+H2SiO3↓(8) 在鹽酸溶液中加入適量的氟化鈉能提高清洗劑對硅酸鹽垢和氧化鐵的去除能力。F-半徑特別小,負電性大,由于靜電吸引作用,易與體積小的多價正離子形成穩(wěn)定的絡陰離子[SiF6]2-和[FeF6]3-,即NaF+HCl→HF+NaCl(9)CaSiO3+6HF→Ca2++[SiF6]2-+3H2O(10)Fe2O3+12HF→6H++2[FeF6]3-+3H2O(11) [SiF6]2-與Ca2+構(gòu)成絡合物CaSiF6[3],CaSiF6可溶于鹽酸或氫氟酸,從而把硅酸鹽垢和氧化鐵從沉積物中除去。這就是鹽酸清洗結(jié)合絡合劑清洗提高了清洗劑的除垢效率。此外,氟化鈉還具有一定緩蝕作用。由表3和圖2中不難發(fā)現(xiàn):在含烏洛托品和硫脲的鹽酸溶液(2#溶液)中添加氟化鈉(3#溶液)后,其試樣的陽極極化曲線3＇較之2#試樣下移幅度較大,而陰極極化曲線3變化甚微,說明氟化鈉的引入具有一定的陽極抑制作用,試樣的緩蝕率從90.0%提高至94 7%。其原因可能是陽極反應產(chǎn)物Fe2+被溶液中的溶解O2氧化成Fe3+,繼而Fe3+與F-絡合成穩(wěn)定的絡陰離子[FeF6]3-,[FeF6]3-帶負電,易被吸附在帶正電的微電池陽極上,而起到陽極抑制作用。
3.2.3 OP乳化劑鹽酸溶液對油脂和微生物生成的膠狀物質(zhì)的清洗效果很差。為分散上述沉積物,在鹽酸溶液中加入適量非離子型表面活性劑OP乳化劑。OP乳化劑是一種非離子表面活性劑,其分子中既有親油基,又有親水基。親油基被油層所吸附,親水基朝向水溶液。分子定向排列的結(jié)果,使其表面張力降低,油層破裂,分散開來。OP乳化劑具有很好的濕潤性、滲透性和擴散性。其分子滲入油層底部,將油層剝離下來。然后OP乳化劑分子將分散的油質(zhì)點包圍起來,形成牢固的吸附層,分散在溶液中,從而把油脂和膠狀物質(zhì)從污垢中除去。此外,由于OP乳化劑具有良好的浸潤性,加強了酸洗液與垢的接觸,從而提高了除垢的速度。OP乳化劑的引入還能降低碳鋼的表面張力,使反應(7)產(chǎn)生的氫氣更易逸出,避免發(fā)生氫脆現(xiàn)象。
3.2.4 烏洛托品和硫脲鹽酸是一種強酸,對碳鋼設備有很強的腐蝕性,為避免過蝕現(xiàn)象,作者選用烏洛托品、硫脲和磷酸等作為復合緩蝕劑。烏洛托品N4(CH2)6分子中存在4個雜化原子N,硫脲(NH2)2CS分子中具有2個雜化原子N和一個雜化原子S,因此它們可以與碳鋼表面Fe(OH)2膜中的Fe2+或是基體上的鐵原子絡合,直接吸附在碳鋼表面上,抑制陰極反應。這可從極化曲線的測量得到印證(見圖2)。在鹽酸溶液中加入烏洛托品8g/L和適量的硫脲后,其試樣的陰極極化曲線2較之空白試樣大幅度下移,而陽極極化曲線2＇下移幅度很小,另者2#試樣的自腐蝕電位E2較之空白試樣E1也負移,體現(xiàn)出陰極型緩蝕劑的基本特征[4]。
3.2.5 磷酸在鹽酸溶液中加入85%的磷酸6ml/L,可以提高除銹的速度。因為磷酸能與鐵銹反應生成可溶性的磷酸二氫鐵。例如FeO+2H3PO4→Fe(H2PO4)2+H2O(12) 磷酸又是一種陽極型緩蝕劑。因為陽極反應產(chǎn)物Fe2+在溶解氧的協(xié)同作用下與磷酸反應,生成的FePO4沉積在碳鋼表面,抑制陽極反應,導致陽極極化曲線5＇比陰極極化曲線5相對于4#試樣下移幅度較大(見圖2),其緩蝕率相應上升(見表3)。即Fe3++PO3-4→FePO4↓(13)
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4 結(jié) 論
(1)ZF型清洗劑具有多種功能,可一次把成分復雜的沉積物除凈,清洗速度快、效果好、成本低,對碳鋼腐蝕小,緩蝕率高達98.4%。
(2)ZF型清洗劑作用機理分析,對ZF型清洗劑的使用和研究新型清洗劑都具有一定的參考價值。
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