如何有效地选用缓蚀剂控制循环冷却水系统腐蚀？

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，循环冷却水系统普遍采用添加缓蚀剂控制腐蚀。现场运行经验表明，这种方法成败的关键在于合理选用缓蚀剂。对于一定的金属腐蚀介质体系，只要在腐蚀介质中加入少量的缓蚀剂，就能有效地降低该金属的腐蚀速度。缓蚀剂的使用浓度一般很低，故添加缓蚀剂后腐蚀介质的基本性质不发生变化。锌盐是一种阴极性缓蚀剂，能在阴极区迅速地生成Zn2沉淀，抑制金属腐蚀的阴极反应。

目前，循环冷却水系统普遍采用添加缓蚀剂控制腐蚀。现场运行经验表明，这种方法成败的关键在于合理选用缓蚀剂。

1.缓蚀剂和缓蚀率

缓蚀剂是一种抑制金属腐蚀的添加剂。对于一定的金属腐蚀介质体系，只要在腐蚀介质中加入少量的缓蚀剂，就能有效地降低该金属的腐蚀速度。缓蚀剂的使用浓度一般很低，故添加缓蚀剂后腐蚀介质的基本性质不发生变化。缓蚀剂的使用不需要特殊的附加设备，也不需要改变金属设备或构件的材质或进行表面处理。因此，是一种经济效益较高且适应性较强的金属防护措旋。

通常用ε表示缓蚀剂抑制金属腐蚀的效率（缓蚀率），其定义是：

式中 v——有缓蚀剂时金属的腐蚀速度

v₀——无缓蚀剂（空白）时金属的腐蚀速度

缓蚀率的物理意义是，与空白时相比，添加缓蚀剂后金属腐蚀速度降低的百分率。

2.缓蚀剂的分类

（1）根据所抑制的电极过程分类根据所抑制的电极过程，缓蚀剂抑制电极化过程的四种类型如图5-8所示。

由于缓蚀剂的用量很少，显然它不会改变金属在介质中的腐蚀倾向，而只能减缓金属的腐蚀速度。金属腐蚀是由一对共轭反应——阳极反应和阴极反应所组成。在腐蚀过程中，如果该缓蚀剂抑制了共轭反应中的阳极反应，使伊文思极化图中的阳极极化曲线的斜率增大，使腐蚀电流从I₁减少到I₂，则是阳极型缓蚀剂[图5-8（a）]。

如果该缓蚀剂抑制了共轭反应中的阴极反应，使伊文思极化图中的阴极极化曲线的斜率增加，那么它就是阴极型缓蚀剂[图5-8（b）]；如果该缓蚀剂能同时抑制共轭反应中的阳极反应和阴极反应，使伊文思极化图中的阳极极化曲线和阴极极化曲线的斜率同时增大，那么它就是混合型缓蚀剂[图5-8（c）]；当然，当阳极极化的同时也可能导致阴极去极化的加强，使腐蚀电流增加到I₃[图5-8（d）]，从而加剧腐蚀。

图5-8 缓蚀剂抑制电极化过程的四种类型

一般来说，阳极型缓蚀剂使金属的腐蚀电位E_c向正的方向移动[图5-8（a）]，阴极型缓蚀剂使金属的腐蚀电位E_c向负的方向移动[图5-8（b）]；而混合型缓蚀剂则对腐蚀电位E_c的影响较小，故腐蚀电位的移动很小或没有移动[图5-8（c）]。

（2）根据生成保护膜的类型根据缓蚀剂在保护金属过程中所形成的保护膜的类型，缓蚀剂可以分为氧化膜型缓蚀剂、沉淀膜型缓蚀剂和吸附膜型缓蚀剂。

氧化膜型缓蚀剂的典型例子是铬酸盐和亚硝酸盐。铬酸盐可以使钢铁表面氧化，生成主要成分为γ-Fe₂O₃的保护膜，厚度通常为几十埃（1Å=10^-10m），从而抑制钢铁的腐蚀，由于它们具有钝化作用，能使钢铁钝化，故又称为钝化剂。

沉淀膜型缓蚀剂的典型例子是硫酸锌和碳酸氢钙等，它们能与介质中的有关离子反应，并在金属表面上形成防腐蚀的沉淀膜。沉淀膜的厚度一般都比钝化膜厚，约为几百到1千埃，且其致密性和附着力比钝化膜差，所以保护效果比氧化膜要差一些。

吸附膜型缓蚀剂的例子有硫脲和乌洛托品等，它们能吸附在金属表面，形成一层屏蔽层或阻挡层，抑制金属的腐蚀。吸附膜的厚度是分子级的厚度，它比氧化膜更薄。吸附膜型缓蚀剂在酸性溶液中得到广泛的应用。

3.常用的冷却水缓蚀剂

（1）铬酸盐常用铬酸钠（Na₂CrO₄·4H₂O），是一种氧化性缓蚀剂。铬酸盐能将钢铁表面氧化生成一层连续而致密的含有γ-Fe₂O₃和Cr₂O₃的钝化膜，使钢铁得到保护。与其他氧化性缓蚀剂一样，用药量太少时反而会导致金属的点蚀，所以，用药量必须足够。在敞开式循环冷却水系统中，单独使用铬酸盐的起始浓度为500mg/L以上，维持浓度200～250mg/L。为了降低用量，在实际应用时，铬酸盐通常以较低的剂量与其他缓蚀剂（例如，锌盐、聚磷酸盐、有机磷酸盐等）复配成复合缓蚀剂使用。

铬酸盐的优点是可用于多种材质的保护，例如，钢铁、铜、锌、铝及其合金等，适用的pH为6～11，缓蚀效果好，可将碳钢的腐蚀速度降低至0.0254mm/a（1mpy）。缺点是毒性较大，不利于环境保护，容易被还原而失效。

（2）硅酸盐作为冷却水缓蚀剂的有硅酸盐，主要是硅酸钠和二氧化硅，即市场上的水玻璃，又名泡花碱。常用Na₂O与SiO₂之比（称为水玻璃模数）为2.5～3.5的水玻璃。硅酸盐在金属表面上生成的保护膜是多孔性的。当冷却水中硅酸盐浓度低时，金属有形成点蚀的倾向。用硅酸盐作缓蚀剂时，冷却水中必须有氧。在循环冷却水中，硅酸盐的使用浓度（以SiO₂计）为40～60mg/L，最低为25mg/L；使用的pH为8.0～9.5。

硅酸盐的优点是：可用于多种材质的保护，例如，钢铁、铝和铜及其合金、铅、镀锌层等，对抑制黄铜脱锌效果较好；适用的pH为6～11；无毒；价格便宜。缺点是成膜慢，从开始加药到形成保护膜作用一般需要3～4周时间，缓蚀效果比铬酸盐和聚磷酸盐差，因为容易产生硅酸镁垢，不适合用于Mg²⁺含量高的系统。

（3）钼酸盐常用钼酸钠（Na₂MoO₄·2H₂O）。由于铬酸盐毒性大，人们很自然地想到在元素周期表中ⅥB族寻找替代元素，并成功地开发出了钼酸盐缓蚀剂。

钼酸盐是一种氧化性较弱的缓蚀剂，需要其他氧化剂帮助在金属表面产生一层氧化性保护膜。在敞开式循环冷却水中，水中的溶解氧提供了丰富的氧化剂。在密闭式循环水中，则需要外加氧化剂，如亚硝酸钠。单独使用钼酸盐浓度为400～500mg/L。为了降低用量，通常与其他缓蚀剂复配使用。

钼酸盐的优点是低毒、对环境的污染小。缺点是缓蚀效果不如铬酸盐，价格较贵。

（4）锌盐常用硫酸锌（ZnSO₄·7H₂O）。锌盐是一种阴极性缓蚀剂，能在阴极区迅速地生成Zn（OH）₂沉淀，抑制金属腐蚀的阴极反应。

锌盐的优点是能迅速生成保护膜；成本低。缺点是单独使用时的缓蚀效果不太好，常需要与其他缓蚀剂联合使用；对水生物有毒。在pH＞8.0时，Zn²⁺易在水中而不是在金属表面生成Zn（OH）₂，失去缓蚀作用，需要与稳锌剂一起使用。

（5）巯基苯并噻唑巯基苯并噻唑简称MBT，是铜及其合金的特效缓蚀剂。在冷却水系统中，少量（如2mg/L）的MBT就可以使铜及其合金的腐蚀速度降得很低。

MBT的优点是对控制铜和铜合金的腐蚀特别有效，用量少。缺点是耐氧化能力差，实验结果表明：在20℃和余氯量1mg/L条件下，仅经过6h的氧化时间，就分解了86%。因为MBT的氧化产物为二硫化物，故该缓蚀剂被氧化后失去缓蚀作用。

（6）苯并三唑苯并三唑简称BTA，是另一种铜及其合金的特效缓蚀剂。BTA耐氯氧能力比MBT强，实验结果表明：在60℃和余氯量8mg/L条件下，经过48h的氧化时间，分解率只有18%左右。

另外，前述的一些阻垢剂，如磷酸盐、聚磷酸盐（三聚磷酸钠、六偏磷酸钠）、有机多元膦酸（ATMP、HEDP、EDTMP）等，除了具有阻垢作用外，还具有缓蚀作用。

（7）复合型缓蚀剂目前，在敞开式和密闭式循环水系统中使用的缓蚀剂大多是复合型缓蚀剂，与单一缓蚀剂相比，采用复合型缓蚀剂具有总投加量少、缓蚀效果好，同时兼有阻垢作用等优点，获得了广泛的应用，表5-1给出了常见的缓蚀阻垢剂复合配方。

表5-1 常见的缓蚀阻垢剂复合配方

如何有效地选用缓蚀剂控制循环冷却水系统腐蚀？

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