工業(yè)循環(huán)冷卻水含鋅低磷鐵系預膜劑的研究

侯 雋，張凱瑞，李 菲，吳海君

(上海洗霸科技股份有限公司 上海 200080)

清洗預膜是工業(yè)循環(huán)冷卻水處理的重要環(huán)節(jié)[1]，該環(huán)節(jié)確保設備管道安全運行和抑制腐蝕[2]。新設備投入使用前或者舊設備改造后，系統(tǒng)換熱表面會有一層浮油、浮銹并堆積雜質。此時通過清洗，洗掉雜質的同時也為預膜創(chuàng)造出新鮮光潔的金屬表面環(huán)境[3]。預膜的過程是建立在處于活化狀態(tài)的活潑金屬表面上，或其保護膜受到重大損傷的金屬表面上，在投入正常運行之前預先生成一層完整而耐蝕的保護膜[4]。清洗預膜可以保證設備運行順利、延長設備使用壽命、提高生產能力、減少能源消耗，同時凈化環(huán)境[5]。

預膜劑的配方使用方案一般可采用提高濃度和專用配方兩種[6]。提高濃度預膜方案主要是提高緩蝕劑的成膜效果，在循環(huán)水系統(tǒng)初期投加較高濃度的緩蝕劑量，待成膜后，再降低藥劑濃度維持補膜和緩蝕作用[7]。典型的專用配方預膜方案是對金屬表面進行鈍化處理，在常見的鈍化方法中，亞硝酸鈉法的鈍化工藝簡單、鈍化溫度低、時間短、鈍化膜致密，但亞硝酸鈉的毒性較大、后續(xù)需要處理廢液[8]。

本實驗采用的預膜劑主要成分是硫酸鋅、有機膦、七水合硫酸亞鐵等，創(chuàng)新性提出將鐵引入工業(yè)循環(huán)水處理藥劑中并驗證其有效性。低磷預膜劑對環(huán)境的危害小，同時鐵離子的引入也有一定的實際生產的現場應用意義。本實驗為工業(yè)循壞水預膜劑的配方研究提供了新思路和數據支持，為循環(huán)水系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行提供參考[9]。

1 實 驗

1.1 儀器與藥劑

儀器：XYZK-A型旋轉掛片腐蝕儀，高郵市新郵儀器廠。

藥劑：七水硫酸鋅：化學純；有機膦：化學純；七水合硫酸亞鐵：分析純；硫酸：分析純；聚馬來酸酐：化學純；多元共聚物：化學純；葡萄糖酸鈉：分析純；三乙醇胺：分析純；氯化鈉：分析純；五水硫酸銅：分析純；乙醇：分析純；氫氧化鈉：分析純。

1.2 實驗用水

實驗用水為上海市嘉定區(qū)自來水，其水質：pH=7.53、電導=351 μs/m、鈣硬(CaCO3)=97 mg/L、總硬(CaCO3)=133 mg/L、堿度(CaCO3)=186 mg/L、氯根=37 mg/L。

1.3 實驗方法

將14 L配好的實驗用水攪勻均質后分別加到7個2 L燒杯中，然后加入復配好的不同配方的預膜劑。將燒杯置于旋轉掛片腐蝕測試儀上，然后將乙醇處理好的I型A3碳鋼掛片掛入水中，以 75 r/min 的轉速運行。試驗時燒杯用蓋子蓋上以防止水分蒸發(fā)，因此在運行期間不用補水。試驗結束后，用硫酸銅-氯化鈉混合溶液滴定檢測掛片，測試預膜效果。

1.4 分析方法

參照《冷卻水系統(tǒng)化學清洗、預膜處理技術規(guī)則》(HG-T 3778-2005)，采用硫酸銅和氯化鈉混合溶液滴定預膜后的掛片，用秒表計掛片上出現紅色點狀的時間，根據標準規(guī)定，變色時間>10 s即合格，時間越長，預膜效果越好。

2 結果與討論

2.1 鋅、鐵、有機膦的添加量對預膜劑的效果影響

預膜劑中添加鋅、鐵對含磷預膜劑的使用效果存在一定的影響，適量添加有助于預膜劑發(fā)揮更好的預膜效果。本組實驗基本條件見表1，所用的預膜劑的組分百分含量對比見表2。

表1 預膜實驗的基本條件

表2 預膜劑組分的百分含量

初始水質pH調節(jié)到6.2～6.3，在預膜劑的投加量均為500 mg/L，本次實驗中鐵和葡萄糖酸鈉配合使用，實驗結束后，結果如圖1所示。

由圖1可總結如下結論：配方1#與配方2#對比，鐵配合添加對磷-鋅預膜劑的預膜效果有促進作用；配方2#與配方3#對比，在磷-鋅預膜劑中，適量增加鐵的含量，對預膜劑的促進作用較高；配方2#與配方4#對比，降低磷的含量預膜劑的效果下降明顯；配方2#與配方5#對比，在含鐵的狀態(tài)下，提升鋅的含量對磷-鐵預膜劑的預膜效果起抑制作用；配方4#與配方6#對比，在鋅含量較高的狀態(tài)下，預膜劑中是否含磷對預膜劑的預膜效果影響不大；配方6#與配方7#對比，在鋅含量較高的狀態(tài)下，無磷并提高鐵的含量對預膜效果有促進作用。

2.2 水質pH條件對預膜劑效果影響

水質的pH對于預膜劑的預膜效果存在一定的影響。適量提高水質pH，會有鈍化作用促進預膜，但pH過高，不利于預膜；pH較低時，水質會對掛片有一定的腐蝕作用。

基于2.1中所用的配方，在其他條件不變的情況下改變水質pH，預膜劑的預膜效果如表3所示。

表3 不同水質pH條件下預膜劑的預膜效果

總體來看，過低的pH(pH<6.1)和補鈣所引入水質中的氯離子會使掛片腐蝕，難以在掛片表面形成保護膜。在水質pH為6.1～6.4范圍內，均有一些配方顯示出較好的預膜效果，但是pH較高(pH>6.5)時，預膜效果明顯減弱。

在水質pH為6.1～6.4范圍內，顯示出預膜效果會隨著水質的pH的降低而減弱。預膜是一個受多種因素影響的復雜過程，引入鐵離子輔助預膜過程，考慮到的是鐵離子起到了一定的腐蝕作用，同時預膜劑中含有的鋅離子起到緩蝕作用，同時水質條件也會影響掛片的腐蝕和預膜過程?？偨Y來看，在多種條件的共同作用下達至平衡狀態(tài)會使預膜劑達到最佳使用效果。

2.3 預膜時間對預膜效果的影響

基于2.1中所用的配方，選取水質pH為6.2～6.3，在其他條件不變的情況下延預膜時間至48 h，對比預膜效果如圖2所示。延長預膜時間在一定程度上有助于預膜，但并不能對預膜效果得到較大的提升。延長預膜時間雖然對預膜效果有利，但提高的效果并不特別明顯，所以就本次試驗而言，預膜24 h即可。類推到現場預膜過程中，不能單獨依靠提高預膜時間來增強預膜效果。

圖2 不同的預膜時間下不同預膜劑配方的滴定變色時間Fig.2 Titration discoloration time of different pre-film formulations at different pre-film time

3 結 論

(1)在傳統(tǒng)的磷-鋅預膜劑中創(chuàng)新性地加入鐵應用于工業(yè)循環(huán)水處理藥劑中，加入適量的鐵有助于預膜效果；

(2)對于含磷、鐵、鋅預膜劑，過量的鋅存在并不能提高預膜效果，良好的預膜效果需要緩蝕和腐蝕達到平衡；

(3)弱酸性條件的水質是適合含磷、鐵、鋅預膜劑的最佳水質pH條件；

(4)延長預膜時間可以提升預膜效果，但提升幅度不大且不可單一依靠提升預膜時間來增強預膜效果。