镁合金铸轧实验平台循环冷却水处理研究

高 珊，王艳秋，刘献博

(辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051)



镁合金铸轧实验平台循环冷却水处理研究

高 珊，王艳秋，刘献博

(辽宁科技大学 化工学院，辽宁 鞍山 114051)

摘要：针对铸轧循环冷却水系统在长期运行过程中出现的结垢、腐蚀和生物污垢三方面问题，选定了以自来水+缓蚀阻垢剂处理方法作为处理方案。以HT-p13F为实验药剂，并以镁合金铸轧实验平台的循环冷却水系统的运行条件及环境为基础，进行了实验室实验验证。通过以上实验结果，得出了镁合金驻扎实验平台循环冷却水系统的处理方案和设计参数：以HT-p13F为缓蚀阻垢剂，投加浓度为10 mg/L，投加周期为6 d，缓蚀率为93.90%，阻垢率为99.45%。

关键词：循环冷却水；缓蚀阻垢剂；失重法

1引言

21世纪全球面临的一个严峻问题就是水资源短缺，这个问题已引起世界各国的重视[1]。我国是一个水资源严重短缺的国家，水资源地域分布不均，在工业发达地区，水资源短缺问题日显严重。工业用水中循环冷却水的耗水量占了相当大的比重，而我国冶金、发电、石油、化工等行业工业循环冷却水年耗水量占到工业用水量的50%～80%。由此可见，提高循环冷却水的利用率是目前解决我国工业用水紧张、减少水污染物排放的关键环节[2～4]。

冷却水在循环系统中不断循环使用，由于多种因素的综合作用，会产生比直流系统更为严重的沉积物的附着、设备腐蚀和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道的问题，它们会威胁和破坏铸轧工艺长期安全生产，甚至造成经济损失[5]。循环冷却水系统中的大多数设备是由金属制造，由于循环水的长期使用，会发生腐蚀穿孔等现象[6]。循环冷却水在长期循环使用后会出现结垢、腐蚀和微生物滋生问题，只有有效的处理解决好这三方面问题才能确保稳定生产，节约资源，降低能耗。从而减少环境污染，解决生物粘泥或软垢粘泥附引起的腐蚀、冷却水流量减少进而降低冷却效率等问题[7]。 通过碳酸钙沉淀法、静态挂片法、动态旋转挂片法，研究缓蚀阻垢剂的性能，可以解决镁合金铸轧实验平台循环冷却水系统结垢、腐蚀和生物污垢问题，最后依据实验结果结合理论及经验，为未来镁合金铸轧实验设备推广的循环冷却水处理系统设计提供设计参数。

2实验方法

2．1仪器及药剂

电子天平，曝气控制器，智能型蠕动泵，数显恒温水浴锅。

缓蚀阻垢剂(HT-p13F)、丙酮、无水乙醇、硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾、乙二胺四乙酸二钠、盐酸、碳酸氢钠、氯化钙，所选药剂均为分析纯。

2．2实验试片及其处理

本实验试片材质为Ⅰ型标准黄铜试片， (50±0.1)mm×(25±0.1)mm×(2±0.1)mm，挂孔Φ(4±0.1)mm，试片总面积28.00 cm2。①取出试片，用脱脂棉擦除新片表面的油脂，擦拭后分别用400、800、1000型号的水砂纸打磨，打磨时，为防止砂纸上的颗粒对试片的产生不同程度的划痕，从而造成影响，可将砂纸蘸取水，从而避免影响。②用脱脂棉擦拭并清洗挂片，随后再用蒸馏水反复冲洗干净。③将试片浸与无水乙醇中，并用脱脂棉擦洗。④擦洗后，将试片置干净滤纸上，用滤纸简单吸附后用冷风吹干。⑤用滤纸将试片包好，置于干燥器中24 h以上后称重待用。

3结果与分析

3．1HT-p13F药剂阻垢性能测定

本实验采用碳酸钙沉淀法(GB/T 16632-2008)，对所选定的HT-p13F水处理剂进行阻垢性能的测定。将试液和空白试液分别置于两个洁净的锥形瓶中，两锥形瓶浸入(80±1)℃的恒温水浴锅中(试液的液面不得高于水浴的液面)，恒温放置10 h，冷至室温后用中速定量滤纸过滤。分别计算试液和空白试液钙离子浓度，每项实验做3组平行对照实验。实验数据如表1所示。

由表1可以看出，添加水处理剂(HT-p13F)后，消耗EDTA体积明显变小，即Ca2+浓度远远高于未添加水处理剂的试液浓度，钙离子得到很好地络合而未形成碳酸钙沉淀被析出，通过计算得出其阻垢率达到99.45%，阻垢效果良好。

3．2HT-p13F在酸性介质中缓蚀效果测定

分别取配置好的水处理剂药剂0、0.5、1.0、1.5、2.0、

表1　试液与空白试液消耗

2.5、3.0、3.5、4.0 mL于100 mL容量瓶中，用去离子水定容。摇匀后转移至100 mL烧杯中，将之前处理并称好质量的试片按序用防腐绳悬挂于烧杯中，悬挂试片时应避免与烧杯壁接触，试片上方应距液面有一定距离，以防溶液挥发使试片裸露。使试片完全浸没在试液中，放在恒温水浴(30 ℃)中4 h后取出，处理后放于干燥器24 h后称量，计算质量差。添加不同体积试液质量损失值与空白试液试片质量损失的关系如图1所示。

通过对图1的观察可看出，在酸性介质条件下，添加任何体积试液均未对试片起到缓蚀效果。由此可得出结论，该药剂不适用于酸性溶液， 即在使用过程中不宜加酸调节或应用于酸洗溶液的缓蚀阻垢。

3．3HT-p13F缓蚀性能测定

本实验采用旋转挂片法(动态失重法)，通过加入不同浓度药剂，计算实验前后的试片质量损失、药剂的腐蚀率和缓蚀率，从而选择最佳浓度及最佳缓蚀效果。取400 mL实验室自来水置与500 mL烧杯中，放在水浴锅中，待温度达到30 ℃时，滴加0、0.5、1、1.66、3.32、4.97、6.62 mL提前配置好的试液，搅匀。将处理好并称量记录的试片用防腐绳固定于旋转轴上，慢慢调节旋转轴，使试片完全浸没于溶液中，保持试片上方与液面之间距离在2 cm左右，固定旋转轴，记录液面高度并标记。调节程控器，设定固定转速，开启开关，使其旋转运行试片线速度:0.30～0.40 m/s。记录时间，在1～2 h补加蒸馏水，使液面保持标记的高度。设备运行72 h后，关闭开关，取下试片，用蒸馏水将试片冲洗干净，并置于10%硫酸溶液中3～5 min，取出用蒸馏水冲洗，冲洗后置于0.1氢氧化钠溶液中约30 s，取出继续用蒸馏水冲洗，冲洗后用蘸有无水乙醇的脱脂棉反复擦洗，并用滤纸简单吸湿后用冷分吹干，用滤纸包好置于干燥器中24 h以上，称量其质量。试片酸洗空白试验即不经旋转挂片实验，直接将处理并称量好的试片进行挂片实验的后续处理，计算处理后试片质量损失值，做三组平行对照实验，去除偏差较大的结果，对剩余数据求平均值，结果如图2所示。

由图2可以看出，药剂投加浓度在0～10 mg/L期间，其缓蚀率随投加浓度的增加而增加，当添加试液体积3.32 mL(10mg/L)时，缓蚀率达到最大值，为93.90%，腐蚀率为0.000 5 mm/a。随后随着投加浓度的增加，缓蚀率开始出现下降趋势，后期再随着药剂浓度的增加，由于药剂对铜试片的作用已达到一种饱和状态，故缓蚀率趋于平衡不变。通过变化趋势可以看出投加浓度为10 mg/L为最佳投加浓度。

3．4温度对药剂HT-p13F缓蚀效果的影响测定

由于镁合金铸轧实验平台循环冷却水系统在运行过程中，温度会随环境温度的变化而产生一定的变化，故本实验在实验运行的过程中改变实验温度，使其最高温度达到60 ℃，最低温度30 ℃，并不断调节改变温度，其他条件保持不便，通过与空白实验的试片质量损失值的对比，评定温度对该药剂缓蚀效果的影响。实验结果如表2所示。

表2　试片质量损失值与其在变温和恒温条件下的关系

由表2可以看出，在变温与恒温两种环境条件下，试片的质量损失值相差为0.000 1 g，改变温度，使质量损失增大了10%，在可以接受范围，即可认为温度变化对药剂的缓蚀效果无影响。

3．5投加周期的测定

为了达到节约运营成本目的，确定药剂的有效作用时间，即确定最合适的投加周期在实际生产中具有重要的意义。本研究在失重法确定最佳投加浓度的基础上，改变实验运行周期，设定3、6、9 d三个时间梯度进行实验室实验，并作不投加药剂的空白对照试验，根据试片质量的损失值来判断药剂的有效作用时间，找到合适的药剂投加周期。本实验除改变实验运行周期外，基本操作缓蚀性能的测定操作。选择的投加药剂浓度为测定缓蚀性能实验中得到的最佳投加浓度10 mg/L，即投加试液3.32 mL。不同作用时间与试片质量损失值之间的关系如表3所示。

由表3实验数据显示可知，在运行周期从3～6 d之间，质量损失增大0.000 5 g，而6～9 d则增大0.001 8 g，设定为6 d时，达到最佳的缓蚀效果，极大的降低的试片的质量损失，即药剂的最佳作用时间为6 d，即在实际生产中可设定6 d为一个投加周期。

表3　不同作用时间与试片质量损失值之间的关系

4结语

HT-p13F阻垢率可达到99.45%，具有很好的阻垢效果。HT-p13F试剂，在1 mol/L酸性介质中对黄铜试片没有任何缓蚀效果，即该药剂在使用时不宜添加酸调节，不适用于酸洗处理。该药剂在投加浓度为10 mg/L时达到最佳缓蚀效果，缓蚀率达到93.90%。在实验过程中分阶段改变实验温度，最终测得其对黄铜试片的缓蚀效果没有明显影响。在只改变运行周期的条件下，实验显示在周期设定为6 d时缓蚀效果最佳。针对镁合金驻扎循环冷却水系统的环境条件，本实验可推荐使用该药剂，投加浓度为10 mg/L，投加周期为6 d。

参考文献：

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[2]宋福香.循环冷却水的水质稳定性处理[J].湖南农机，2009，36(6):36～39.

[3]史佩红，曲云，钟荚，等.循环冷却水磷系配方进展[J].河北轻化工学院学报，1998，45(2):1～3.

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[5]Berad Nowack．Environmental chemistry ofphosphonates[J].Water Research，2003(37)：2533～2546.

[6]Davenport B，DeBoo A，Dubois F.CEH report:chelating agents.SRI Consulting[R].Menlo Park.CA.USA.20.

[7]王睿，张岐，丁洁，等.阻垢剂作用机理研究进展田[J].化学工业与工程，2001，18(2):79～92．

Study on the Circulating Cooling Water Treatment on the Magnesium Alloy Cast Rolling Experiment Platform

Gao Shan，Wang Yanqiu，Liu Xianbo

(SchoolofChemicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China)

Abstract:To deal with the problems of scaling，corrosion and biofouling occurred in the long-term operation process ofroll-casting circulating cooling water system，the article selects the handling method of tap water plus corrosion inhibitor asthe best treatment scheme.Taking HT-p13Fas experimental agentsand based on the condition and environment of circulating cooling water systemon magnesium alloy cast rolling experiment platform，the article conducts an experimental verification.Through the above experimental results，the article obtains the treatment scheme and design parameter of circulating cooling water system on magnesium alloy cast rollingexperimental platform.When takingthe HT-p13F as corrosion inhibitorswhose dosingconcentration is 10 mg/L and dosing period is six days，the corrosion rate is 93.90% and the scale inhibiting ratiois 99.45%.

Key words:circulating cooling water; corrosion and scale inhibitor; weight loss method

文章编号：1674-9944(2016)02-0057-03

中图分类号：X703

文献标识码：A

作者简介：高珊(1990—)，女，辽宁鞍山人，辽宁科技大学化工学院硕士研究生。 王艳秋(1971—)，女，辽宁鞍山人，高级工程师，主要从事污水处理方面的教学与研究工作。

收稿日期：2015-11-20