碳钢电极在Al2O3纳米流体中的腐蚀行为研究

周宏旺, 葛红花, 袁　群, 孟新静, 赵玉增, 廖强强

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海　200090)



碳钢电极在Al2O3纳米流体中的腐蚀行为研究

周宏旺, 葛红花, 袁群, 孟新静, 赵玉增, 廖强强

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海200090)

采用电化学阻抗谱和极化曲线研究了碳钢电极在以模拟冷却水为基液的Al2O3纳米流体中的腐蚀行为.实验结果表明,Al2O3纳米颗粒对碳钢的腐蚀有一定的抑制作用;Al2O3纳米流体中碳钢电极的耐蚀性能随着温度的升高而降低,添加分散剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对碳钢也有一定的缓蚀作用,当SDBS的用量超过一定值时,对碳钢的缓蚀性能开始下降.

Al2O3纳米流体; 碳钢; 十二烷基苯磺酸钠; 腐蚀; 电化学阻抗谱

在液体介质中以一定的方式和比例添加纳米级的金属或非金属粒子可以形成一类新型传热工质——纳米流体,纳米流体的概念由美国Argonne国家实验室的EASTMAN J A等人[1]于1995年率先提出,随后20年来成为热能领域研究的热点之一.纳米流体在加强传热方面有着巨大的应用价值,EASTMAN J A等人[2]对其导热系数的研究表明,用按小于5%的体积比将纳米氧化铜加入水中,与水相比,这样的氧化铜纳米流体的导热性能比原来高了60%以上.另外,如果在一种冷却系统中使得换热量变为原来的两倍,则泵的功率就需要变为原有功率的12倍.但如果应用导热系数较高的纳米流体,则泵的功率与原有相比会减小一个数量级,可使能耗得以降低[3].纳米流体因其在提高流体换热效率、减小壁面摩擦阻力、改进光学性能等方面具有显著的效果而受到人们的广泛关注.

近年来,人们开始关注纳米流体对金属可能存在的腐蚀问题,但不同体系的研究结果并不一致,有的体系中纳米颗粒的存在抑制了金属的腐蚀[4],而有的体系中却促进了金属的腐蚀[5],而且多数研究在蒸馏水体系中进行.

过去以去离子水或有机溶剂为基液来研究纳米流体的稳定性[6-7],然而在工业生产中的冷却水系统中使用纳米流体将有很好的应用前景,因此如果电厂循环冷却水采用纳米流体来代替,则可以提高换热效率,降低泵的功率,从而进一步降低能耗.但是其对循环冷却水管道的腐蚀情况的研究鲜有报道,因此本研究以模拟冷却水为基液制备Al2O3纳米流体来研究其对碳钢的腐蚀.

1　实验部分

(1) 实验材料γ-Al2O3,颗粒直径为20 nm(上海晶纯生化科技股份有限公司);十二烷基苯磺酸钠(SDBS),氯化钠,盐酸,氢氧化钠等均为分析纯.电极材料为20#碳钢,电极加工将20#碳钢加工成工作面为1 cm×1 cm 的试片,工作面背面焊上导线,用环氧树脂封装非工作面.试验前用0#～6#砂纸逐级打磨后,再用酒精脱脂,去离子水冲洗.

(3) 实验仪器采用SB-5200DTD型超声波清洗机,pHS-3J型pH计,Nano-ZS90 Zeta电位仪(英国Malvern仪器有限公司),H01-1B型数显磁力搅拌器.

(4) 电化学测试采用CHI660E电化学工作站及三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为Pt电极.电化学阻抗谱测试频率范围为0.01～1.0×105Hz,交流激励信号幅值为10 mV,极化曲线测试扫描速度为20 mV/min.

2　结果与讨论

2.1碳钢电极在Al2O3纳米流体中的腐蚀行为

2.1.1温度和纳米颗粒对碳钢电极电化学阻抗谱的影响

首先研究纳米流体及不含纳米颗粒的模拟水中温度和纳米颗粒对碳钢电极腐蚀行为的影响.图1和图2分别为模拟水中及Al2O3纳米流体中碳钢电极的Nyquist图.

采用图3的等效电路对电化学阻抗谱进行拟合,结果见表1和表2.

图1　　　　不同温度下碳钢电极在模拟冷却水中的Nyquist图

图2　　　　不同温度下碳钢电极在Al2O3纳米流体中的Nyquist图

由表1和表2可以看出,无论是在纳米流体中还是不含纳米颗粒的模拟水中,30 ℃时碳钢电极的电荷转移电阻Rct最大,说明该温度下碳钢的耐蚀性最佳.但随着温度的升高,碳钢电极在两个体系中的阻抗值逐渐降低,说明碳钢的耐蚀性随着温度的升高而降低,即升高温度对碳钢在这两个体系中的腐蚀过程有促进作用,这是因为随着温度的升高,溶液中的离子扩散速度加快,破坏了OH-对碳钢电极的保护作用,使得Cl-的迁入能力变强,导致碳钢的电化学电阻减小,腐蚀增加[9].

注:Rs—溶液电阻;Rct—电荷转移电阻;Q1—双电层电容;Rf,Q2—腐蚀膜层的电阻和电容.

图3　拟合用等效电路

表2　　　　不同温度下碳钢电极在Al2O3纳米流体中的阻抗谱拟合参数

比较表1和表2可以发现,纳米流体中碳钢电极的阻抗值更大,说明纳米颗粒对碳钢电极具有一定的缓蚀作用,这可能是由于Al2O3纳米颗粒可以进入扩散层及在碳钢电极表面发生沉积,提高了氧的扩散阻力,降低了氧在碳钢表面的吸附量,从而对碳钢的腐蚀过程产生一定的抑制作用[4].

2.1.2不同体系中碳钢电极电化学阻抗谱的对比分析

由于纳米颗粒在水溶液中的分散性能差,故通常加入十二烷基苯磺酸钠(SDBS)来提高纳米颗粒在溶液中的分散性[10].图4为30 ℃时碳钢电极在模拟水,含SDBS的模拟水,Al2O3纳米流体,含SDBS的Al2O3纳米流体中的Nyquist图.采用图3的等效电路对图4的阻抗谱进行拟合,结果见表3.

从图4和表3可以看出,碳钢电极在模拟水中的电荷转移电阻Rct最小,说明碳钢电极在模拟水中腐蚀相对较严重;加入Al2O3或(和)SDBS的纳米流体中碳钢电极的电荷转移电阻较大,说明碳钢在这些体系中的腐蚀相对较轻.如纳米Al2O3的加入使得碳钢电极的Rct从模拟水中的780.9 Ω·cm2增大为905.0 Ω·cm2,说明了纳米Al2O3对碳钢的腐蚀有一定的抑制作用.这可能是由于Al2O3纳米颗粒的表面积比较大,同时其颗粒较小,因此Al2O3纳米颗粒可能会悬浮在流体中,并进入扩散层;Al2O3纳米颗粒可与扩散层中的氧气碰撞,阻碍了氧气分子的扩散,从而使得碳钢的腐蚀速率降低[4].模拟水中加入SDBS,碳钢电极的Rct增大到2 299.0 Ω·cm2,说明SDBS对碳钢电极有较好的缓蚀作用.SDBS作为一种常用的表面活性剂,可以通过在金属表面的吸附成膜,达到对金属的缓蚀作用[11].另外,当Al2O3纳米流体中加入SDBS时,碳钢电极的Rct进一步增大到2 322.0 Ω·cm2,说明在SDBS和Al2O3纳米颗粒的共同作用下,碳钢电极的腐蚀过程得到了进一步的抑制.

图4　碳钢电极在不同体系中的Nyquist图

体 系RsRfRct(Ω·cm2)Q1/(μΩ-1·cm-2sn)Q2/(mΩ-1·cm-2sn)模拟水179.1648.0780.9736.7114.8模拟水+Al2O3234.2755.5905.0589.775.6模拟水+SDBS145.5449.12299.0483.02.8模拟水+Al2O3+SDBS146.5445.52322.0480.22.8

2.2分散剂SDBS对碳钢电极的腐蚀影响

从上述分析可知,纳米流体中的分散剂SDBS对碳钢电极有较好的缓蚀作用,现针对不同浓度SDBS对碳钢的缓蚀作用作进一步研究.图5为30 ℃时碳钢电极在含不同浓度SDBS的Al2O3纳米流体中的Nyquist图;图6为30 ℃时碳钢电极在该体系中的极化曲线;通过极化曲线获得的碳钢电极的腐蚀电流密度见表4.

图5　　　　碳钢电极在含不同浓度SDBS的Al2O3纳米流体中的Nyquist图

图6　　　　碳钢电极在含不同浓度SDBS的Al2O3纳米流体中的极化曲线

从图5可以看出,加入分散剂SDBS能使碳钢电极在Al2O3纳米流体中的阻抗值变大,并且碳钢电极的阻抗值随着SDBS浓度的增加而增大,说明在水基纳米流体中SDBS对碳钢具有较好的缓蚀作用.当SDBS的质量浓度达到0.05%时,再增加SDBS浓度,阻抗值增大幅度变小;当SDBS浓度达到0.1%时,碳钢电极的阻抗值反而有所减小,说明当SDBS用量超过一定值时,对碳钢的缓蚀性能开始下降,这可能与SDBS的阈值效应有关[12].

从图6和表4可以看出,未加入SDBS的Al2O3纳米流体中碳钢电极的自腐蚀电流密度最大,说明碳钢的耐腐蚀性最差.加入SDBS后,随着SDBS浓度的增加,碳钢电极的自腐蚀电流密度减小,说明碳钢的耐腐蚀性增加,SDBS对碳钢的缓蚀性能增强.当SDBS的质量浓度达到0.1%时,碳钢电极的自腐蚀电流密度增大,说明此浓度下SDBS对碳钢的缓蚀性能下降.上述结论和电化学阻抗谱图得到的结论相符.

表4　　　　碳钢电极在含不同浓度SDBS的Al2O3纳米流体中的自腐蚀电流密度　(A·cm-2)

3　结　论

(1) 纳米流体中碳钢电极的耐蚀性能随着温度的升高而降低.温度升高对碳钢电极在模拟水和纳米流体中的腐蚀均有促进作用.

(2) 纳米流体中增加Al2O3纳米颗粒对碳钢电极的腐蚀有一定的抑制作用,分散剂SDBS对碳钢能起到较好的缓蚀作用.

(3) 在Al2O3纳米流体中SDBS对碳钢的缓蚀作用随着SDBS浓度的增加而增强.当SDBS用量超过一定值时,对碳钢的缓蚀性能反而会降低.

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(编辑胡小萍)

Analysis of Corrosion Behavior of Carbon Steel inAl2O3Nanofluids

ZHOU Hongwang, GE Honghua, YUAN Qun, MENG Xinjing, ZHAO Yuzeng, LIAO Qiangqiang

(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Corrosion behavior of carbon steel electrode in Al2O3nanofluids is analyzed using electrochemical impedance spectroscopy and polarization curve.The experimental results show that Al2O3nanoparticles exhibit a certain corrosion inhibition to carbon steel.The corrosion resistance of carbon steel electrode decreases with the increase of the temperature of the Al2O3nanofluids.Sodium dodecyl benzene sulfonate(SDBS),dispersant in nanofluids also appears to have corrosion inhibition to carbon steel,and the corrosion inhibition enhances when the concentration of SDBS increases.The corrosion resistance of carbon steel in Al2O3nanofluids decreases when the concentration of dispersant SDBS exceeds a certain value.

Al2O3nanofluid; carbon steel; sodium dodecyl benzene sulfonate; corrosion; electrochemical impedance spectroscopy

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.04.014

2015-09-30

简介：葛红花(1967-),女,博士,教授,浙江义乌人.主要研究方向为金属腐蚀与防护,工业冷却水处理.E-mail:gehonghua@shiep.edu.cn.

国家自然科学基金(51471104);上海市重点科技攻关项目(14DZ2261000,11DZ2210500);上海市教育委员会科创重点项目(12ZZ173).

TG174.3

A

1006-4729(2016)04-0376-04