一种低磷高效缓蚀阻垢剂的研究与应用

2017-07-10陈维忠张晓冬岳云怡喻果

当代化工 2017年7期

陈维忠　张晓冬　岳云怡　喻果

摘要：研究了缓蚀阻垢剂HZ1601、丙烯酸与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA/AMPS）、锌盐、磷酸盐复配的优选比例，得到一种低磷高效缓蚀阻垢剂HZ1601-1。通过旋转挂片实验和静态阻垢实验，HZ1601-1表现出良好的缓蚀性能和阻垢性能。在黄河水作为循环冷却水的动态模拟试验中，年污垢热阻可达到3.15×10-4 m2·K/W，换热管腐蚀率为0.004 207 mm/a，均完全满足循环冷却水系统的要求。

关键词：阻垢性能；缓蚀性能；污垢热阻值

中图分类号：TQ 051 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1340-03

Research and Application of Low Phosphorus and High

Efficiency Corrosion and Scale Inhibitor

CHEN Wei-zhong，ZHANG Xiao-dong，YUE Yun-yi，YU Guo

（Weihai Xiangyu Technology Co.，Ltd.，Shandong Weihai 264205， China）

Abstract： Corrosion inhibitor HZ1601， acrylic acid and 2-acrylamide-2 -methyl acrylate copolymer （AA/AMPS）， zinc salt and phosphate were compounded to obtain a kind of low phosphorus and high efficiency corrosion and scale inhibitor HZ1601-1. Rotating coupon experiments and static scale inhibition experiments of HZ1601-1 showed good corrosion inhibition performance and scale inhibition performance. In dynamic simulation test by using Yellow River water as circulating cooling water， the annual fouling resistance reached to 3.15×10-4 m2·K/W， the corrosion rate of heat exchange tube was 0.004 207 mm/a， which can fully meet the requirements of the circulating cooling water system.

Key words： Scale inhibition performance； Corrosion inhibition performance； Fouling resistance

工业生产中循环冷却水用量很大，尤其是在电力、冶金、石化和钢铁等行业，冷却水的用量约占企业用水总量的85%以上[1]。循环冷却水系统可以有效地节约水资源，但其运行过程中会出现严重的结垢、腐蚀等弊端[2-4]，为保证循环水系统安全稳定运行，需要向系统中投加缓蚀阻垢剂，而目前广泛应用的磷系缓蚀阻垢剂易造成环境污染，随着我国环境保护政策加强、国民安全意识的提高，磷系水处理剂逐渐引起人们的担忧，因此，采用低磷或无磷的缓蚀阻垢剂已成为当今研究的重点[5]。

本文以丙烯酸与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA/AMPS）、锌盐、磷酸盐为原料，与威海翔宇环保科技股份有限公司阻垢剂HZ1601进行复配，研制出一種低磷高效缓蚀阻垢剂。首先，采用正交实验，对复合低磷缓蚀阻垢剂配方进行筛选；其次，采用静态阻垢实验和旋转挂片缓蚀实验，对优选配方的缓蚀性能和阻垢性能进行评定；最后，通过动态模拟试验验证优选配方的应用效果。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料：阻垢剂HZ1601（威海翔宇环保科技股份有限公司）、丙烯酸与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物（AA/AMPS）、锌盐、磷酸盐等。

仪器：RCC-型旋转挂片腐蚀试验仪、HH-8数显恒温水浴锅、双水路循环冷却水动态模拟试验台（威海翔宇环保科技股份有限公司设计制造）。

1.2 实验用水

采用高硬度、高碱度循环水作为实验用水，实验用水取自滨州某化工厂，补充水为黄河水，具体水质分析情况见表1。

水pH值、总硬度和总碱度较高，水质LSI为2.17，属于易结垢性水质，表现为结垢为主，腐蚀为辅的水质。因此，缓蚀与结垢要同时兼顾。

1.3 实验方法

1.3.1 正交实验

为了优化阻垢剂HZ1601性能，并筛选出阻垢和缓蚀效果最佳的低磷缓蚀阻垢剂配方，以A（AA/AMPS）、B（锌盐）、C（磷酸盐）这三种药剂进行正交实验。阻垢剂HZ1601质量浓度为50 mg/L，其中，AA/AMPS的质量浓度为1～3 mg/L、锌盐的质量浓度为0.3～1.5 mg/L，磷酸盐的质量浓度为0.5～1.5 mg/L，正交实验条件表如表2所示。

.3.2 缓蚀性能评价

采用“旋转挂片实验”[6]对复合低磷缓蚀阻垢剂的缓蚀性能进行评价，实验用水为1.2中的循环水，采用RCC-型旋转挂片腐蚀试验仪，采用A3碳钢挂片-Ⅰ型（符合HG/T 3523的规定），实验温度为（45±1.0）℃，实验周期为72h。

1.3.3 阻垢性能评价

采用“静态阻垢实验”[7]对复合低磷缓蚀阻垢剂的阻垢性能进行评价，将投加阻垢剂和未投加阻垢剂的实验水至于500 mL锥形瓶中，在HH-8数显恒温水浴锅中水浴10 h，实验温度为（80±1.0）℃。

1.3.4 动态模拟试验

为了进一步模拟循环水现场运行状态，采用“动态模拟试验”[8]对复合低磷缓蚀阻垢剂的应用效果进行模拟验证，试验用水为自来水（黄河水），采用双水路循环冷却水动态模拟试验台，采用A3碳钢挂片-Ⅱ型，表面积为20.64 cm2，采用外表镀铬无缝不锈钢管，规格为D10 mm×1 mm×570 mm，进水温度为（32±1）℃，加热炉蒸汽温度为100 ℃，浓缩倍数为2.5～3，试验时间为360 h。

2 实验结果与讨论

2.1 复合低磷缓蚀阻垢剂配方筛选

为得到良好缓蚀性能与阻垢性能的低磷缓蚀阻垢剂，通过正交实验对阻垢剂HZ1601进行改进，实验选取了AA/AMPS、锌盐、磷酸盐作为实验因素，以各因素的质量浓度作为水平数，并以缓蚀性能和阻垢性能作为评价指标进行实验。正交实验结果见表3。

由表3可知，影响缓蚀性能的三个因素极差R大小排序为磷酸盐>锌盐>AA/AMPS，磷酸盐对缓蚀性能影响最大，其中，缓蚀性能最好的配方组成为A1B3C2，即AA/AMPS、锌盐、磷酸盐质量浓度分别为1、1.5、1.0 mg/L。影响阻垢性能的三个因素极差R大小排序为AA/AMPS>磷酸盐>锌盐，AA/AMPS对阻垢性能影响最大，其中，阻垢性能最好的配方组成为A3B2C2，即AA/AMPS、锌盐、磷酸盐质量浓度分别为3、0.8、1.0 mg/L。分别对上述两种配方的缓蚀性能和阻垢性能进行测定，实验结果表明，A3B2C2的综合性能更好。将该配方所得的缓蚀阻垢剂命名为HZ1601-1。

2.2 HZ1601-1的缓蚀性能测定

缓蚀阻垢剂HZ1601-1加药质量浓度为10，20，30，40，50，60 mg/L时，测定缓蚀率，分析加药浓度对缓蚀性能的影响。实验采用水源为黄河水的循环水，在温度为（45±1.0）℃的条件下，测定HZ1601-1的缓蚀性能，结果如图1所示。

由图1可知，HZ1601-1的缓蚀性能随药剂质量浓度的增加而逐渐增加，当质量浓度为40 mg/L时，缓蚀率为87.47%；质量浓度为50 mg/L时，腐蚀率为0.048 mm/a、缓蚀率为96.18%，腐蚀率小于我国工业循环冷却水处理行业标准规定0.075 mm/a[9]；质量浓度为60 mg/L时，缓蚀率为97.8%。这说明药剂质量浓度为50 mg/L时，表现出良好的缓蚀效果，药剂质量浓度大于50 mg/L时，缓蚀率增加不显著。

2.3 HZ1601-1的阻垢性能测定

在温度为（80±1.0）℃的条件下，测定HZ1601-1的阻垢性能，结果如图2所示。

由图2可知，HZ1601-1的阻垢性能随药剂质量浓度的增加而逐渐增加，当质量浓度为40 mg/L时，阻垢率为90.89%；质量浓度为50 mg/L时，阻垢率为93.55%；质量浓度为60 mg/L时，阻垢率为90.08%。这说明药剂质量浓度为50 mg/L时，表现出良好的阻垢效果，药剂质量浓度大于50 mg/L时，缓蚀率增加不显著。

2.4 动态模拟试验

采用威海翔宇科技双水路循环冷却水动态模拟试验台，在3倍浓缩条件下，HZ1601-1质量浓度为50 mg/L时，测定HZ1601-1的缓蚀性能和阻垢性能，缓蚀试验结果如表4所示。

由表4可知，HZ1601-1取得了良好的缓蚀阻垢效果，加药后年污垢热阻可达到3.15×10-4 m2·K/W，换热管腐蚀率为0.004 207 mm/a，均完全满足循环水系统的要求。循环水进水侧和出水侧挂片腐蚀速率平均值为0.0162 95 mm/a，腐蚀率小于静态实验结果（0.048 mm/a），试验后加药侧挂片只有悬挂处發生轻微接触腐蚀，而空白挂片整体发生腐蚀，锈迹明显（如图3）。上述结果表明，HZ1601-1缓蚀性能和阻垢性能优异，可以替代高磷含量的水处理药剂。

3 结论

（1）正交实验结果表明，以HZ1601、AA/AMPS、锌盐、磷酸盐为原料，在质量配比为250∶15∶4∶5时，复配得到的缓蚀阻垢剂HZ1601-1缓蚀性能和阻垢性能优异，且达到行业标准。

（2）以黄河水为补水的循环水系统中，在3倍浓缩条件下，系统基本不腐蚀、不结垢，节约水资源，并确保系统的安全稳定运行。

（3）同无磷水处理药剂相比，低磷复配缓蚀阻垢剂HZ1601-1可以降低企业运营成本，同时满足环保排放标准，具有一定的应用优势。

参考文献：

[1] 齐冬. 敞开式循环冷却水系统的化学处理[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 陈云嫩，李建军. 新型缓蚀阻垢剂的开发[J]. 工业水处理，2006，26（2）：59-61.

[3] 郑逸云，周柏青，李芹. 环境友好型缓蚀阻垢剂的研制与性能评价[J]. 工业水处理，2004，24（5）：25-28.

[4] 王平. 一种新型四元聚合缓蚀阻垢剂的合成和性能评价[J]. 工业水处理，2009，29（3）：43-45.

[5] 胡百顺，郭学辉，王康. 绿色缓蚀阻垢剂的研究及应用进展[J]. 工业水处理，2013，33（5）：9-12.

[6] 全国化学标准化技术委员会水处理剂分会. GB/T 18175-2000，水处理剂缓蚀性能的测定：旋转挂片法[S].

[7] 全国化学标准化技术委员会水处理剂分会. GB/T 16632-2008，水处理剂阻垢性能的测定：碳酸钙沉积法[S].