綠色水處理劑聚天冬氨酸緩蝕協(xié)同效應(yīng)的研究
1 水處理緩蝕劑的發(fā)展與綠色化
供水系統(tǒng)的設(shè)備廣泛地采用碳鋼來制造, 一般
工業(yè)水對碳鋼具有強(qiáng)烈的腐蝕性。使用緩蝕劑是既
經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的防護(hù)措施, 對節(jié)水、節(jié)能降耗、保證
工業(yè)生產(chǎn)裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行、發(fā)揮了十分重要的作
用, 冷卻水用緩蝕劑發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段: 鉻酸
鹽系列、亞硝酸鹽系列配方、( 聚) 磷酸鹽配方, 以及
鉬酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、鋅鹽, 膦系全有機(jī)配方、膦
羧( 磺) 酸全有機(jī)等系列配方。為了降低緩蝕劑在使
用過程中對環(huán)境和人類造成的危害, 人們開始有意
識(shí)地從源頭控制磷污染物的產(chǎn)生, 從而推動(dòng)了低
磷、無磷配方的迅速發(fā)展, 低磷、無磷的綠色水處理
劑已成為國內(nèi)外水處理劑研制方面的熱點(diǎn)課題。
無磷、生物可降解綠色緩蝕阻垢劑聚天冬氨酸和聚
環(huán)氧琥珀酸的開發(fā), 表明綠色緩蝕阻垢劑已成為水
處理藥劑發(fā)展的方向。
同濟(jì)大學(xué)的張冰如、李風(fēng)亭自2001 年以來, 利
用上海市教委曙光計(jì)劃開展了聚天冬氨酸合成與應(yīng)
用的研究, 取得了成果, 并於2004 年獲得了上海市
科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。研究表明, 聚天冬氨酸對CaCO3、 CaSO42H2O、BaSO4、SrSO4 垢有極其優(yōu)良的阻垢性
能, 是一種多功能的阻垢劑, 并具有一定的緩蝕性
能, 可與多種藥劑復(fù)配組成綠色配方( 無磷或低磷) ,
應(yīng)用前景廣闊。
2 實(shí)驗(yàn)方法
2.1 實(shí)驗(yàn)藥劑
2.2 緩蝕性能測定
參照《中華人民共和國化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)水處理
劑緩蝕性能的測定- 旋轉(zhuǎn)掛片法》HG/T2159-91,
在動(dòng)態(tài)腐蝕測試儀上進(jìn)行緩蝕性能實(shí)驗(yàn), 溫度
45℃, 轉(zhuǎn)速75r/min, 碳鋼試片: A3 碳鋼, 50mm×
25mm×2mm。實(shí)驗(yàn)用水: 上海市自來水, 水質(zhì)分析
見表2。
腐蝕速率按下式計(jì)算:
R=87600(W0-W1) / SDT
式中: R 腐蝕速率(mm/a) ;
W0 實(shí)驗(yàn)前試片質(zhì)量( g) ;
W1 實(shí)驗(yàn)后試片質(zhì)量( g) ;
S 試片表面積( cm2) ;
D 試片密度( g/cm3) ;
T 實(shí)驗(yàn)時(shí)間( h) 。
緩蝕率按下式計(jì)算:
η=(R0- R) /R0×100
式中: R0 未加緩蝕劑時(shí)的試片腐蝕率;
R 加有緩蝕劑時(shí)的試片腐蝕率。
2.3 極化曲線測試
采用恒電位法測定極化曲線。實(shí)驗(yàn)儀器主要有
PS-168C 型電化學(xué)測量系統(tǒng)、鹽橋、碳鋼工作電極、
飽和甘汞電極和鉑電極。
3 結(jié)果與討論
3.l 聚天冬氨酸PASP 對碳鋼的緩蝕作用
圖1 是單獨(dú)用PASP 時(shí)對碳鋼的緩蝕作用。結(jié)
果表明, PASP 在較低用量時(shí)對碳鋼即具有一定的緩
蝕作用, 但緩蝕率較低。隨著PASP濃度的增加緩蝕
作用增強(qiáng), 碳鋼的腐蝕速率逐漸降低, 緩蝕率增大,
但要達(dá)到較好的緩蝕效果, 所需的PASP 的質(zhì)量濃
度較高。從圖中可看出PASP的用量在150mg/L 時(shí),
緩蝕效率可達(dá)到81.36%以上, 腐蝕速率<0.25mm/a;
PASP 的用量在250mg/L 時(shí), 緩蝕效率可達(dá)到
86.51% 以上, 腐蝕速率<0.20mm/a。
這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明PASP 具有明顯的緩蝕作用。
3.2 PASP 與HEDP、Zn2+ 組成的二元體系對碳鋼的緩蝕協(xié)同作用
為了研究PASP、HEDP、Zn2+兩兩相互間的緩蝕
協(xié)同效應(yīng), 測試了不同用量的PASP 與HEDP、PASP與Zn2+、HEDP 與Zn2+分別組成的二元體系對碳鋼的
緩蝕性能, 如圖2、3、4 所示。此二元體系中藥劑的總
濃度為24mg/L, 從圖中可以看出:
( 1) 在PASP、HEDP、Zn2+之間任意兩種組分組
成的二元體系中, 其二元體系的組成與腐蝕率的關(guān)
系曲線都呈凹形, 說明PASP 與HEDP、PASP
與
Zn2+、HEDP 與Zn2+對碳鋼的緩蝕都或多或少地存在
著協(xié)同效應(yīng)。
( 2)PASP在單獨(dú)使用時(shí),其濃度為24mg/L的緩蝕率幾乎為零, 而與HEDP 或Zn2+聯(lián)合使用后, 緩蝕
率有不同程度的增加。從圖2 中看出PASP 與
HEDP 的二元體系中, 當(dāng)PASP與HEDP 的配比為
1: 5( 4mg/L 的PASP和20mg/L 的HEDP) 時(shí), 緩蝕效
果最好, 對碳鋼的腐蝕速率為0.0670mm/a, 緩蝕率
為94.60%, 說明PASP 與HEDP 有一定的緩蝕協(xié)同
效應(yīng)。而PASP與Zn2+組成的二元體系中, 當(dāng)20mg/L
的PASP 和4mg/L 的Zn2+配合時(shí), 其緩蝕效果最好,
對碳鋼的腐蝕速率為0.0105mm/a, 緩蝕率為
99.15%, 說明PASP 與Zn2+有很好的緩蝕協(xié)同效應(yīng)。
( 3) 單獨(dú)的HEDP 對碳鋼的緩蝕性能很好, 但
由于含磷, 應(yīng)盡量減少其用量。單獨(dú)的Zn2+緩蝕效果
較差, 如24mg/L 的Zn2 + 對碳鋼的腐蝕速率為
1.1425mm/a, 緩蝕率僅為5.93%。與PASP
配合使用
后, 其緩蝕效果有明顯提高, 顯示出緩蝕協(xié)同效應(yīng)。
3.3 PASP、HEDP、Zn2+ 組成的三元體系對碳鋼的緩
蝕協(xié)同作用.
從3.2 中我們知道PASP、HEDP、Zn2+這三種成
分中兩者之間均存在協(xié)同效應(yīng), 因此當(dāng)它們構(gòu)成三
元體系時(shí), 理論上應(yīng)該有更好的緩蝕協(xié)同效應(yīng)。由于
鋅對水生生物有毒性, 排放標(biāo)準(zhǔn)為小于5mg/L, 所以
在循環(huán)冷卻水中投加過多將會(huì)受到排放標(biāo)準(zhǔn)的限
制, 必須采用低鋅配方。因此在PASP、HEDP、Zn2+組
成的三元體系中, 我們把鋅的濃度控制在2mg/L, 組
成的三元體系對碳鋼的緩蝕協(xié)同效應(yīng)的實(shí)驗(yàn), 結(jié)果
如表3 所示, 藥劑的總濃度仍為24mg/L。
從表3 可以看出:
( 1) 在總藥劑濃度不變、Zn2+的濃度在2mg/L 的
情況下, PASP、HEDP、Zn2+ 組成的三元體系, 具有更
好的緩蝕協(xié)同效應(yīng)。
( 2) 在PASP、HEDP、Zn2+ 組成的三元體系中,PASP 與HEDP的配比在相當(dāng)寬的范圍內(nèi), 其腐蝕率<0.05mm/a, 達(dá)到比較好的緩蝕水平。說明該P(yáng)ASP、HEDP、Zn2+三元體系具有更顯著的緩蝕協(xié)同效應(yīng)。
3.3 極化曲線分析
圖5 是24mg/L 聚天冬氨酸及其復(fù)配物在自來
水中的極化曲線圖, 可看出, 加入聚天冬氨酸后自腐
蝕電位向正移, 且陽極極化曲線的斜率增大, 故屬于
陽極型緩蝕劑; 與HEDP和鋅離子復(fù)配后, 自腐蝕
電位基本與單獨(dú)使用PASP 的電位重合, 且較空白
試樣正移, 因此該復(fù)合緩蝕劑屬陽極型緩蝕劑, 該極
化曲線的陰極極化有所加強(qiáng), 因此緩蝕率增大。
4 結(jié)論
( 1) PASP、分別與HEDP
和Zn2+ 組成的二元體
系, 對碳鋼具有緩蝕協(xié)同效應(yīng)。
( 2) PASP、HEDP、Zn2+兩兩之間, 對碳鋼均有緩
蝕協(xié)同效應(yīng), 它們組成的三元體系在更寬的范圍內(nèi),
具有更顯著的緩蝕協(xié)同效應(yīng), 在本實(shí)驗(yàn)條件下其腐
蝕率<0.05mm/a, 達(dá)到比較好的緩蝕水平。
( 3) PASP、HEDP、Zn2+ 的三元體系具有明顯的
緩蝕協(xié)同效應(yīng), 如果能加強(qiáng)這種緩蝕協(xié)同效應(yīng), 就可
使由PASP、HEDP、Zn2+為組成的復(fù)合藥劑的緩蝕效
應(yīng)更好, 且使用量減少。
( 4) PASP 與HEDP 復(fù)配可組成低磷配方, 例如
本實(shí)驗(yàn)條件下當(dāng)藥劑組成為PASP( 18mg/L) 、HEDP( 4mg/L) 、Zn2+( 2mg/L) 時(shí), 磷含量<1.2mg/L, 腐蝕率<
0.05mm/a, 緩蝕性能優(yōu)良, 屬于低磷水處理配方。
( 5) PASP 具有一定的緩蝕效果, 與其它藥劑復(fù)
配組成綠色配方( 無磷或低磷) , 具有較好的協(xié)同效
應(yīng), 緩蝕性能優(yōu)良, 將有廣泛的應(yīng)用前景。
