新型高效環保非磷阻垢緩蝕劑性能研究

李升軍，楚飛虎，吳曉雄

（愛環吳世（蘇州）環保股份有限公司，江蘇 蘇州 215011）

在工業用循環水領域，非環保型的磷系阻垢緩蝕劑應用普遍[1-3]。 這類藥劑對水體自身無毒性、價位低廉且具有非常好的阻垢緩蝕性能，當前乃至今后一段時期還是會被大量應用[4]。 然而這類藥劑排入水體后，容易導致水體富營養化，嚴重污染水源，而國家的環保要求越來越高[5]。 因此，高效環保型無磷阻垢緩蝕劑開發越來越受到重視。

研究表明，將單一的阻垢劑和緩蝕劑進行復配可以起到良好的阻垢緩蝕效果。 本文開發的高效環保型無磷阻垢緩蝕劑，對鈣垢分散阻垢性能優異，對A3 碳鋼緩蝕性能良好，適用于不同的循環水系統，符合國家節能環保的要求，有助于提高工業循環水的利用率，市場前景廣闊。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

新型高效環保非磷阻垢緩蝕劑NP，40%（質量分數），自制；羥基乙叉二膦酸（HEDP），60%（質量分數），分析純，阿拉丁試劑有限公司；2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸（AMPS），98%（質量分數），分析純，阿拉丁試劑有限公司。

SHJ-6A 數顯恒溫水浴鍋，常州迅生儀器有限公司；UV754N 分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司；旋轉掛片腐蝕儀，自制；A3 碳鋼試片（50 mm×25 mm×2 mm）、黃銅試片（50 mm×25 mm×2 mm）、鋁試片（50 mm×25 mm×2 mm），揚州市祥瑋機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 阻垢性能評價

實驗采用碳酸鈣沉積法，配制不同藥劑濃度進行阻碳酸鈣垢實驗，然后在不同溫度下進行藥劑的阻碳酸鈣垢實驗，分別考察藥劑濃度及溫度對阻碳酸鈣垢性能的影響[6]。

1.2.2 分散性能評價

采用分散氧化鐵性能評價- 透光率法，配制不同的藥劑濃度，測定其透光率，評價藥劑的分散性能[7]，原理：加入不同阻垢劑后通過測定上層溶液的透光率來確定不同阻垢劑的分散性能。 如果上層溶液的分散性能差，氧化鐵就會沉淀，溶液透光率就大；反之，如果溶液透光率小，說明阻垢劑的分散性能好。

1.2.3 緩蝕性能評價

實驗采用旋轉掛片法，配制不同藥劑濃度進行不同金屬的掛片腐蝕實驗[8]。同時選定A3 碳鋼在不同溫度條件下評價藥劑的緩蝕性能。

2 結果與討論

2.1 不同質量濃度對阻碳酸鈣垢性能的影響

采用碳酸鈣沉積法，對NP、HEDP 和AMPS 在質量濃度分別為5、10、15、20、25、30、35 和40 mg/L時對碳酸鈣垢的阻垢性能進行評價，阻垢率如圖1所示?？傆捕葹?00 mg/L（以碳酸鈣計，即鈣離子質量濃度為240 mg/L，下同），水浴溫度為80 ℃，時間為10 h。

圖1 不同藥劑在不同質量濃度下的阻垢率

由圖1 知，NP、HEDP 和AMPS 對碳酸鈣垢均有阻垢效果，NP 的阻垢效果明顯優于HEDP 和AMPS，不同質量濃度下對碳酸鈣垢的平均阻垢率高30%左右；同時隨著質量濃度的增大，阻垢率趨緩，說明藥劑對碳酸鈣垢的阻垢性能有一定的溶限效應。 由于NP 藥劑分子結構中同時含有酰胺鍵和羧基鍵，溶于水后發生強烈電離，生成帶有負電荷的長分子鏈，可與Ca2+形成易溶于水的螯合物，極大地增加了無機鹽的溶解度；同時，聚羧酸結構的溶化作用使無機鹽的晶核與聚羧酸結構離子碰撞，發生物理或化學吸附，呈現明顯的分散狀態，NP 藥劑對碳酸鈣垢的阻垢效果優異。

2.2 溫度對阻碳酸鈣垢性能的影響

采用碳酸鈣沉積法，在溫度為30、40、50、60、70、80 和90 ℃條件下對阻碳酸鈣垢性能進行評價，阻垢率如圖2 所示。 總硬度為600 mg/L，藥劑質量濃度為20 mg/L，時間為10 h。

圖2 不同藥劑在不同溫度下的阻垢率

由圖2 知，隨著溫度的升高，NP、HEDP 和AMPS對碳酸鈣垢的阻垢率均降低，NP 降低幅度優于HEDP 和AMPS；同時，當溫度＞80 ℃時，阻垢率均大幅下降。 由于NP 為復配藥劑，配方間的阻垢協同作用，耐高溫能力強，在溫度＜80 ℃時，阻垢性能優異；溫度＞80 ℃時，復配藥劑吸附于碳酸鈣晶核表面的能力下降，導致碳酸鈣的生成速率加快，同時溫度升高，聚羧酸結構可能發生變化，其螯合能力下降，進而阻垢性能急劇下降，但相比HEDP 和AMPS 仍有明顯的阻垢性能優勢。

2.3 不同藥劑分散性能評價

按5、10、15、20、25、30、35 和40 mg/L 配制不同質量濃度的藥劑，分別加入總硬度為375 mg/L（即鈣離子質量濃度為150 mg/L）的鈣離子儲備液和10 mg/L的二價鐵離子儲備液，調節pH=9.0，水浴溫度為50 ℃，恒溫5 h。 滴定后，于510 nm 波長處，測定其透光率，結果見圖3。

圖3 不同藥劑在不同質量濃度下透光率

由于加入阻垢緩蝕劑后，氧化鐵會均勻分散于溶液中，導致透光率變低；若藥劑的分散性能差，氧化鐵會沉淀，溶液透明，透光率高。 由圖3 知，隨著藥劑濃度的增加，透光率均大幅降低，說明藥劑具有良好分散性能，而NP 的分散性能最好。

2.4 NP 藥劑對不同金屬的緩蝕性能評價

選取A3 碳鋼、黃銅和鋁試片，配制質量濃度為10、20、30、40 和50 mg/L 的NP 藥劑，在溫度為30 ℃條件下采用旋轉掛片法進行緩蝕性能評價，結果見圖4。

圖4 NP 藥劑在不同質量濃度下對不同金屬的緩蝕率

由圖4 知，隨著NP 藥劑質量濃度的增加，對不同金屬的緩蝕率均明顯增大，說明NP 藥劑可以適用A3 碳鋼、黃銅、鋁，適用范圍廣；同時，NP 藥劑對A3碳鋼的緩蝕率明顯好于黃銅、鋁。 NP 藥劑中的鉬酸根與二價鐵可以形成鉬酸鐵固體，可以抑制點蝕位置活化鐵的溶解，進而抑制點蝕的擴散和蔓延，有效減緩腐蝕；A3 碳鋼為鐵碳合金，更容易形成鉬酸鐵沉積在金屬表面，而在有氧環境下，鉬酸根在點蝕處可被還原，使鐵再鈍化，由此，NP 藥劑對A3 碳鋼的緩蝕有吸附、沉積和氧化等共同作用，而對黃銅、鋁的緩蝕主要有膜離子的選擇性，阻止金屬離子進入溶液，同時阻止陰離子到達金屬表面，從而阻止點蝕發生。

2.5 溫度對A3 碳鋼緩蝕率的影響

配制質量濃度分別為10、20、30、40 和50 mg/L的NP 藥劑，在不同溫度條件下采用旋轉掛片法進行緩蝕性能評價，結果見圖5。

圖5 不同溫度條件下不同質量濃度NP 藥劑對A3 碳鋼緩蝕率

由圖5 知，在不同溫度條件下，隨著NP 藥劑質量濃度的增加，對A3 碳鋼的緩蝕率均明顯增大，其中溫度＜50 ℃時，隨著NP 藥劑質量濃度的增加，緩蝕率大幅上升。 由于溫度升高，溶液中的離子物質擴散速率增大，溶液的黏度和過電位逐漸減??；擴散系數的增大，可促使更多溶解氧擴散至A3 碳鋼表面的陰極區，而NP 藥劑的有效成分在A3 碳鋼表面擴散速率快，不容易沉積，鈍化反應時間短；同時過電位降低，在A3 碳鋼表面未有效鈍化之前，加速氧在陰極的還原過程及A3 碳鋼在陽極的溶解過程，導致腐蝕速率增大，緩蝕率降低。 溫度較低時，隨著NP 藥劑質量濃度的增加，其有效成分可快速通過吸附、膜離子選擇、沉積和氧化鈍化等方式，在A3 碳鋼表面形成一層保護膜，阻止腐蝕的進行。

3 結論

采用碳酸鈣沉積法、透光率法和旋轉掛片法，對比評價了NP、HEDP 和AMPS 對碳酸鈣垢的阻垢性能及NP 藥劑的緩蝕性能，結果顯示：NP 藥劑對碳酸鈣垢的阻垢率達90%以上，相較于HEDP 和AMPS，平均高出30%左右；在溫度＜80 ℃時，對碳酸鈣垢的阻垢性能良好，溫度＞80 ℃時，阻垢率大幅降低，但仍優于HEDP 和AMPS；NP 藥劑的分散性能最好，其分散透光率較AMPS 低15%；NP 藥劑對A3 碳鋼、黃銅和鋁均有良好的緩蝕性能，在溫度＜50 ℃時，對A3 碳鋼緩蝕率可達83%；該新型高效環保非磷阻垢緩蝕劑性能優異。