XM—101自来水介质缓蚀剂对钢铁的缓蚀作用

Posted 2023-01-11 自来

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由于诸多原因，钢铁在自来水中会遭到严重的腐蚀。抑制钢铁在自来水中腐蚀的方法有化学缓蚀法〔1～5〕，电化学阴极保护法以及两者相结合的综合法〔6〕。其中化学缓蚀剂法不仅十分有效，而且较为简便。
自来水中的钢铁缓蚀剂种类繁多，诸如磷系、钼系、硅系、有机体系等。其中的磷系缓蚀剂具有高效、廉价、无毒等优点而备受人们的关注和重视。例如PC—602水质稳定剂实质上就是一种兼有一定阻垢功能的磷系缓蚀剂，当浓度为300×10-6时，对A3钢的缓蚀率高达98%〔7〕。这种缓蚀剂虽然具有一定代表性，但剂量太大，且缓蚀率也有待进一步提高。我们意在研制一种缓蚀率更高，而剂量更小的新型同类缓蚀剂，以期取而代之。
1 实验方法
试验溶液为含有不同浓度的XM—101自来水介质缓蚀剂的自来水。XM—101自来水介质缓蚀剂是由聚磷酸盐、醇胺磷酸酯和磷酸二氢锌按一定比例组成的。
试验材料为A3钢。试样规格为5cm×2.5cm×0.2cm，表面积为28cm2。所用试样均经金相砂纸逐级打磨，再经自来水、无水酒精清洗，冷风吹干，置于干燥器中24h以上，备用。
实验采用失重法，试样经称重后，在不同的试验溶液中浸泡1800h，取出的试样按照GB6384—86方法处理。称重，按下列公式
(1)计算A3钢的腐蚀率v，即
v(mm/a)=87.6×103×ΔWs.t.ρ…………
(1)
式中：ΔW为试样的失重(g)，s为试样的表面积(cm2)，t为试样的浸泡时间(h)，ρ为试样材料的密度(g/cm3)。
再按下列公式
(2)计算缓蚀剂对A3钢的缓蚀率E，即
E(%)=v0-vcv0×100……………………
(2)
式中：v0为未加缓蚀剂的试样腐蚀率，vc为给定缓蚀剂的试样腐蚀率。
2 结果与讨论
2.1 XM—101浓度对缓蚀率的影响
XM—101自来水介质缓蚀剂浓度对缓蚀率的影响结果列于表1。
不难看出：XM—101自来水介质缓蚀剂浓度为50×10-6～250×10-6的实验范围内，对A3钢的缓蚀率均达97%以上，钢样表观很好。说明缓蚀剂组成合理，性能优异。特别是缓蚀剂浓度为75×10-6～125×10-6的范围内，缓蚀效果最佳，对A3钢的缓蚀率高达99.91%～100%，钢棒经1800h失重试验，表面仍然光亮如初，未见宏观腐蚀。说明缓蚀剂在钢铁表面所形成的保护膜十分完好。
2.2 XM—101与PC—602之比较
XM—101自来水介质缓蚀剂与PC—602水质稳定剂都是以抑制钢铁腐蚀为主，兼有一定阻垢功能的磷系缓蚀剂。两者组成相似，但由于使用物质不同，其性能具有显著差别(见表2)。实验表明：XM—101浓度为75×10-6时，对A3钢的缓蚀率高达100%，钢样表观极好。与PC—602相比，缓蚀率高出2%，达到满标，无以复加，而所用剂量仅为PC—602的1/4。由此可见，XM—101的综合性能远远优于PC—602。

2.3 XM—101自来水介质缓蚀剂的缓蚀机理
自来水中的钢铁表面存在着许许多多的微电池，微电池阳极上的铁受到腐蚀介质的作用而溶解，即FeFe2++2e，这个过程由于聚磷酸盐与Fe2+生成可溶性的螯合物而得到加速〔8〕，使钢铁—溶液介面处的Fe2+浓度增大，在自来水中溶解O2的协同作用下，Fe2+与磷酸二氢锌或醇胺磷酸酯中的磷酸根反应，生成不溶性的γ-Fe2O3、Fe3O4和FePO4。它们沉积在钢铁表面形成铁系磷化钝化膜，起阳极抑制作用。
由于溶液初始的pH值为6.5左右，偏酸性，在微电池的阴极发生氢放电，即2H++2eH2↑，这个反应消耗了氢离子，使钢铁溶液介面处的pH值上升，磷酸二氢锌发生水解反应〔9〕，即
3Zn(H2PO4)2Zn3(PO4)2↓+4H3PO4生成的不溶性Zn3(PO4)2沉积在钢铁表面的阴极反应处，与基体结合牢固，抑制阴极反应，这是正磷酸盐或非水解性锌盐(如ZnSO4)所不具备的。磷酸二氢锌能电离，磷酸根在溶解O2的协同作用下与Fe2+反应，生成不溶性的FePO4沉积膜，其作用同正磷酸盐；而Zn2+有可能以Zn(OH)2的形式形成阴极型沉淀膜，这种膜不牢固，但能增效，其作用同非水解性锌盐。由此可见，我们在缓蚀剂配方中引入磷酸二氢锌较之使用正磷酸盐或非水解性锌盐具有更多的优点。
醇胺磷酸酯分子中的醇胺基团具有杂化原子N和O，它可与覆盖在钢铁表面上的氢氧化亚铁膜中的亚铁离子或是钢铁基体上裸露的铁原子构成稳定的五元螯合物〔10〕，阻滞钢铁腐蚀电偶的阴、阳极共轭过程，增强对钢铁的保护作用。同时，由于醇胺磷酸酯支链多，当膜破损时，尚具一定的修复能力〔11〕。
聚磷酸盐既是缓蚀剂，又是阻垢剂。聚磷酸盐在水溶液中溶解O2的协同作用下，促进了钢铁表面生成γ-Fe2O3的钝化膜，表现出显著的阳极抑制作用。然而，它的缓蚀机理较为复杂，目前尚存在一些不太清楚的问题。例如，一部分研究者认为：聚磷酸盐可与水溶液中的Ca2+等二价金属离子构成不溶性的螯合物，它们沉积在钢铁表面上，起阴极抑制作用〔12〕。另一部分研究者认为上述的螯合物具有可溶性，因此它能将更多的Ca2+稳定在水中，起阻垢的作用〔12〕。作者认为后者的观点似较准确。
3 结论　XM—101自来水介质缓蚀剂是由聚磷酸盐、醇胺磷酸酯和磷酸二氢锌组成的。它对抑制钢铁在自来水中腐蚀特别有效，浓度为75×10-6时，缓蚀率达100%。这种缓蚀剂不仅高效，而且剂量小，成本低，原材料无毒，同时兼有一定的阻垢功能，可作水质稳定剂使用。