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環保知識

循環冷卻水處理中臭氧的緩蝕機理探討

發布時間:2020年01月10日 11:13 作者:銥鈳環保 點擊數:

來源:銥鈳環保


摘要:介紹了系統的腐蝕原因及傳統的控制腐蝕措施,結合國內外臭氧處理循環冷卻水的應用和研究,探討了,并分析了臭氧的緩蝕效果,為該技術的推廣應用提供理論依據。

1 引言

我國水資源短缺,已被列為世界上貧水的國家之一,特別是北方、西部廣大地區缺水特別嚴重。然而我國量卻浪費驚人,主要是工業用水重復利用率只有20%~30%。節約用水已成為我國當務之急。循環水是工業用水中的用水大項,石油化工、電力、冶金等行業,循環水的用量占企業用水總量的50%~90%。

隨著循環冷卻水在系統中的循環使用,其中Ca2+Mg2+Cl-SO42-、溶解固體和懸浮物等相應增加,空氣中灰塵、雜物、可溶性氣體、包括軍團菌在內的一些細菌等污染物均可進入循環冷卻水,使循環冷卻水系統中的設備和管道腐蝕、結垢、微生物滋生,造成換熱器傳熱效率降低,過水斷面減少,甚至使設備管道腐蝕穿孔。

2 循環冷卻水系統常見的腐蝕

常見循環水系統的腐蝕有:溶解氧腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕等。

溶解氧腐蝕時,金屬鐵與水發生反應,陰極的氧氣在鐵氧電池的電化學反應中起陰極去極化效應。使得二價的鐵離子向三價的鐵離子轉換,生成氫氧化鐵。這是一種沉淀物質,它能夠減少陽極的二價的鐵離子含量,加劇腐蝕程度。

氧腐蝕主要進行的氧化還原反應方程式如下所示:

Fe → Fe2++ 2e

O2+ 2H2O + 4e → 4OH-

其中,在水中受溶解氧腐蝕后,Fe發生反應生成的 Fe2+,由于Fe2+的不穩定性,會繼續發生下列變化:

Fe2++ 2OH-→ Fe(OH)2

Fe(OH)2+ 2H2O + O2→ 4Fe(OH)3

Fe(OH)2+ 2Fe(OH)3→ Fe3O4+ 4H2O

從上述反應中可以看出,氫氧化二鐵是不穩定的,反應繼續進行下去,最終產物主要是氫氧化鐵和四氧化三鐵。

在循環水系統中,發生上述反應時高價鐵作為陰極,受熱面按 Fe→Fe2+→Fe3+的過程反復進行氧化還原反應,逐漸使系統設備遭到損壞。此時系統中鐵的含量增高,腐蝕物的生成會加速水中沉淀的生成。

隨著溶解氧腐蝕程度的加深,腐蝕物質在設備的表層生成許多凸起。這些凸起的半徑約在 0.5~13 mm,隨著進一步的腐蝕加深,這些凸起逐漸形成小坑發生點蝕。點蝕的發生是由于金屬表面上的凸起或雜質形成由小陽極大陰極組成的腐蝕電池,當陽極面積越小時,腐蝕程度就越深。點蝕發生后會向表面下生長,可能導致穿孔發生。

縫隙腐蝕往往會發生在設備上的滯留縫隙部位。縫隙腐蝕在循環水中較為常見,如換熱管的管板和管子的接壤處,這些縫隙寬度一般在0.025 mm以下,其寬度可以使水通過,但一些金屬離子和部分溶液又難以進出。當殼程中水流的速度較低,縫隙腐蝕就容易發生,在設備的轉彎處,水的流動速度接近于零時,伴隨縫隙腐蝕的同時,局部還會發生較為厲害的污垢沉積,這種腐蝕多屬于垢下腐蝕,危害較嚴重。

3 防腐措施

從20世紀30年代開始,國外開始通過添加緩蝕劑來達到緩蝕的目的。我國在此領域起步相對較晚,從70年代才開始投入這方面的研究。緩蝕劑的種類已經由最初的鉻系發展到如今的鉬系、無機和全有機的磷系。

緩蝕劑是一種用于腐蝕介質中抑制金屬腐蝕的添加劑,可以防止或減緩腐蝕的化學物質或幾種化學物質的混合物,用在金屬表面起防護作用,同時還能保持金屬材料原來的物理、力學性能不變。投入緩蝕劑不能夠徹底消除金屬的腐蝕,但是可能將腐蝕速度控制在允許的范圍內。

采用投加緩蝕劑于循環水用以抑制循環水系統設備腐蝕的措施應用十分廣泛。緩蝕劑的投加量在幾毫克到幾十毫克每升不等,經濟實用。采用的循環水緩蝕劑,種類繁多,根據其機理不同,說法不一。從電化學腐蝕角度來看,一般認為它是在金屬表面發生極化作用,減小了它的腐蝕電流,起到緩蝕作用,即遏制了陽極或者是遏制了陰極的化學反應過程,以此來降低了金屬的腐蝕率。根據成膜理論,一般認為它在金屬表面上生產了一層比較難溶解的膜,從而抑制了水中氧的擴散和金屬的溶解,以此來達到減小金屬的腐蝕率的目的。

常見的緩蝕劑的類型,按照其各異的化學成分,能劃分成有機緩蝕劑、無機緩蝕劑與聚合物類緩蝕劑三類,具體的分類如下表1所示。

圖片1.png 

緩蝕劑的應用在一定程度上減少了腐蝕的發生,而許多生產實踐和研究表明,加入各種緩蝕藥劑后,在水中藥劑會發生復配,有時還會彼此產生副作用,進而降低其處理效果;并且投加大量的化學藥劑容易產生二次污染。面對日益嚴重的環境問題,人們對環保的要求也就越來越嚴格,污染物的排放標準也越來越高。國家開始制定并實施控制污染物排放總量的政策。因此研究推出新型高效及沒有毒性的水處理方法已經是迫在眉睫。

在冷卻水處理劑的研究和開發過程中,臭氧處理受到了廣泛關注。

1970年美國學者 Odgen應用臭氧處理循環冷卻水,證明使用臭氧法具備其獨特的優勢。臭氧不僅在預處理領域,而且還在深度處理技術中被很大范圍使用推廣 。第五十一屆國際水會議上,Pryor.A 首次做了《臭氧冷卻水處理的特點與經濟性》的報告,介紹了全美水處理公司利用該技術處理130多座冷卻塔的處理效果,并得出的結論:臭氧作單一的水處理藥劑該技術能夠能夠取代傳統處理方法的新型處理技術,同時它還可以進行阻垢緩蝕和殺菌滅藻[12]。

1991年,美國首先把其實施在循環水的處理技術上。臭氧處理法是一種能夠成為取代傳統化學法的新型處理技術,不存在任何環境污染問題。

4 臭氧防腐蝕機理的探討

腐蝕是金屬受到周圍環境中某些氧化劑的作用而發生的一種氧化現象。金屬被氧化的地方稱之為陽極, 氧化劑受到還原就成為陰極,當腐蝕現象發生時, 電子流經兩極的金屬之間,即產生腐蝕電流。

循環水系統中的腐蝕主要以局部腐蝕為主。以垢下腐蝕為例,由于金屬表面的污垢沉積,其下方有許多水能進入但不能流動的縫隙,在縫隙外水連續流動,使得水中溶解氧較多;而縫隙中所存水的流動性差,則溶解氧較少,從而形成氧的濃差極化電池,導致大面積的垢下腐蝕。另外,縫隙內陽極溶解下來的帶正電荷的金屬離子不斷增加即金屬鹽溶液的濃度增加,使縫隙內金屬總是處于活化狀態,易于腐蝕。

臭氧是一種強氧化劑,其作為緩蝕劑時可在金屬表面形成一層致密氧化膜,將金屬轉變為鈍化狀態,緩解腐蝕。另外,在金屬腐蝕發生過程中的氧化還原反應,由于水中氧的濃度較低,氧分子只有在對流和擴散作用下才能向陰極表面移動,所以陰極反應以濃差極化為主。在采用臭氧處理的循環水中,由于臭氧易分解,水中的溶解氧濃度逐漸增大,氧分子向金屬表面的擴散過程較順利,使得氧向金屬表面輸送的速率與氧在金屬表面的還原速率相差不是很大,從而使得依靠濃差極化作用產生的腐蝕作用大大降低。

賴萬東等人研究表明,臭氧抑制腐蝕的機理與鉻酸鹽緩蝕劑的作用大致相似,主要原因是由于臭氧在冷卻水中分解生成活潑的氧原子(O)與亞鐵離子反應后, 在負極表面上形成一層含γ-Fe2O3的氧化物鈍化膜。這種膜薄、致密且與金屬結合牢固,它能阻礙水中的溶解氧擴散到金屬表面,從而抑制腐蝕反應的進行。同時,由于這種氧化膜的產生,使金屬的腐蝕電位向正方向移動,迅速降低了腐蝕速率。

成膜過程的反應如下:

負極:

H2O + 3O2-+ 2Fe - 4e→γ-Fe2O3+ 2OH-

正極:

1/2O2+ H2O + 2e→ 2OH-

該研究為證實γ-Fe2O3氧化膜的存在,對金屬掛片表面的刮下物質進行X-射線衍射分析。結果表明,未經處理循環水系統中, 金屬掛片的表面物質除CaCO3外,主要成分為Fe2O3·3H2O。這是種常見的片狀鐵銹,對金屬無任何保護作用。而經臭氧氧化處理后的循環水系統中,金屬掛片的表面主要成分是γ-Fe2O3,這種棕色的氧化物,具有磁性和良好的保護作用。

經臭氧處理的循環冷卻水系統的pH維持在8~9之間,弱堿性的環境有效減輕腐蝕發生。

臭氧具有優異的殺生作用,有效殺滅引起垢下蝕的硫化菌、嗜鐵菌等微生物,防止點蝕。

5 臭氧對不同材質的緩蝕效果

Alan E.Pryor 等人于1991年在循環水系統中采用1010碳鋼和110銅兩種材質的掛片,進行多處布點測試腐蝕率,結果表明在臭氧處理進行到80天左右時,碳鋼的腐蝕率0.0508~0.102 mm/a,銅的腐蝕率0.00508~0.0102 mm/a。同時,該研究表明采用臭氧處理循環水,可降低循環水中的有機物,控制有機物的含量有利于控制腐蝕率且能將腐蝕率維持在一個較低水平。

R.J.Strittmatter等人在1992做了臭氧對碳鋼的腐蝕研究,結果表明16.5 h的接觸時間,0.1 ppm的臭氧對低碳鋼腐蝕率較低,為0.022 mm/a。且臭氧濃度在0.1 ppm時隨著反應時間的延長,腐蝕率降低,其腐蝕率數據優于循環冷卻水系統的實際運行控制值。

2016年河南某電廠開展臭氧處理循環冷卻水的動態模擬試驗,濃縮倍數為6,在動態試驗裝置內進行了腐蝕率測定。采用了20#碳鋼和304不銹鋼兩種材質的掛片,在熱交換器前后均懸掛了兩種掛片,在一個試驗周期結束后,腐蝕率數據如下:

圖片2.png 

該數據表明采用臭氧處理循環冷卻水時,其腐蝕率遠低于國標要求,說明臭氧具有良好的緩蝕效果。

6 結語

臭氧技術處理循環冷卻水具有良好的緩蝕效果,主要原因如下:

(1)臭氧能在金屬表面形成一層γ-Fe2O3氧化膜,增加了金屬的抗腐蝕性能,降低了腐蝕速度。

(2)采用臭氧處理時,循環水的pH值維持在8~9之間, 呈弱堿性環境,減輕了腐蝕作用。

(3)臭氧有效殺滅引起垢下蝕的微生物,防止點蝕。


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