臭氧對中溫循環冷卻水系統的緩蝕性能研究
循環冷卻水系統中普遍存在結垢腐蝕現象，目前常用的解決方法是在系統中加入緩蝕阻垢藥劑，臭氧( O3 ) 對循環水冷卻系統同時具備阻垢、緩蝕、殺菌等多重功能。采用臭氧處理中溫循環冷卻水，研究在不同臭氧投加量時系統的腐蝕情況，確定投加量。結果表明: 當臭氧投加量為 4. 5 mg /L 時，20 碳鋼和鑄鐵的緩蝕能力。20 碳鋼腐蝕率為 0. 228 mm/a，比空白對照組降低了 75% ; 鑄鐵的腐蝕率為 0. 282 mm/a，比空白對照組降低了 61. 5% 。當臭氧投加量為 9. 0 mg /L 時，鍍鋅試片的腐蝕率在 0. 206 ～ 0. 275 mm/a，比空白對照組降低了 38. 2% 左右，緩蝕效果較為明顯。
引 言
循環冷卻水系統在運行一段時間后，水中 Ca2 + 、Mg2 + 等離子、可溶解性固體和懸浮物相應增加，使系統中的設備和管道發生腐蝕、結垢以及滋生細菌等微生物［1-2］。系統中腐蝕、結垢和微生物相互作用，污垢和微生物黏泥可以引起垢下腐蝕，而腐蝕產物又形成污垢，設備的生命周期縮短，存在安全隱患［3］。中溫水循環系統主要應用于城市集中供暖系統、鐵路客車的冬季熱泵式空調取暖系統和區域小型鍋爐供暖等。
目前，普遍采用的緩蝕方法是加入緩蝕藥劑。許多研究和生產實踐表明，在水中加入各種化學藥劑，可以達到一定的緩蝕阻垢效果［4-6］。但是，投加含有大量化學成分的緩蝕藥劑后，容易產生副作用和二次污染。而臭氧具有阻垢、緩蝕和殺菌等多項功能，可以達到較高濃縮倍數，甚至達到的標準，有效節約用水量［7-8］，是一種經濟環保的水處理藥劑。本文利用臭氧代替傳統的化學藥劑處理中溫循環冷卻水，研究臭氧在不同條件下的緩蝕效果。
1 實驗部分
1. 1 實驗流程
模擬中溫循環水系統運行模式，在熱交換器中的水經冷卻后，通過循環泵進入貯水箱，再通過泵循環至熱交換器，形成循環系統，如圖 1 所示。流量設計為 100 L / h，pH 為 6. 5，水溫為 60 ～ 80 ℃。為縮短實驗周期，在實驗中加入一定的氯化鈉。
1. 2 實驗方法
采用國家標準———水處理劑緩蝕性能測定掛片失重法，研究臭氧對循環冷卻水的緩蝕效果和機理。參考李梅等人的實驗研究方法［9］，系統運行穩定后，在循環水箱中懸掛 20 碳鋼、鑄鐵和鍍鋅Ⅰ型標準掛片，每組掛片設 3 個平行樣。通過改變循環冷卻水的臭氧投加量、pH 值和氯離子濃度，研究臭氧的緩蝕性能，實驗設計周期為 7 d。
2. 臭氧投加量對不同材質金屬緩蝕效果的影響
2. 1 20 碳鋼掛片的臭氧投加量
投加臭氧前后，20 碳鋼掛片的腐蝕情況影響如圖 2 和圖 3 所示。圖 2a 是在無臭氧投加情況下的腐蝕掛片情形，可以看出，95% 以上的表面積覆蓋著黑褐色的腐蝕銹，清洗后的掛片，表面上有腐蝕小坑，腐蝕較為明顯; 而投加臭氧的實驗中，掛片的表面上也有一層紅褐色和黑褐色的腐蝕產物覆蓋，占總面積的75% 左右，清洗后的掛片，有腐蝕痕跡，但較無臭氧時的腐蝕較輕。
臭氧投加量對 20 碳鋼掛片腐蝕率的影響如圖 4所示。實驗初始階段，在掛片的表面上形成了一層不穩定的腐蝕產物層，腐蝕率急劇下降。隨著實驗的進行，這部分腐蝕物的脫落、溶解和再生，使腐蝕率下降緩慢，直至趨于平緩。可以看出，投加臭氧后，20 碳鋼掛片的腐蝕率與空白實驗相比明顯降低。這說明實驗中由于臭氧與金屬表面分子發生氧化還原反應，生成金屬氧化物與碳酸鈣組成保護膜，這層保護膜對金屬的保護作用比由碳酸鈣組成的保護膜保護能力強，從而降低了腐蝕速率［11］。臭氧處理后，20 碳鋼掛片的腐蝕率可控制在 0. 228 ～ 0. 309 mm /a，時比空白組的腐蝕率降低了 75% ，防腐蝕效果明顯。
但不同投加量的臭氧對腐蝕效果的影響差別不大。
從經濟性方面考慮，且臭氧投加量為 4. 5 mg /L 時腐蝕率，因此選擇臭氧投加量為 4. 5 mg /L。
2. 2 鑄鐵掛片的臭氧投加量
投加臭氧前后，鑄鐵掛片的腐蝕情況如圖 5 和圖6 所示。由圖可以看出: 在無臭氧投加時，鑄鐵掛片的表面上有較厚的紅褐色腐蝕產物，最上面有一層淺綠色的覆著層; 而加入臭氧后的掛片上有幾處明顯的局部腐蝕產物聚集和一層綠色覆蓋。通過清洗后的掛片腐蝕情況對比可看出，無臭氧投加時的腐蝕較為嚴重。
鑄鐵掛片腐蝕率與投加臭氧量的關系如圖 7 所示。與空白組相比，投加臭氧后鑄鐵掛片腐蝕率明顯降低，腐蝕率呈緩慢下降至相對平緩趨勢。投加臭氧后，臭氧與金屬表面 Fe 原子發生氧化還原反應，在掛片的表面形成一層致密的穩定性強的氧化物鈍化膜，阻礙了氧腐蝕和垢下腐蝕的反應途徑。鑄鐵的腐蝕率可控制在0. 282 ～ 0. 694 mm /a，4. 5 mg /L 時腐蝕率為 0. 282 mm /a，比空白組降低了 61. 5% 左右。
加入高濃度臭氧，多余的臭氧分解產生氧氣與不同價態的 Fe 發生氧化反應，氧腐蝕較嚴重，因此確定臭氧投加量為 4. 5 mg /L。
2. 3 鍍鋅掛片的臭氧投加量
投加臭氧前后，鍍鋅掛片的腐蝕情況如圖 8 和圖9 所示。由圖可以看出: 在無臭氧投加時，鍍鋅掛片的表面上有黑色腐蝕物和白色結晶物附著; 加入臭氧后，其覆蓋程度明顯降低。清洗后，鍍鋅掛片均有不同程度的腐蝕痕跡，比較可知，投加臭氧的掛片腐蝕程度較輕，說明臭氧具有一定的緩蝕效果。
臭氧投加量對鍍鋅試片腐蝕率的影響如圖 10 所示。研究表明，環境因素改變，鍍鋅鋼銹層的變化和其耐蝕性能會受到一定影響［12］。與外界環境接觸，在鍍鋅鋼表面會形成一層腐蝕產物銹層，銹層下的腐蝕是持續時間最長、最主要的腐蝕形態。當無投加臭氧時鍍鋅層破壞后，腐蝕率逐漸提高。與空白實驗相比，投入臭氧的前期，臭氧對鍍鋅層破壞嚴重，腐蝕率偏高。鍍鋅層被破壞后，金屬鈍化，且在鍍鋅層表面產生輕微的鹽結晶現象，起到一定的緩蝕作用。臭氧投加量偏低和偏高時，氧化物膜和氧腐蝕的速率達不到穩定，臭氧分解產生的氧與金屬接觸，腐蝕加劇。
當臭氧投加量為 9. 0 mg /L 時，恰好 2 種作用達到相對穩定，腐蝕率控制在 0. 206 ～ 0. 275 mm/a。因此，臭氧投加量為 9. 0 mg /L 時，腐蝕率為 0. 206 mm/a，比空白組腐蝕率降低了 38. 2% ，防腐。
結 論
1) 當臭氧濃度為4. 5 mg /L 時，20 碳鋼和鑄鐵的腐蝕率，20 碳鋼腐蝕率為 0. 228 mm /a，比空白對照組實驗降低了 75% ; 鑄鐵的腐蝕率為0. 282 mm /a，比空白組降低了 61. 5% 。當臭氧濃度為 9. 0 mg /L 時，鍍鋅試片腐蝕率為 0. 206 mm /a，比空白組降低了 38. 2% 左右，緩蝕效果較為明顯。
2) 緩蝕能力的強弱與臭氧濃度、含鹽量和金屬材質有關。
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作者: 于玲紅( 1967 － ) ，女，教授，主要研究方向為水污染控制工程。ylh0730@ 163． com
