天然型缓蚀阻垢剂的制备及其协同性能研究

发布时间：2020-07-29 11:10

【摘要】：在化工领域,许多反应需要有冷却水循环系统来保证正常的反应温度和化工生产的正常进行。冷却水循环系统以热交换器为基础设备,一般材质为碳钢、铜等金属材料,在长时间的运行过程中,往往会出现结垢和金属管道腐蚀等问题。工业上,为了防止和减缓上述问题的发生,通常采用加入阻垢、缓蚀剂的方法来解决,多数的阻垢、缓蚀剂有很好的阻垢和缓蚀效果,但后期会产生二次污染。近年来,随着环保意识的增强,开发环境友好型阻垢、缓蚀剂成为一种必然趋势。植物中含有大量的有机化合物,可以作为潜在的阻垢、缓蚀剂。作为天然产物,它们来源广、无毒、可生物降解,提取成本低,具有较大的应用前景。本文从多种植物(如甘薯、山药、胡萝卜茎叶、白萝卜茎叶等)中提取有效成分,采用静态阻垢法评价其阻垢性能,并采用旋转挂片法、失重法和电化学法,辅以扫描电镜(SEM)、吸附热力学和理论计算等手段考察其缓蚀性能及其协同效应,最后通过中试动态模拟试验探讨了其在工业应用中的可行性。主要研究内容及结果如下:(1)以水和乙醇等作为萃取剂,采用浸提、超声、索氏提取等方法对甘薯生产淀粉的废水、山药、胡萝卜茎叶及白萝卜茎叶进行提取,分别得到甘薯生产淀粉废水提取物(IBWE)、山药水提取物(DOWE)和乙醇提取物(DOWE)、胡萝卜茎叶水提取物(DSLWE)和乙醇提取物(DSLEE)、白萝卜茎叶水提取物(RSLWE)和乙醇提取物(RSLEE),然后探讨了其阻垢和缓蚀性能及协同效应。(2)采用静态阻垢法对提取物的阻垢性能进行了评价。测试分析表明几种提取物均具有良好的阻垢性能。其中,DOWE的浓度为0.18 g/L时对CaSO_4的阻垢效率达到100%。DSLWE的浓度为0.12 g/L时阻CaSO_4垢效率达到100%。RSLWE的浓度为0.40g/L时对CaCO_3和CaSO_4的阻垢效率均能达到100%,RSLEE的浓度为0.40 g/L对CaCO_3和CaSO_4的阻垢效率均能达到95%以上。利用SEM和XRD研究了提取物对垢形貌和结晶性的影响,加入提取物后垢的晶格发生畸变,变得细小而有利于分散。(3)采用旋转挂片法、失重法和电化学法考察了提取物在不同温度下的缓蚀性能。结果表明,45℃下RSLWE的浓度为1.50 g/L时,在盐溶液中的缓蚀效率达到82.62%。25℃下DOWE的浓度为0.40 g/L时,在硫酸中的缓蚀效率达到92.19%。RSLEE的浓度为1.0 g/L时,在盐酸中的缓蚀效率达到96.28%。在35℃下DSLWE的浓度为1.0 g/L时,在硫酸中的缓蚀效率达到达到95.19%。电化学结果表明提取物是以抑制阴极为主的混合型缓蚀剂。根据热力学参数可知提取物是以物理和化学两种方式吸附在碳钢的表面形成保护膜,减缓碳钢的腐蚀。理论计算了提取物中的有机成分对抑制作用贡献的大小。(4)采用正交试验的方法,讨论了优化后的白萝卜茎叶提取物与聚天冬氨酸/4-甲氨基吡啶(PASP/4-AMPY)、聚环氧琥珀酸(PESA)和硫酸锌(ZnSO_4)(Comp-1)在盐溶液中的协同性能。结果表明在Comp-1的最佳浓度配比为:40mg/L:40mg/L:15 mg/L:4mg/L,其缓蚀效率可达到95.21%。未加提取物的对比实验(Comp-2)的缓蚀效率只有77%。在85℃下Comp-1的缓蚀效率仍可达到90%,而Comp-2只有60%。分析结果表明提取物与其他三种物质间的协同增效作用非常明显,同时其耐高温性也得到提高。(5)利用WKMZ-Ⅱ型装置对复合型缓蚀阻垢剂进行动态模拟实验。在控制3倍的浓缩倍率下,周期15天时,Comp-1和Comp-2的年腐蚀速率别为0.041 mm/a和0.096mm/a,污垢热阻为0.966×10~(-4) m~(2.)K/W和2.356×10~(-4) m~(2.)K/W。Comp-1的年腐蚀速率和污垢热阻均能达到国家标准(0.075 mm/a,3.44×10~-44 m~(2.)K/W)。(6)采用好氧生物降解法评价了Comp-1和Comp-2的生物降解性。实验结果表明Comp-1和Comp-2具有优秀的生物降解性能,其降解率分别为83%和81%。
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ085.4;TQ421
【图文】：

循环冷却水系统,换热管

碳钢材料具有良好的机械性能，被广泛地应用到各种化工设备中[1-2]，例炉、反应釜、热交换器、冷却水循环设备等。然而，一方面碳钢作为原材料在使用中不可避免的与空气、水及化学品接触，容易被氧化、腐蚀等，造成碳钢的损耗、的损坏，甚至引起安全事故，影响工业的正常生产，从而造成巨大的经济损失[3-4]。方面，在工业冷却水循环系统中，往往使用自来水或地下水作为冷却水。尽管不同的水质不同，但通常含有 Ca2+,HCO33-,Mg2+,SO42-和 PO43-等几种离子，在冷却水的过程中，水温、pH 值等因素的变化，使阴、阳离子间发生化学反应，结合生成碳酸硫酸钙、磷酸钙、碳酸镁等沉淀[5-7]。这些沉淀物会堆积在管道、热交换器等设备的面形成积垢（图 1-1），造成管道设备堵塞、热交换器传热效率降低、能耗和排污增加，严重时甚至引发危险。同时，长时间的循环，水中还会滋生菌藻类微生物，粘泥，同样会造成上述后果。这些垢和粘泥的存在，反过来会加重管道和设备材料蚀。综上所述，结垢和腐蚀问题严重影响正常的工业生产，并容易造成安全事故[8-因此，管道和设备需要定期的检修、清除污垢及维护，造成生产成本大大提高。

阻垢机理,阻垢剂

增溶作用机理子与水溶液中成垢的金属阳离子发生螯合作用，形成可溶性的离子接触的机会，增加离子在水中的溶解度，降低垢生成的趋自解脱膜假说子与无机晶粒形成共沉淀膜附着在金属换热器表面上，膜的量裂，此时垢晶粒会随着膜一起被水带走。在这个沉积和脱落之间堆积在金属换热器表面。层作用机理理主要是针对有机膦酸类阻垢剂。晶格表面的静电引力使得阻，形成扩散双电层，从而出现电势差，阻止成垢离子在金属换成的几率。

缓蚀机理,缓蚀剂,缓蚀

者们较为广泛的认可[45]，即以适当的浓度和形式防止或减缓材料腐蚀的化学物质或几化学物质的复合物被称作缓蚀剂。目前缓蚀剂的种类非常多，但是其应用的条件各不同，缓蚀机理也千差万别。迄今为止，缓蚀剂并没有一个非常完善的分类方法。为了论研究和使用起来更加方便快捷，科研工作者从多方面进行了分类。根据化学组成分有机和无机缓蚀剂；根据作用的理化状态又有挥发性和非挥发性两种；以电化学原理分为混合型、阳极和阴极型；按形成保护膜类型可分为沉淀膜型、氧化模型和吸附模缓蚀剂；按照应用于不同的材质又可分为铜缓蚀剂、锌缓蚀剂、铝缓蚀剂等[46-52]。1.2.4 缓蚀机理缓蚀剂的机制比较复杂，主要有两类：物理化学机制和电化学机制。物理化学机是缓蚀剂分子在金属表面发生物理和化学反应，而电化学机制是发生电化学反应。实上腐蚀和缓蚀都是一个复杂多变的过程，并不能完全用某种单一的理论机制来解释[5

【参考文献】