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    緩蝕阻垢劑的原理

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    點擊次數:236 更新時間:2022年03月21日08:45:02 打印此頁 關閉

      阻垢劑在水中有一定的有效期,隨著時間的推移,阻垢劑的一些成分會發生水解、分解或其它化學作用,降低阻垢劑的作用,因此隨著補充水,要加入阻垢劑,便是維護水中有效物濃度。 阻垢劑:凡能控制產生泥垢和水垢的藥劑稱之為阻垢劑。 阻垢機理:阻垢劑的官能團對水垢成分,陽離子具有螯合力,封鎖陽離子,抑制其與陰離子的反應而防止結垢,同時,阻垢劑對晶核和晶 體的活性點有特殊吸附能力,抑制其生長,故只需投加較低濃度就能顯示出效果。阻垢劑的這種化學計算當量作用,稱為低限效應。3 _; N4 F# _, d 無機垢的形成過程可分為下面3個步驟:     ● 形成過飽和溶液;. }# ^% \3 s) o2 V&amp; T     ● 生成晶核;     ● 晶核成長,形成晶體。&quot; Q/ y+ Q# i+ J: Q+ l     這3個步驟中有一個遭到破壞,結垢過程即被減緩或抑制。阻垢劑的作用就是有效阻止這些步驟中的一個或幾個,以達到阻垢目的。阻垢劑干擾晶體生長的機理有如下幾種說法:/ Z9 H: a3 f; M  X&#39; W4 A     1.螯合增溶作用+ x: e+ C; k2 v$ J     螯合增溶作用是指阻垢劑與水中Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ba2+等高價金屬離子絡合成穩定的水溶性螯合物,使水中游離態鈣、鎂離子的濃度相應降低,這樣就好像使CaCO3等物質的溶解度增大了,本來會析出溶液的CaCO3等物質實際上沒有形成沉淀。     所謂閾限效應阻垢是指只需向溶液中加入少量的阻垢劑,就能穩定溶液中大量的結垢離子,它們之間不存在嚴格的化學計量關系,當阻垢劑的量增至過大時,其穩定阻垢作用并無明顯改進。          2.晶格畸變作用     晶體正常形成的過程是微粒子(離子、原子或分子)根據特定的晶格方式進行十分有規則的排列,從而形成外形規則、熔點固定、致密堅固的物質結構。所謂晶格畸變是指在晶體生長的過程中,常常會由于晶體外界的一些原因,而使得晶體存在空位、錯位等缺陷或形成鑲嵌構造等畸變,其結果使同一晶體的各個晶面發育不等。晶體中這種局部組分的差異會導致晶體內部的應力,晶體本身與鑲嵌物質膨脹系數的不同也會導致應力。這些應力使晶體不穩定。當環境發生某些變化時,大晶體便會碎裂成小晶體。     阻垢劑分子由于吸附在位于晶體活性生長點的晶格點陣上,使晶體不能按照晶格排列正常生長,使晶體發生畸變,使晶體的內部應力增大導致晶體破裂,從而防止微晶沉積成垢,達到阻垢目的。 3.吸附與分散作用     阻垢分散劑屬于陰離子有機化合物,可因物理化學吸附作用而吸附于膠體顆粒及微晶粒子上,在顆粒表


                

                    

                         面形成新的雙電層,改變顆粒表面原來的電荷狀況。于是,因同性電荷相排斥而使它們穩定地分散在水體中。  

    緩蝕劑分為陽極型緩蝕劑,陰極型緩蝕劑和混合型緩蝕劑[1]。    ① ① ① ① 陽極型緩蝕劑陽極型緩蝕劑陽極型緩蝕劑陽極型緩蝕劑    陽極型緩蝕劑多為無機強氧化劑,如鉻酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽、釩酸鹽、亞硝酸鹽、硼酸鹽等。它們的作用是在金屬表面陽極區與金屬離子作用,生成氧化物或氫氧化物氧化膜覆蓋在陽極上形成保護膜。這樣就抑制了金屬向水中溶解。陽極反應被控制,陽極被鈍化。硅酸鹽也可歸到此類,它也是通過抑制腐蝕反應的陽極過程來達到緩蝕目的的。    陽極型緩蝕劑要求有較高的濃度,以使全部陽極都被鈍化,一旦劑量不足,將在未被鈍化的部位造成點蝕。    ②②②②陰極型緩蝕劑陰極型緩蝕劑陰極型緩蝕劑陰極型緩蝕劑    抑制電化學陰極反應的化學藥劑,稱為陰極型緩蝕劑。    鋅的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物,鈣的碳酸鹽和磷酸鹽為陰極型緩蝕劑。陰極型緩蝕劑能與水中、與金屬表面的陰極區反應,其反應產物在陰極沉積成膜,隨著膜的增厚,陰極釋放電子的反應被阻擋。在實際應用中,由于鈣離子、碳酸根離子和氫氧根離子在水中是天然存在的,所以只需向水中加入可溶性鋅鹽或可溶性磷酸鹽。    ③③③③混合型緩蝕劑混合型緩蝕劑混合型緩蝕劑混合型緩蝕劑    某些含氮、含硫或羥基的、具有表面活性的有機緩蝕劑,其分子中有兩種性質相反的極性基團,能吸附在清潔的金屬表面形成單分子膜,它們既能在陽極成膜,也能在陰極成膜。阻止水與水中溶解氧向金屬表面的擴散,起了緩蝕作用,巰基苯并噻唑、苯并三唑、十六烷胺等屬于此類緩蝕劑。  根據生成保護膜的類型根據生成保護膜的類型根據生成保護膜的類型根據生成保護膜的類型      除了中和性能的水處理劑,大部分水處理用的緩蝕劑的緩蝕機理是在與水接觸的金屬表面形成一層將金屬和水隔離的金屬保護膜,以達到緩蝕目的。根據緩蝕劑形成的保護膜的類型,緩蝕劑可分為氧化膜型、沉積膜型和吸附膜型緩蝕劑。    ①①①①氧化膜型緩蝕劑氧化膜型緩蝕劑氧化膜型緩蝕劑氧化膜型緩蝕劑    鉻酸鹽、亞硝酸鹽、鉬酸鹽、鎢酸鹽、釩酸鹽、正磷酸鹽、硼酸鹽等均被看作氧化膜型緩蝕劑。鉻酸鹽和亞硝酸鹽都是強氧化劑,無需水中溶解氧的幫助即能與金屬反應,在金屬表面陽極區形成一層致密的氧化膜。其余的幾種,或因本身氧化能力弱,或因本身并非氧化劑,都需要氧的幫助才能在金屬表面形成氧化膜。由于這些氧化膜型緩蝕劑是


                

                    

                         通過阻抑腐蝕反應的陽極過程來達到緩蝕的,這些陽極緩蝕劑能在陽極與金屬離子作用形成氧化物或氯氧化物。沉積覆蓋在陽極上形成保護膜,以鉻酸鹽為例,它在陽極反應形成Cr(OH)3和Fe(OH)3,脫水后成為CrO3和Fe2O3的混合物(主要是γ-Fe2O3)在陽極構成保護膜。因此有時又被稱作陽極型緩蝕

    劑或危險型緩蝕劑,因為它們一旦劑量不足(單獨緩蝕時,處理1L水,所需劑量往往高達幾百、甚至過千毫克)就會造成點蝕,使本來不太嚴重的腐蝕問題,反而變得更加嚴重。氯離子、高溫及高的水流速都會破壞氧化膜,故在應用時,要根據工藝條件,適當改變緩蝕劑的濃度。硅酸鹽也可粗略地歸到這一類里來,因為它主要也是通過阻抑腐蝕反應的陽極過程來達到緩蝕的。但是,它不是通過與金屬鐵本身、而可能是由二氧化硅與鐵的腐蝕產物相互作用,以吸附機制來成膜的。    ②②②②沉淀膜型緩蝕劑沉淀膜型緩蝕劑沉淀膜型緩蝕劑沉淀膜型緩蝕劑    鋅的碳酸鹽、磷酸鹽和氫氧化物,鈣的碳酸鹽和磷酸鹽是最常見的沉淀膜型緩蝕劑。由于它們系由鋅、鈣陽離子與碳酸根、磷酸根和氫氧根陰離子在水中、于金屬表面的陰極區反應而沉積成膜,所以又被稱作陰極型緩蝕劑。陰極緩蝕劑能與水中有關離子反應,反應產物在陰極沉積成膜;以鋅鹽為例,它在陰極部位產生Zn(OH)2沉淀,起保護膜的作用。鋅鹽與其他緩蝕劑復合使用可起增效作用,在有正磷酸鹽存在時,則有Zn3(PO4)2或(Zn,Fe)3(PO4)2沉淀出來并緊緊粘附于金屬表面,緩蝕效果更好。在實際應用中,由于鈣離子、碳酸根和氫氧根在水中是天然地存在的,一般只需向水中加入可溶性鋅鹽(例如:硝酸鋅、硫酸鋅或氯化鋅,提供鋅離子)或可溶性磷酸鹽(例如:正磷酸鈉或可水解為正磷酸鈉的聚合磷酸鈉,提供磷酸根),因此,通常就把這些可溶性鋅鹽和可溶性磷酸鹽叫作沉積膜型緩蝕劑或陰極型緩蝕劑。這樣,可溶性磷酸鹽(包括聚合磷酸鹽)就既是氧化膜型緩蝕劑,又是沉積膜型緩蝕劑。另外,一些含磷的有機化合物,如有機磷酸(鹽)、有機磷酸酯和有機磷羧酸,也可歸到這類緩蝕劑中,大約與其最終能水解為正磷酸鹽不無關系。由于沉淀型緩蝕膜沒有和金屬表面直接結合,而且是多孔的,往往出現在金屬表面附著不好的現象,緩蝕效果不如氧化型膜。    ③③③③吸附膜型緩蝕劑吸附膜型緩蝕劑吸附膜型緩蝕劑吸附膜型緩蝕劑    吸附膜型緩蝕劑多為有機緩蝕劑,它們具有極性基因,可被金屬的表面電荷吸附,在整個陽極和陰極區域形成一層單分子膜,從而阻止或減緩相應電化學的反應。如某些


                

                    

                         含氮、含硫或含羥基的、具有表面活性的有機化合物,其分子中有兩種性質相反的基團;親水基和親油基。這些化合物的分子以親水基(例如,氨基)吸附于金屬表面上,形成一層致密的憎水膜,保護金屬表面不受水腐蝕。牛脂胺、十六烷胺和十八烷胺等這些被稱作“膜胺”的胺類,就是水處理中常見的吸附膜型緩蝕劑。巰基苯并噻唑、苯并三唑和甲基苯并三唑這些唑類,是有色金屬(尤其是銅)的理想緩蝕劑。它們雖然與銅金屬本身作用成膜,但與上述典型的氧化膜型緩蝕劑不同,不是通過氧化,而是通過與金屬表面的銅離子形成絡合物,以化學吸附成膜的。當金屬表面為清潔或活性狀態時,此類緩蝕劑能形成緩蝕效果令人滿意的吸附膜。但如果金屬表面有腐蝕產物或有垢沉積的情況下,就

    很難形成效果良好的緩蝕膜,此時可適當加入少量表面活性劑,以幫助此類緩蝕劑成膜。    由于緩蝕劑的緩蝕機理在于成膜,故迅速在金屬表面上形成一層密而實的膜,乃獲得緩蝕成功之關鍵。為了迅速,水中緩蝕劑的濃度應該足夠高,等膜形成后,再降至只對膜的破損起修補作用的濃度;為了密實,金屬表面應十分清潔,為此,成膜前對金屬表面進行化學清洗除油、除污和除垢,是必不可少的步驟。    上述各類緩蝕劑,除中和胺與膜胺主要用于鍋爐凝水處理、硅酸鹽用于飲用水處理外,其他各類則常用于冷卻水處理。若單就對碳鋼的緩蝕效果而言,鉻酸鹽,尤其是配合以聚磷酸鹽和鋅鹽的鉻酸鹽,至今仍然是循環冷卻水處理緩蝕劑中最為理想者。美國在相當程度上仍在應用著它。應用時,一般將水的pH值控制為微酸性,以阻抑致垢鹽結垢。但鉻酸鹽(六價的)有毒,雖然它對循環冷卻水中的菌、藻等有害微生物有殺滅作用,但對環境造成污染。因此,在世界范圍內已逐漸為(聚)磷酸鹽所取代。這標志著循環冷卻水堿性處理時代的開始。這一概念就是對水的pH值不再著意控制,而是聽其自然。水中致垢鹽的結垢問題則依靠有機磷酸(鹽)和聚丙烯酸(鹽)等這些高效阻垢劑、分散劑來解決。但是,磷酸鹽是水中微生物的營養源,它的排放會造成水體富營養化,結果,從另一方面對環境造成污染。于是,在不允許使用鉻酸鹽和(聚)磷酸鹽的地方,其他幾類緩蝕劑得到了應用機會。但是,鉬酸鹽等應用成本高;亞硝酸鹽不宜作敞開式循環冷卻水系統的緩蝕劑,除非有特效殺生劑有效在控制住能使它分解失效的微生物;硅酸鹽緩蝕效果差(由于成膜時間長,有時,在金屬表面形成一層較完整的膜,需2~3個星期),而且,一旦有垢產生,就很


                

                    

                         難去掉;鋅鹽中的鋅與鉻一樣,也是重金屬,也對水體中的生物造成威脅。因此,人們對含磷量較少的有機緩蝕劑的開發和應用,表現出濃厚的興趣,進而導致了“全有機配方”水處理劑的上市。不過,迄今為止,在緩蝕劑的開發和應用上,還沒有出現像過去由使用聚磷酸鹽轉為使用鉻酸鹽,或由使用鉻酸鹽復轉為使用聚磷酸鹽那樣的突破性的進展。用“全有機配方”緩蝕劑,水的腐蝕條件不能太苛刻,否則,必須以無機緩蝕劑予以補救。 

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