碳钢在海水淡化一级反渗透产水中腐蚀机理及防腐方法研究

论文摘要

反渗透（RO）作为海水淡化的重要技术手段,已广泛应用于我过滨海电厂等高耗水大型企业。然而,海水淡化一级RO产水对碳钢具有强腐蚀性,严重危害着用水单位配水管网的安全运行。因此,研究碳钢在该介质中的腐蚀机理,寻求经济、高效、环保的缓蚀方法,解决实际腐蚀问题,具有重要研究价值。本文针对海水及一级RO产水对碳钢的腐蚀差异,采用失重法及表面分析技术,研究了碳钢腐蚀与锈层特性的关系；利用电化学方法,研究了一级RO产水中碳钢锈层的电化学性能,进而揭示了碳钢在一级RO产水中的腐蚀机理,并建立了腐蚀模型；根据腐蚀机理,提出了防腐策略,研究了一种经济、高效、环保的缓蚀剂配方,并表征了其缓蚀机理；以浙能乐清电厂为例,对缓蚀方法进行了工程应用评估,提出了可供电厂直接采用的完善防腐方案。此外,本文还对相关研究推论进行了验证,使得研究成果具有了更广泛适用性。本文主要研究结论如下：（1）揭示了碳钢在海水淡化一级RO产水中的腐蚀机理。一级RO产水呈弱酸性,有利于初始腐蚀产物γ-FeOOH的还原,导致Fe3O4在外锈层/金属之间快速生成；碳钢表面将形成薄外层（γ-FeOOH层）及厚内层（Fe3O4层）的双层锈层。外锈层因γ-FeOOH还原可促进阴极反应；内锈层起大阴极作用,氧可直接在其表面还原。因此,一级RO产水中碳钢腐蚀过程将会被大幅加速,其腐蚀速率最终由溶液至内锈层之间的氧极限扩散速率所决定,可持续稳定在高位。（2）论证了本文提出的碳钢腐蚀机理的适用性。碳钢在不同浓度稀NaCl模拟液中具有与一级RO产水中类似的腐蚀行为,证明该腐蚀模型可适用于不同含盐量的一级RO产水。γ-FeOOH还原性能直接与溶液pH相关,溶液pH值又与碱度有密切联系。同时,3%NaCl溶液中碳钢腐蚀行为研究表明,锈层也能促进腐蚀,低碱度溶液含盐量对锈层性能无根本性改变。故在因碱度低、易溶入C02而呈弱酸性的溶液中,碳钢锈层均可能由于γ-FeOOH还原而起腐蚀促进作用。该结论能够用于指导海水蒸馏法产水等介质中碳钢的防腐工作。（3）研制了一种具有显著缓蚀效率及良好经济性的绿色复配缓蚀剂,并解释了其缓蚀机理。该复配缓蚀剂由六偏磷酸钠及硫酸锌以质量比1：1组成,对无锈碳钢的加药量为6mg/L,缓蚀率在95%以上,水处理费仅为0.034元/吨。对表面有锈层碳钢的较优加药量为12mg/L,缓蚀率约为70%。该复配缓蚀剂能够在锈层表面成膜,使其变得致密,通过阻碍氧扩散等过程而抑制锈层下碳钢的腐蚀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状及进展
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 研究内容及预期目标
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 预期目标
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验材料及试样
• 2.1.1 试验介质
• 2.1.2 失重实验试样
• 2.1.3 电化学实验试样
• 2.1.4 碳钢表面锈样
• 2.2 失重法
• 2.3 锈层形貌及成分分析方法
• 2.3.1 扫描电镜-能谱分析
• 2.3.2 红外光谱分析
• 2.3.3 X射线衍射分析
• 2.3.4 Raman光谱分析
• 2.4 碳钢腐蚀电化学测试方法
• 2.4.1 自腐蚀电位测试
• 2.4.2 交流阻抗测试
• 2.4.3 线性极化测试
• 2.4.4 强极化测试
• 2.4.5 电化学噪声测试
• 第三章 碳钢在海水淡化一级RO产水中腐蚀机理研究
• 3.1 引言
• 3.2 配水管网加NaOH防腐法可行性分析
• 3.3 海水与一级RO产水对碳钢腐蚀性比较
• 3.3.1 两种介质中碳钢腐蚀特性
• 3.3.2 两种介质对碳钢侵蚀性比较
• 3.3.3 小结
• 3.4 海水与一级RO产水中碳钢锈层特性分析
• 3.4.1 锈层表观特征
• 3.4.2 锈层形貌SEM分析
• 3.4.3 锈层元素EDS分析
• 3.4.4 锈层组分IR分析
• 3.4.5 锈层组分XRD分析
• 3.4.6 锈层组分Raman分析
• 3.4.7 小结
• 3.5 一级RO产水中碳钢锈层特性的电化学研究
• 3.5.1 腐蚀体系自腐蚀电位测试
• 3.5.2 腐蚀体系线性极化实验测试
• 3.5.3 腐蚀体系强极化实验测试
• 3.5.4 腐蚀体系交流阻抗测试
• 3.5.5 小结
• 3.6 碳钢在一级RO产水中的腐蚀机理
• 3.7 腐蚀模型对不同含盐量的一级RO产水适应性评估
• 3.7.1 稀NaCl溶液中碳钢腐蚀蚀的研究意义
• 3.7.2 碳钢腐蚀情况及锈层分析
• 3.7.3 覆盖锈层电极的电化学研究
• 3.7.4 碳钢在稀NaCl溶液中的腐蚀机理
• 3.7.5 小结
• 3.8 碳钢腐蚀模型在低碱度溶液中适用性验证
• 3.8.1 3%NaCl溶液中碳钢腐蚀的研究意义
• 3.8.2 碳钢锈层组分分析
• 3.8.3 覆盖锈层电极的电化学测试
• 3.8.4 3%NaCl溶液中碳钢腐蚀模型构建
• 3.8.5 低碱度介质中碳钢腐蚀模型的使用前景
• 3.8.6 小结
• 3.9 防腐策略
• 3.10 本章结论
• 第四章 海水淡化一级RO产水中碳钢缓蚀剂研究
• 4.1 引言
• 4.2 缓蚀剂遴选研究
• 4.2.1 单一无机缓蚀剂防腐效果
• 4.2.2 单一有机缓蚀剂防腐效果
• 4.2.3 复配缓蚀剂防腐效果
• 4.2.4 小结
• 4.3 缓蚀配方工程适用性分析
• 4.3.1 缓蚀配方短时间内使用效果
• 4.3.2 缓蚀配方对表面有锈层碳钢的缓蚀效果
• 4.3.3 小结
• 4.4 复配缓蚀剂的缓蚀机理研究
• 4.4.1 对表而无锈层碳钢的缓蚀机理
• 4.4.2 对表面有锈层碳钢的缓蚀机理
• 4.4.3 小结
• 4.5 本章结论
• 第五章 缓蚀方法工程实施可行性评估
• 5.1 引言
• 5.2 缓蚀方法现场小试效果
• 5.2.1 不同加药量时缓蚀效果
• 5.2.2 不同流速时缓蚀效果
• 5.2.3 不同水温时缓蚀效果
• 5.2.4 对其他材质的缓蚀效果
• 5.2.5 对表面有锈层碳钢的缓蚀效果
• 5.2.6 小结
• 5.3 缓蚀方法对电厂后续用水工艺影响
• 5.3.1 对脱硫系统运行影响
• 5.3.2 对小区域循环水运行影响
• 5.3.3 对人员健康及环境的影响
• 5.3.4 小结
• 5.4 现场实施技术要求
• 5.4.1 现场加药方式
• 5.4.2 加药系统设计
• 5.4.3 小结
• 5.5 本章结论
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 博士期间部分成果
• 致谢
• 附录
• 附录 1---药剂价格清单
• 附录 2---现场小试实验用水
• 附录 3---六偏磷酸钠加药系统图
• 附录 4---硫酸锌加药系统图
• 附录 5---现场加药点系统图