有机磷系阻垢剂对水中三氧化二铁的分散效果研究

　　摘要：循环水冷却系统在运行过程中，在换热器的传热表面会有各种沉积物沉积。其中，由于三氧化二铁沉积而引起的结垢腐蚀尤其严重。氧化铁垢不仅妨碍传热，而且会产生垢下腐蚀，受热金属慢慢变薄，继而穿孔，氧化铁垢容易在热负荷较高的部位形成。更为严重的是，结垢与腐蚀并非相互独立，而是相互作用和相互促进，这更加剧了对火电厂热力设备的损害。因此，分析氧化铁垢和腐蚀的特点和影响因素并提出有效的对策，对火电厂的安全经济运行具有十分重要的意义。

　　关键词：三氧化二铁；分散效果；结垢；腐蚀

　　前言

　　长期的实践使人们认识到热力系统中水的品质是影响发电厂热力设备如锅炉、汽轮机等安全、经济运行的重要因素之一。

　　没有经过净化处理的天然水含有许多杂质，这种水如进入汽水循环系统将会造成各种危害。一般将能够防止水垢和污垢产生或者抑制其沉积生长的化学药剂统称为阻垢剂。阻垢剂在工业上常用的形式主要有阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂两种。

　　目前，高温高压锅炉对补给水采取了二级脱盐处理，已经避免了低压的那种以碳酸盐或硅酸盐为主要成分的结垢情况，而是以氧化铁垢为主，氧化铁垢已经成为高温高压锅炉安全运行的最大危害。因此，分析氧化铁垢和腐蚀的特点和影响因素并提出有效的对策，对火电厂的安全经济运行具有十分重要的意义。

　　一、实验数据处理及分析

　　1.PAL阻垢剂对氧化铁分散效果的研究

　　（1）PAL阻垢剂浓度对氧化铁的分散效果

　　分别取50ml铁标样于5个150ml锥形瓶中，并通入空气使其充 分 氧 化 成 氧 化 铁 ，之 后 依 次 加 入 0mg，0.01mg，0.02mg，0.03mg，0.04mgPAL 阻垢剂，移入 50ml 容量瓶，定容至 50ml。

　　之后将5个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温16个小时。16个小时后取出后冷去过滤，取出滤液测量吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以阻垢剂浓度为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图1 PAL阻垢剂浓度对氧化铁分散效果的影响

　　从图1可以看出，随着PAL阻垢剂浓度的增大，PAL阻垢剂的阻垢率先快速上升，当上升到55%时开始缓慢上升，稳定后接近平缓的一条直线，阻垢率几乎不变。刚开始时，阻垢剂浓度远小于铁离子浓度，阻垢剂能和铁离子充分反应，所以刚开始时，阻垢率随阻垢剂浓度的增大而快速增大。当增大到一定值时，阻垢剂与铁离子的反应接近于饱和，所以随着阻垢剂浓度的增大阻垢率几乎不变。

　　（2）铁离子浓度对氧化铁的分散效果

　　分别取 10ml，30ml，50ml，70ml 铁标样于 4 个 150ml 锥形瓶中，加入适量去离子水，并通入空气使其充分氧化成氧化铁，之后各加入0.02mgPAL阻垢剂，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后将4个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温。16个小时后取出，冷去过滤，取滤液测量吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以铁离子浓度为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图2 铁离子浓度对氧化铁分散效果的影响

　　从图2可以看出，随着铁离子浓度的增大，PAL阻垢剂的阻垢率一直下降，且下降的速率越来越快，稳定后无限接近平0。刚开始时，阻垢剂浓度远大于铁离子浓度，阻垢剂能和铁离子充分反应，铁离子几乎完全与阻垢剂反应，所以刚开始时，阻垢率最大。当铁离子增大到一定值时，阻垢剂与铁离子的反应接近于饱和，之后增加的铁离子将不予阻垢剂反应，所以随着铁离子浓度的增加，未与阻垢剂反应的铁离子就越来越多，即阻垢率越来越低。由图2可以看出当PAL阻垢剂浓度为4mg/L时，最佳铁离子浓度为100mg/L，因为当铁离子浓度低于100mg/l时，阻垢率降低速率很小，而当铁离子高于 100mg/l，阻垢率下降速率很快。从高效，经济的角度来看，当阻垢剂浓度为4mg/L，铁离子浓度为100mg/l时，既可以保证足够的阻垢率，又可以尽量减少阻垢剂用量，从而达到高效，经济的目的。

　　（3）温度对氧化铁分散效果的研究

　　分别取50ml铁标样于5个150ml锥形瓶中，加入适量去离子水，并通入空气使其充分氧化成氧化铁，之后各加入0.02mgPAL阻垢剂，移入50ml容量瓶，定容至50ml。在将4个容量瓶分别移入20℃，40℃，60℃，80℃的恒温箱中恒温。16个小时后取出冷去过滤，取滤液测量测出吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁离子的浓度，计算阻垢率，并以恒温温度为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　从图3可以看出，随着温度的升高，PAL阻垢剂的阻垢率一直下降，且下降的速率越来越慢，稳定后下降趋势几乎为零，阻垢率稳定不变。PAL阻垢剂的溶度积随温度的增高而降低。刚开始时，温度低，阻垢剂完全融于溶液中，溶液中阻垢剂浓度最大，由图1可以看出，阻垢剂浓度越大，阻垢效果越好。所以刚开始时，阻垢率最大。随着温度的升高，阻垢剂的溶度积变小，导致溶液中的阻垢剂浓度降低，所以阻垢率降低。之后由于阻垢剂浓度已经很小了，温度的增加对溶液中的阻垢剂浓度影响不大，所以阻垢率稳定。由图可以看出，温度在40℃至60℃之间时，阻垢率下降的很明显，所以，温度应维持在40℃之下。

　　（4）恒温时间对氧化铁分散效果的研究

　　分别取50ml铁标样于4个150ml锥形瓶中，加入适量去离子水，并通入空气使其充分氧化成氧化铁，之后各加入0.02mgPAL阻垢剂，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后将4个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温。各分别恒温8，16，24，32个小时后取出，冷去过滤，取滤液测量测吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以恒温时间为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图4 恒温时间对氧化铁分散效果的影响

　　从图4可以看出，随着恒温时间的延伸，PAL阻垢剂的阻垢率一直下降，且下降的速率越来越快。因为恒温时间越长，溶液蒸发量也越来越大，阻垢剂的浓度和铁离子的浓度也越来越大，但铁离子浓度的变化率大于阻垢剂浓度的变化率。所以铁离子浓度增大对阻垢率的影响大于阻垢剂浓度增大对阻垢率的影响，从而导致阻垢率降低。而且，恒温时间越长，已经阻垢剂和氧化铁的络合物可能分散开，导致溶液中氧化铁含量，从而导致阻垢率阻垢率降低。从图中可以看出，在恒温16个小时之前，阻垢率下降的很缓慢，16小时之后，阻垢率下降趋势变快，考虑到高效，经济等因素，恒温时间尽量维持在16小时之前。循环冷却水系统中，换水周期不要超过16小时，这样既能保证足够的阻垢率，又能避免频繁换水带来的经济损失。

　　2.ATMP阻垢剂对氧化铁分散效果研究

　　（1）ATMP阻垢剂浓度对氧化铁的分散效果的研究分别取50ml铁标样于5个150ml锥形瓶中，并通入空气使其充 分 氧 化 成 氧 化 铁 ，之 后 依 次 加 入 0mg，0.01mg，0.02mg，0.03mg，0.04mgATMP 阻 垢 剂 ，移 入 50ml 容 量 瓶 ，定 容 至50ml。之后将5个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温16个小时。16个小时后取出后冷去过滤，取出滤液测量吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以阻垢剂浓度为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图5 阻垢剂浓度对氧化铁分散效果的影响

　　从图5可以看出，随着ATMP阻垢剂浓度的增大，ATMP阻垢剂的阻垢率先快速上升，当上升到60%左右时开始缓慢上升，稳定后接近平缓的一条直线，阻垢率几乎不变。刚开始时，阻垢剂浓度远小于铁离子浓度，阻垢剂能和铁离子充分反应，所以刚开始时，阻垢率随阻垢剂浓度的增大而快速增大。当增大到一定值时，阻垢剂与铁离子的反应接近于饱和，所以随着阻垢剂浓度的增大阻垢率几乎不变。由图5可以看出ATMP的最佳阻垢剂浓度为4mg/l，因为当阻垢剂浓度大于4mg/l时，阻垢率增加量很小，几乎不变，从高效，经济的角度来看，阻垢剂为4mg/l时，既可以保证足够的阻垢率，又可以尽量减少阻垢剂用量，从而达到高效，经济的目的。

　　（2）铁离子浓度对氧化铁的分散效果的研究

　　分别取 10ml，30ml，50ml，70ml 铁标样于 4 个 150ml 锥形瓶中，加入适量去离子水，并通入空气使其充分氧化成氧化铁，之后各加入0.02mgPAL阻垢剂，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后将4个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温。16个小时后取出，冷去过滤，取滤液测量吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以铁离子浓度为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图6 铁离子浓度对氧化铁分散效果的影响

　　从图6可以看出，随着铁离子浓度的增大，ATMP阻垢剂的阻垢率一直下降。刚开始时，阻垢剂浓度远大于铁离子浓度，阻垢剂能和铁离子充分反应，铁离子几乎完全与阻垢剂反应，所以 刚开始时，阻垢率最大。当铁离子增大到一定值时，阻垢剂与铁离子的反应接近于饱和，之后增加的铁离子将不予阻垢剂反应，所以随着铁离子浓度的增加，未与阻垢剂反应的铁离子就越来越多，即阻垢率越来越低。由图 6 可以看出当 PAL 阻垢剂浓度为4mg/l 时，最佳铁离子浓度为 40mg/l，因为当铁离子浓度低于40mg/l时，阻垢率降低速率很小，而当铁离子高于40mg/l，阻垢率下降速率很快。从高效，经济的角度来看，当阻垢剂浓度为4mg/l，铁离子浓度为40mg/l时，既可以保证足够的阻垢率，又可以尽量减少阻垢剂用量，从而达到高效，经济的目的。

　　（3）温度对氧化铁分散效果的研究

　　分别取50ml铁标样于4个150ml锥形瓶中，加入适量去离子水，并通入空气使其充分氧化成氧化铁，之后各加入0.02mgPAL阻垢剂，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后将4个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温。各分别恒温8，16，24，32个小时后取出，冷去过滤，取滤液测量测吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以恒温时间为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图7 温度对氧化铁分散效果的影响

　　从图7可以看出，随着温度的升高，ATMP阻垢剂的阻垢率一直下降，且下降的速率越来越慢，稳定后下降趋势几乎为零，阻垢率稳定不变。ATMP 阻垢剂的溶度积随温度的增高而降低。

　　刚开始时，温度低，阻垢剂完全融于溶液中，溶液中阻垢剂浓度最大，由图5可以看出，阻垢剂浓度越大，阻垢效果越好。所以刚开始时，阻垢率最大。随着温度的升高，阻垢剂的溶度积变小，导致溶液中的阻垢剂浓度降低，所以阻垢率降低。之后由于阻垢剂浓度已经很小了，温度的增加对溶液中的阻垢剂浓度影响不大，所以阻垢率稳定。由图可以看出，温度在40℃至60℃之间时，阻垢率下降的很明显，所以，温度应维持在40℃之下。考虑到高效，经济等因素，如果温度低于40℃，可以不考虑温度对ATMP阻垢剂对氧化铁阻垢效果的影响，如果温度高于40℃，可以适当降低温度。

　　（4）恒温时间对氧化铁分散效果的研究

　　分别取50ml铁标样于4个150ml锥形瓶中，加入适量去离子水，并通入空气使其充分氧化成氧化铁，之后各加入0.02mgPAL阻垢剂，移入50ml容量瓶，定容至50ml。之后将4个容量瓶移入80℃恒温箱中恒温。各分别恒温8，16，24，32个小时后取出，冷去过滤，取滤液测量测吸光度。依据标准曲线计算出铁样中铁的浓度，计算阻垢率，并以恒温时间为横坐标，阻垢率为纵坐标作图。

　　图8 恒温时间对氧化铁分散效果的影响

　　从图8可以看出，随着恒温时间的延伸，ATMP阻垢剂的阻垢率一直下降，且下降速率先快后慢。因为恒温时间越长，溶液蒸发量也越来越大，阻垢剂的浓度和铁离子的浓度也越来越大，但铁离子浓度的变化率大于阻垢剂浓度的变化率。所以铁离子浓度增大对阻垢率的影响大于阻垢剂浓度增大对阻垢率的影响，从而导致阻垢率降低。而且，恒温时间越长，已经阻垢剂和氧化铁的络合物可能分散开，导致溶液中氧化铁含量，从而导致阻垢率阻垢率降低。从图中可以看出，在恒温10小时之前，阻垢率下降的很缓慢，10时之后，阻垢率下降趋势变快，考虑到高效，经济等因素，恒温时间尽量维持在10小时之前。循环冷却水系统中，换水周期不要超过10小时，这样既能保证足够的阻垢率，又能避免频繁换水带来的经济损失。

　　结论

　　本文以 ATMP 为有机磷系阻垢剂，考察其对三氧化二铁的分散效果；在此基础上与聚羧酸阻垢剂进行复配，考察复配药剂对三氧化二铁的分散效果，得出以下结论：

　　ATMP对三氧化二铁的分散效果研究结果表明，当阻垢剂投加量为4mg/l，铁溶液浓度为67mg/l，恒温温度为40℃，恒温时间为10小时，阻垢率为63.96%。

　　综合以上结论，对比可知，在最佳条件下，上述阻垢剂对氧化铁的分散效果影响相差不大。但是，复合药剂的适用范围大一些，其中以PAL与ATMP复合药剂为阻垢剂时综合效果最佳。

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