再生水中水质因子对不锈钢管材的腐蚀影响及控制研究

摘要

本课题以热电厂循环冷却水系统为研究背景，以316L不锈钢(Stainless steel316L，SS316L)为研究材质，以取自北京高碑店再生水厂的二级出水的再生水作为研究介质，以硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)为研究菌种，采用水分析化学、生物化学、电化学和表面分析等方法，对北方4个代表性电厂(A、B、C、D)的再生水进行水质分析和评估;研究了浓缩3倍循环水中Cl-、氨氮、SO42-对SS316L电化学腐蚀影响;研究了4种阻垢缓蚀剂之间的协同效应以及对SS316L的缓蚀效果;分别研究了杀菌剂和阻垢缓蚀剂对SS316L表面SRB生物膜化学组分及腐蚀行为的影响，从生物膜特性及膜下腐蚀的角度判断了药剂缓蚀性能的优劣。通过以上研究，本课题可以为热电厂防腐防垢的药剂选择提供一定的理论和数据支持。研究取得了如下成果:
　　(1)水质分析评估表明，北方4个电厂的再生水中存在结垢问题，主要是CaCO3、BaSO4和Ca3(PO4)2等盐类的结垢;SO42-存在超标的问题，Cl-引起较大的腐蚀倾向;有机物含量较为丰富、含氮量超标，有利于微生物的滋生。
　　(2)电化学研究表明，当浓缩3倍循环水中Cl-浓度超过380mg/L，Cl-对SS316L钝化膜的侵蚀作用明显加剧，表现为阳极溶解电流密度显著增加，最大达到2.11μA/cm2;当氨氮浓度超过15mg/L，氨氮对SS316L钝化膜的侵蚀作用明显加剧，最大阳极溶解电流密度达到1.01μA/cm2;SO42-与水中Cl-在SS316L表面存在竞争吸附，当SO42-浓度达到520mg/L时，此时[Cl-]/[SO42-]的值为0.54，浓缩3倍循环水对SS316L钝化膜的侵蚀被有效缓解，阳极溶解电流密度最大降幅达到59.0％，但随着浸泡时间的延长，腐蚀依旧有所加剧。
　　(3)阻垢缓蚀剂复配研究发现，4种阻垢缓蚀剂的阻钙垢性能排序为:PESA＞PBTCA＞PASP＞HEDP，4种阻垢缓蚀剂对SS316L的缓蚀性能排序为:PBTCA＞PASP＞HEDP＞PESA;由于PESA与PBTCA能够增加羧酸基、磷酸基、羟基的数量，并且改变CaCO3晶体的结垢类型，二者同时具有最佳的阻垢和缓蚀协同效应，浓度比为1∶3时，阻垢率达到最大，为97.8％;浓度比为1∶1时，缓蚀率达到最大，为81.2％。
　　(4)阻垢缓蚀剂和杀菌剂对SRB生物膜组分影响研究表明，PBTCA和PESA分别使得SS316L表面EPS含量增加了1.4％和5.8％;由于不同的杀菌机理，异噻唑啉酮、NaClO和1227对EPS含量的削减率分别达到了62.5％、70.3％和80.6％，其中，NaClO对蛋白质的削减能力最大，削减率为70.4％，1227对多糖的削减能力最大，削减率为84.0％，三种杀菌剂均能有效地抑制SRB及其生物膜在不锈钢表面的粘附。
　　(5)阻垢缓蚀剂和杀菌剂均能改变SS316L表面生物膜形貌;X射线光电子能谱结果显示，添加NaClO后，SS316L表面-NH2的含量最低，从基团角度印证了NaClO对蛋白质较强的削减能力，同时，检测到的FeCl2，表明NaClO对SS316L钝化膜产生了一定的侵蚀;1227能够大幅度改变SS316L表面膜中C∶O比值，影响了以多糖为主的碳氧化合物的结构。
　　(6)阻垢缓蚀剂和杀菌剂对SRB生物膜下SS316L腐蚀行为影响研究表明，PBTCA能够降低阳极溶解电流密度，而PESA可以微弱地促进微生物腐蚀;异噻唑啉酮、NaClO和1227均能有效抑制微生物腐蚀，但是，由于还原生成Cl-，NaClO急剧增大阳极溶解电流密度，降低击穿电位，侵蚀SS316L钝化膜;1227具有成膜性，使得击穿电位达到最大值1.19V，有助于钝化保护。交流阻抗图谱(EIS)表明，PBTCA和PESA能增加生物膜厚度;3种杀菌剂均能削减生物膜厚度，降低表面膜阻抗，NaClO使得SS316L表面膜阻抗降至最低，增大腐蚀风险，而1227条件下，膜阻抗值较高。本研究最终确定了最优复配阻垢缓蚀剂方案为PBTCA∶PESA=1∶1;最佳杀菌剂为1227，具有最优的杀菌和缓蚀性能。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1 循环冷却水系统

1．2．2 再生水回用的水质影响

1．2．3 SRB腐蚀机理及膜下危害

1．2．4 阻垢缓蚀剂研究进展

1．2．5 微生物杀菌剂研究进展

1．3 研究内容

1．4 研究目的及创新点

1．5 技术路线

2．1 实验用水

2．2 不锈钢试片

2．3 实验菌种与培养

2．3．1 菌种来源

2．3．2 培养基与培养条件

2．3．3 菌种的分离提纯

2．3．4 活化与计数

2．4 药剂准备

2．5 实验方法

2．5．3 阻垢缓蚀剂(PBTCA和PESA)与杀菌剂(异噻唑啉酮、NaClO和1227)对SRB生物膜特性及腐蚀行为影响

2．5．4 胞外聚合物(EPS)测试

2．5．5 电化学测试

2．5．6 表面分析

3．1 前言

3．2 水质特征判据

3．3 再生水水质

3．3．1 水质分析

3．3．2 水质指标分析

3．4 结垢腐蚀倾向分析

3．4．1 碳酸钙结垢倾向分析

3．4．2 水中其它微溶盐类结垢倾向分析

3．4．3 SiO2结垢倾向分析

3．4．4 氯离子腐蚀倾向分析

3．4．5 有机物指标分析

3．4．6 氨氮腐蚀影响分析

3．4．7 SO42-腐蚀倾向分析

3．5 本章小结

4 不同水质因子对SS316L电化学腐蚀影响

4．1 引言

4．2．1 Cl-浓度对SS31 6L电化学腐蚀影响

4．2．2 浸泡时间对SS316L电化学腐蚀影响

4．2．3 Cl-的浓度和浸泡时间对SS316L电化学腐蚀影响的差异性分析

4．3 氨氮对316L不锈钢电化学腐蚀的影响

4．3．1 氨氮浓度对SS316L电化学腐蚀影响

4．3．2 浸泡时间对SS316L电化学腐蚀影响

4．3．3 氨氮浓度和浸泡时间对SS316L电化学腐蚀影响的差异性分析

4．4 SO42-对316L不锈钢电化学腐蚀的影响

4．4．1 SO42-浓度对SS316L电化学腐蚀影响

4．4．2 浸泡时间对SS316L电化学腐蚀影响

4．4．3 SO42-的浓度和浸泡时间对SS316L电化学腐蚀影响的差异性分析

4．5 本章小结

5 循环冷却水系统阻垢缓蚀剂复配协同效应研究

5．1 引言

5．2 阻垢缓蚀剂简介

5．3 阻垢缓蚀剂的阻垢性能比较

5．4 复配阻垢缓蚀剂的阻垢协同效应研究

5．4．1 HEDP与PBTCA复配阻垢性能研究

5．4．2 HEDP与PASP复配阻垢性能研究

5．4．3 HEDP与PESA复配阻垢性能研究

5．4．4 PBTCA与PASP复配阻垢性能研究

5．4．5 PBTCA与PESA复配阻垢性能研究

5．4．6 PASP与PESA复配阻垢性能研究

5．5 阻垢缓蚀剂对SS316L缓蚀性能比较

5．5．1 HEDP对SS316L的缓蚀性能研究

5．5．2 PBTCA对SS316L的缓蚀性能研究

5．5．3 PASP对SS316L的缓蚀性能研究

5．5．4 PESA对SS316L的缓蚀性能研究

5．6 复配阻垢缓蚀剂的缓蚀协同效应研究

5．7 本章小结

6 阻垢缓蚀剂与杀菌剂对SS316L表面生物膜化学组分及腐蚀行为的影响

6．1 引言

6．2 SS316L表面EPS研究

6．3 阻垢缓蚀剂与杀菌剂对SS316L表面EPS中多糖的影响研究

6．3．1 阻垢缓蚀剂对SS316L表面EPS中多糖的影响

6．3．3 杀菌剂对SS316L表面EPS中多糖的影响

6．4 阻垢缓蚀剂与杀菌剂对SS316L表面EPS蛋白质的影响研究

6．4．1 阻垢缓蚀剂对SS316L表面EPS中蛋白质的影响

6．4．2 杀菌剂对SS316L表面EPS中蛋白质的影响

6．5 阻垢缓蚀剂与杀菌剂对SS316L表面生物膜电化学腐蚀行为影响

6．5．1 动电位扫描极化曲线分析

6．5．2 电化学交流阻抗图谱分析

6．6 阻垢缓蚀剂与杀菌剂对SS316L表面生物膜形貌和化合物组成的影响

6．6．1 XPS谱图分析研究

6．6．2 SEM表面形貌分析研究

6．7 本章小结

7 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集