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铜氨络合物对二乙基羟胺除氧缓蚀性能的影响

2022-07-01魏晓静翟双岭高多龙闻小虎刘冬梅任天辉

上海交通大学学报 2022年6期
关键词:溶解氧表面

随着我国工业化的迅速发展,许多工业领域的用水量十分巨大.因大量用水所产生的腐蚀给工业设备的使用和寿命带来极大的威胁.水体中通常会溶解气体而引起腐蚀问题,其中最常见的是溶解氧腐蚀.由于大多数工业设备都是用碳钢制造的,如火力发电厂的锅炉循环水系统、油田水处理及回注系统、油气井水基钻井泥浆体系等,水中溶解的氧和碳钢会形成腐蚀电池,而氧的电极电位高于铁电极,在溶解氧的阴极去极化作用下,对碳钢设备造成严重的腐蚀.每年因溶解氧腐蚀造成的工业设备毁坏甚至工业事故为我国工业带来了巨大的经济损失.因此,如何快速有效地去除工业用水中的溶解氧,不仅能使工业设备更加安全地运行生产,也具有实际的经济价值.

现有工业用水的除氧缓蚀技术主要包括物理法、生物法和化学法.其中物理方法包括热脱氧、真空脱氧、氮气净化、膜法脱氧等.生物法包括使用葡萄糖氧化酶和酵母除氧.前两种方法主要通过降低水中的氧气量以控制氧腐蚀的发生,但是这两种方法很难大规模应用于工业循环水系统,因此受到了限制.对比其他除氧方法,化学法具有投药简单、成本低、除氧缓蚀效果好等优点,并且依靠于强大的化学工业基础,更能适应工业除氧缓蚀技术的需求和发展.化学法主要是通过在水体中投入化学药剂来改善其除氧缓蚀率.在工业应用上,通常添加除氧剂和缓蚀剂的复配物以达到除氧和缓蚀的双重效果.然而,该种方法仍存在药剂性能欠佳、成本较高等缺点.因此,开发兼具两种功能的除氧缓蚀剂,对于工业生产具有重大的意义和经济价值.

常见的除氧剂包括亚硫酸钠、异抗坏血酸钠、碳酰肼、羟胺类化合物、肟类化合物及苯酚类化合物等.缓蚀剂包括咪啉唑类、杂环型、三唑类、席夫碱类、季铵盐类、有机磷酸类及无机缓蚀剂等.在这些化学药剂中,已有的研究发现,二乙基羟胺(DEHA)具有还原性强、毒性小等优点,常用作热力设备的氧腐蚀缓蚀剂,且在工业用水的除氧缓蚀领域具有较大的潜力.然而,有研究结果表明,为达到理想的除氧缓蚀效率,单一DEHA药剂的添加量非常大,使其应用成本大幅提高.

根据近年来的研究成果可知,含铜的络合物对除氧剂的除氧能力不仅有着较好的催化效果,而且添加铜离子催化剂对碳钢具有优异的缓蚀保护功能.因此,在本研究中,通过在二乙基羟胺中添加铜氨络合物,研究其对二乙基羟胺除氧能力的影响,并进一步研究投放质量浓度、水体温度及pH对其除氧能力的影响.此外,还研究了铜氨络合物的添加对碳钢缓蚀的影响.

瑞士研究人员最新发现,长期使用手机产生的射频电磁场可能对特定脑区的记忆能力产生不良影响。研究结果显示,在经常使用手机接听电话者的右侧头部,射频电磁场对图形记忆功能产生了负面影响。不过,研究发现,与手机通话相比,用手机发送短信、玩游戏或浏览互联网则对青少年记忆力发展并没有明显影响,这可能是因为这类操作产生的射频电磁场相对微小。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

(3)缓蚀性能评价.

茄子具有生育期短、适应能力强、喜欢高温强光照、不耐高湿的特点。早春外界温度较低,光照不足,因此,茄子品种选择应该以早熟高产为目的。一般情况下,用于早春温室大棚播种的茄子应该选择生育期较短、对外界适应能力强、早熟稳产、耐弱光照、耐密植的优良茄子品种。

1.2 实验步骤

(1)铜氨络合物的制备.

将硫酸铜溶解于20 mL的去离子水中,得到 0.2 mol/L 的硫酸铜溶液.向硫酸铜溶液中滴加适量氨水,发现有浅蓝色的碱式硫酸铜沉淀生成.继续添加过量氨水,沉淀开始缓慢溶解,待沉淀完全溶解,得到深蓝色溶液.继续加入与上述溶液等体积的乙醇,溶液变浑浊,静置一段时间后,析出深蓝色晶体,即铜氨络合物.将混合溶液抽滤,并使用乙醇溶液洗涤两次,得到硫酸四氨合铜水合物.制备过程涉及的反应式如下:

(2)除氧性能评价.

Cu(OH)SO↓+(NH)SO

Cu(OH)SO+8NH=

受道教风水学说的影响,古代朝鲜创作了众多堪舆主题的小说,在这些小说中,堪舆成为小说叙事的主线,贯穿故事始终。 如《定名穴牛卧林间》中,讲述了湖西士人为得名穴,诚意侍奉地师朴尚义,无奈朴尚义恃术骄纵,千般推辞,湖西士人一怒之下剥掉朴的衣服,将其紧缚于松树上。 恰巧遇到尹氏搭救,朴尚义才幸免于死。 朴感念尹氏的再生之恩,遂帮助尹氏相地,但终未告知吉穴所在。 后来尹氏遍请地师占正穴,仍然求之不得。 一日,竟在牛卧之地得到正穴。 移葬亲山后,家族逐渐显赫起来。

在样品瓶中灌满去离子水,用氢氧化钠溶液和盐酸溶液调节pH值后,略微敞口放在烘箱中 2 h,使得水中溶解氧质量浓度达到平衡.设置空白组和实验组,空白组不加入药剂,实验组加入一定量的二乙基羟胺和铜氨络合物并摇匀,实验组和对照组拧紧瓶盖静置保温1 h.随后,用溶解氧测试仪测试溶解氧质量浓度.按以下公式计算除氧率:

式中:为空白组水中溶解氧的质量浓度;为实验组除氧后水中溶解氧的质量浓度.

试剂:二乙基羟胺(质量分数为 97%),购于上海安耐吉化学有限公司;硫酸铜、氨水、氢氧化钠、浓盐酸、乙醇、丙酮等,购于上海国药集团化学试剂有限公司;六次甲基四胺,购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;20#碳钢腐蚀挂片,购于杭州冠洁工业清洗水处理科技有限公司.实验中所用水为去离子水,所有试剂均为分析纯.

这些作品无一例外地都呈现出了都市光鲜亮丽的外表下隐藏着欺骗与冷漠的倾向。《和你在一起》里,有才华有天赋的孩子想要出名获得更大的成绩就要依靠城市,从而成为余教授的工具。《风月》里的大上海更是物欲横流,尽是欺骗与绑架的勾当。在谎言欺骗和绑架谋财之下,心已经“废了”。在此方面,《搜索》是最为集中的体现。这是一个发生在现代城市的故事,贴近社会热点,反映当代都市人的生存和内心精神状况。都市中的每一个人活得都太辛苦了,辛苦到没有多余的精力去体谅别人的辛苦。

2.3.2 靶刺激:靶刺激诱发出明显的P3成分,但其波幅的组别主效应不显著,涉及组别的交互效应也均不显著,只在电极位置上具有显著主效应(见表6)。

式中:为实验前挂片的质量;为实验后挂片的质量;为挂片的表面积;为实验时间;为挂片的密度;Δ为空白测试液中腐蚀挂片实验前后的质量差;Δ为加药品的测试液中腐蚀挂片实验前后的质量差.

(4)电化学腐蚀性能测试.

仪器:DHG-101型电热恒温鼓风干燥箱,上海华连医疗器械有限公司;FA2204B型精密电子天平,上海精密科学仪器有限公司;ST-400D型荧光法溶解氧测试仪,奥豪斯仪器(上海)有限公司;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR, Spectrum 100),美国PerkinElmer公司;金相显微镜(NMM-800RF),宁波欧普仪器有限公司;X射线粉末衍射仪(D8 ADVANCE),德国BRUKER AXS 有限公司.

采用CHI-760E型电化学工作站,对碳钢表面的电化学腐蚀性能进行测试.该工作站使用三电极体系,包括参比电极(饱和甘汞电极)、工作电极(碳钢腐蚀挂片)以及对电极(铂薄板).测试的电解质为去离子水和加入复配物的测试液.电化学工作站以0.5 mV/s的扫描速度进行电化学测试,得到极化曲线.并通过自带的软件对极化曲线进行拟合分析,得出相应的腐蚀电位和腐蚀电流密度.

2 结果与讨论

2.1 铜氨络合物的红外谱图和X射线衍射谱图

②水雨情发布系统:进入水雨情发布系统后,地图上分布着本地雨量站站址点,标有站名,站名点边标有降雨量数据,打开站点可看到降雨过程柱状图。地图下方列有本地雨量站分时段雨量统计值,可了解本地分时段降雨情况。

2.2 除氧实验

8CHCOOH+2N+6HO

4(CHCH)NOH+9O→

..单组分二乙基羟胺的性能研究 研究表明二乙基羟胺和氧气在苛刻条件下的反应如下:

以病理检查结果为依据,常规超声检查诊断准确率为78.33%(47/60),实超声弹性成像检查诊断准确率为80.00%(48/60),常规超声检查实超声弹性成像联合常规超声检查诊断准确率为93.33%(56/60),其中联合检查诊断准确率远远高于常规超声检查、实超声弹性成像检查,差异有显著性(P<0.05)。

(1)

同时也有研究表明在碱性条件下,二乙基羟胺与溶解氧可发生如下反应:

中国经济发展模式的转型依赖于中国原始创新能力的形成。对于如何形成原始创新能力,很多人认为是资金投入不足的问题,以为只要增加货币资本的投入,中国的原始创新能力就会自然形成。其实这是一个错觉。我们需要认识到,中国原始创新能力形成的关键要素是人而不是钱,国家的原始创新能力直接与人力资本的创新能力相关。在信息化、全球化、知识化的产业结构主导的现代世界,能够从事原始创新型的人力资本质量与数量,决定一个国家的原始创新程度,从而决定国家的强弱。中国原始创新能力形成的关键在于是否具有越来越多的原始创新型人力资本。为此中国需要进行原始创新型人力资本的制度建设,主要有六个方面。

(CH)NOH+O→

首先,将20#碳钢腐蚀挂片用丙酮和乙醇分别进行清洗,用冷风吹干,包上滤纸放于干燥器中2 h后称重并记录.在样品瓶中装满去离子水后,略微敞口放于30 ℃的烘箱中保温2 h,除去多余的溶解氧.在瓶中添加一定量的二乙基羟胺和铜氨络合物,并充分摇匀.采用静态挂片法将腐蚀挂片浸入待测液中24 h,控制实验温度为30 ℃.实验结束后取出挂片,用质量分数为10%的盐酸和0.5%的六次甲基四胺配置的清洗剂洗去挂片表面的腐蚀产物,然后用乙醇进行脱水,滤纸包好放于干燥器中2 h后称重并记录.挂片腐蚀率和缓蚀率由以下公式计算:

(2)

由于二乙基羟胺和溶解氧的反应较为复杂,与反应温度、pH值、二乙基羟胺质量浓度等均有关系,且可能存在多种反应.因此,需要通过控制二乙基羟胺质量浓度,研究其在梯度质量浓度下的除氧效率.图3所示为反应温度为15 ℃、pH值为7时,二乙基羟胺添加质量浓度与除氧效率的关系.如图3所示,未添加二乙基羟胺时,去离子水中的溶氧量为9.8 mg/L.当加药量低于70 mg/L时,随质量浓度的增加,除氧效率呈现增长的趋势.当加药量大于70 mg/L后,除氧效率反而降低,说明二乙基羟胺和溶解氧的整体反应可能是一个可逆反应.因此,单独使用二乙基羟胺的最佳加药量为70 mg/L,此时除氧效率在50%左右.

Cu+HO+2OH=CuO↓+2HO

(3)

由反应式可以看出,HO的消耗能够促进除氧反应往正方向进行,在一定程度上能提高除氧深度.从图4可以发现,随着铜氨络合物质量浓度的增加,二乙基羟胺的除氧效果没有发生明显变化,一直在94%附近波动.说明微量的铜氨络合物便能催化二乙基羟胺的除氧反应,而其余的Cu被还原为CuO.铜氨络合物易溶解于水体中,并有一部分被还原,加之工业循环水的水质较为复杂,难以对铜氨络合物催化剂进行有效的回收利用,因此本文以下研究将二乙基羟胺和铜氨络合物作为复配试剂进行整体研究.综上,考虑到实际效果和工业经济性,使用二乙基羟胺作为除氧剂时,铜氨络合物的质量浓度选择最低的8 mg/L为宜.

..pH环境对除氧效率的影响 图5所示为二乙基羟胺在不同pH值水体中的除氧能力.可见,未添加铜氨络合物时,二乙基羟胺的除氧率随着pH值的增加而增加.因为二乙基羟胺在除氧过程会生成一些酸性物质,碱性环境能进行中和,促进除氧反应的进程.当pH值小于7,水体为酸性时,二乙基羟胺的除氧能力则会被抑制.在添加8 mg/L的铜氨络合物后,同一pH环境下二乙基羟胺的除氧效率相比未添加铜氨络合物的有所提升.在 pH=6的酸性环境下,二乙基羟胺的除氧能力被明显抑制,然而添加铜氨络合物后仍比未添加的除氧效率高.说明在酸性环境中,铜氨络合物也同样具有催化能力,能提高二乙基羟胺的除氧深度.当水体的 pH≥7时,铜氨络合物催化二乙基羟胺的除氧效率能达到95%以上.随着pH的增大,除氧率会略微增加.与前文结果结合来看,虽然碱性环境对二乙基羟胺的除氧能力有明显提升,但铜氨络合物对二乙基羟胺除氧效果的影响明显更强.综上所述,在 pH≥7的水体中,添加铜氨络合物的二乙基羟胺除氧效果最好,即在中性和碱性溶液中的除氧性能最佳.

..温度对除氧效果的影响 温度会影响水中溶解氧的质量分数,且温度对几乎所有化学反应都会产生或多或少的影响.因此,温度对工业除氧剂除氧能力的影响也同样值得研究.图6所示为二乙基羟胺除氧率随反应温度的变化,图中为温度.未添加铜氨络合物,温度为30~70 ℃时,二乙基羟胺的除氧率随温度的升高而增大,当温度进一步升高后,除氧率反而略微下降.在整个温度范围内,二乙基羟胺的除氧率均保持在90%以上,说明温度对二乙基羟胺的除氧能力有较大提升.在 30~70 ℃ 温度区间,添加8 mg/L铜氨络合物后,二乙基羟胺的除氧率随温度的增加而提高,且在较高温度区段也没有发生下降.此外,添加铜氨络合物后,除氧率均高于95%,且都比同一温度下未加铜氨络合物时的除氧率高.说明即使在不同温度的下,铜氨络合物对二乙基羟胺的除氧能力也具有催化效果,说明其高温适应能力较好.

2.3 碳钢的缓蚀实验

..铜氨络合物和二乙基羟胺对碳钢腐蚀行为的影响 本文研究了铜氨络合物和二乙基羟胺对碳钢腐蚀行为的影响,缓蚀实验结果见表1.由表1可见,单独加入二乙基羟胺对碳钢具有一定的缓蚀效果,缓蚀率为48.1%.因为二乙基羟胺能除去一定量的溶解氧,进而减少碳钢材料的氧腐蚀,因此常常应用于工业锅炉的防腐.根据温度对二乙基羟胺除氧性能的研究来看,单独的二乙基羟胺在高温下有很好的除氧性能.而碳钢缓蚀实验结果显示,单独使用二乙基羟胺的除氧缓蚀性能并不能达到很好的效果,说明仅仅除去水中的溶解氧不足以对碳钢起到足够的腐蚀防护.将铜氨络合物与二乙基羟胺进行复配,加入水中后发现碳钢的腐蚀速率降到 0.004 8 mm/a,缓蚀率也大大提高,达到96.2%.说明铜氨络合物和二乙基羟胺的复配更有利于碳钢的防腐蚀保护.

出发可以导出an+1+an=3an或 3an-36,从而总是有 3|an+1+an,这样一来立刻就可以得出若数列{an}中存在一个元素是3的倍数,那么所有元素都是3的倍数,这就给出了比参考答案更加简洁的证明.在获得了全数学小组同学的热烈掌声后,这位同学变得更加活跃了.

为了进一步研究复配试剂加入后对碳钢表面腐蚀行为的影响,利用金相显微镜对腐蚀表面进行观察和分析,如图7所示.实验前的碳钢表面光滑平整且带有金属光泽,将其悬挂于30 ℃水中保温24 h后,碳钢挂片表面发生严重的电化学腐蚀.因为碳钢主要由铁和碳两种元素组成,其中铁为原电池的阳极,碳为原电池的阴极.碳钢在水中发生的电极反应为

2Fe→2Fe+4e(阴极反应)

尽管如此,由于各种因素的影响治安法官代表性仍存在一些问题,治安法官选任还是受到一些谴责,但值得肯定的是英国现代治安法官选任较以往有了很大的改变,招募范围显著扩大。自1919年首个妇女出任治安法官后不少女性被任命为治安法官,在治安法院的青少年法庭要求开庭时必须至少有一名女性,治安法官中妇女的比例上涨显著实现了男女性别比例的平衡。

(4)

2HO+O+4e→4OH(阳极反应)

(5)

在电化学反应中,铁失去电子变成铁离子溶解于水中,而溶解氧和水得到电子生成氢氧根离子,使得碳钢表面去极化,最终发生腐蚀.

榫卯工艺虽然在西周燕国铜器的铸造上使用并不广泛,但这种工艺在燕国的铜器铸造中起着重要作用。西周燕国车马器多用榫卯工艺,如铜辖首下多接扁平长方形榫。焊接技术出现的亦较早,西周燕人亦懂得了这一技术。1981-1983年在琉璃河西周燕国墓地发掘中,发现一青铜簋的器底圈足内侧有两处补焊的痕迹[26]214。西周燕人在铜器的铸造上对这两项工艺的熟练运用,再次展现了其高超的铸造技术。

未添加试剂时,碳钢表面极易发生氧去极化腐蚀,即吸氧腐蚀.腐蚀状态体现为多而密的腐蚀坑,腐蚀坑成为原电池的阳极,进一步加重碳钢的点腐蚀.添加二乙基羟胺后,碳钢表面的点腐蚀数量明显减少,但腐蚀坑的面积和深度变大.根据缓蚀率结果可以看出,虽然二乙基羟胺对碳钢有一定的缓蚀作用,但从实际的腐蚀情况来看,更深的腐蚀坑对碳钢工业设备的危害性更大.此外,当加入铜氨络合物和二乙基羟胺复配物后,碳钢表面的腐蚀情况明显改善,甚至抑制了腐蚀,虽然碳钢表面变得暗淡,但是金相显微镜下没有发现点腐蚀造成的腐蚀坑.该结果表明铜氨络合物和二乙基羟胺复配物的添加可以有效改善碳钢表面的腐蚀行为.

图8所示为添加不同试剂后碳钢表面腐蚀的扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱(EDS)图.可见,未添加试剂时,碳钢表面呈现出斑驳的腐蚀痕迹,被腐蚀的地方露出碳钢内部的晶体结构.仅添加二乙基羟胺时,碳钢的最外层明显被腐蚀,内部晶体形成微纳米级的球状颗粒,颗粒晶体增加了碳钢内部与水体的接触面积,使电化学腐蚀进一步加剧,最终形成大且深的腐蚀坑.在添加二乙基羟胺和铜氨络合物复配物后,碳钢表面虽然较为粗糙,但明显观察到表面晶体不是独立的颗粒,有黏结钝化的现象.结合EDS图表明,添加二乙基羟胺后,碳钢表面检测出氧元素,说明碳钢表面生成一层氧化物,该氧化物为FeO氧化膜.在添加复配物后,碳钢表面出现Cu元素,说明有一部分铜附着在了碳钢的表面.结合以上表征结果进行分析,铜氨络合物和二乙基羟胺复配物对碳钢的缓蚀保护主要归因于以下3点:① 铜氨络合物能催化二乙基羟胺的除氧性能,使得水体中溶解氧的大幅度降低,从根源上降低了吸氧腐蚀;② 二乙基羟胺具有很强的还原性,在铜氨络合物的催化下,将腐蚀过程中产生的FeO还原为FeO,从而在碳钢表面形成致密的氧化物薄膜,阻止碳钢表面发生氧侵蚀;③ 根据以前的研究,铜氨络合物能够溶解在水中并产生Cu,并发生反应Cu+Fe→Fe+Cu,生成的纳米铜会吸附在碳钢表面形成保护膜,从而起到一定的防腐蚀作用.因此,添加二乙基羟胺和铜氨络合物后,氧化物薄膜和纳米铜吸附层的生成使碳钢表面变得暗淡(见图7(a)).此外,如图7(b)所示,在仅添加二乙基羟胺的条件下,经过7 d后碳钢表面发生严重腐蚀变黑,且瓶底有黄色腐蚀产物.而加入二乙基羟胺和铜氨络合物复配物后,经过2~7 d的测试,碳钢表面仍旧没有明显的腐蚀痕迹.即使经过30 d,碳钢不但完好如初,且瓶底几乎没有腐蚀产物.综上所述,铜氨络合物和二乙基羟胺复配后,不但具有优异的除氧性能,还对碳钢表面起到长久高效的缓蚀保护作用.

..电化学腐蚀性能测试 碳钢挂片在未添加和分别添加70 mg/L二乙基羟胺、70 mg/L二乙基羟胺+8 mg/L铜氨络合物的模拟溶液中分别进行电化学测试.图9所示为腐蚀挂片在3种溶液中塔菲尔极化曲线的谱图,图中:为相比于参比电极(参比电极为饱和甘汞电极)的电极电位;为电流密度.然后运用CHI-760E型电化学工作站配套软件进行处理分析.计算结果见表2.从表中可以看出,相比于碳钢挂片在空白水体中的腐蚀电位(-0.543 1 V),添加药剂之后碳钢表面的腐蚀电位显著提高,其中添加二乙基羟胺和铜氨络合物复配物后碳钢表面的腐蚀电位最高(-0.270 3 V).说明FeO氧化物薄膜的生成和纳米铜的吸附能影响碳钢表面电极反应的进行,提高腐蚀电位.在未添加缓蚀剂的模拟液中,碳钢的腐蚀电流密度为7.725×10A/cm,加入二乙基羟及其复配物后腐蚀电流密度均降低,分别为5.021×10A/cm和8.89×10A/cm,该测试结果与碳钢的缓蚀测试结果一致.除氧实验和碳钢腐蚀实验可得,铜氨络合物不仅能催化二乙基羟胺的除氧能力,有效降低碳钢表面的氧腐蚀,还能提高腐蚀电位和降低腐蚀电流密度,进一步增强二乙基羟胺对碳钢的缓蚀能力.

3 结论

铜氨络合物和二乙基羟胺复配后可作为除氧缓蚀剂.研究铜氨络合物添加前后,二乙基羟胺的除氧性能及其对碳钢缓蚀性能的影响,得到如下结论.

(1)单独使用二乙基羟胺作为除氧剂时,其除氧率较低.添加铜氨络合物后,二乙基羟胺的除氧能力大幅提升.在15 ℃时,水中溶解氧除氧最经济有效的试剂添加量为70 mg/L二乙基羟胺和8 mg/L铜氨络合物.

(2)二乙基羟胺的除氧性能随着pH值和温度的增大而增大.添加铜氨络合物后,二乙基羟胺的除氧性能得到提升.在pH≥7或30~70 ℃的温度区间时,除氧率均能保持在95%以上.铜氨络合物和二乙基羟胺的复配物适用于高温、中性至碱性的水体除氧.

(3)铜氨络合物能提高二乙基羟胺对碳钢的缓蚀能力.添加铜氨络合物和二乙基羟胺复配物后,碳钢表面生成FeO保护膜和纳米铜吸附层,降低了腐蚀电流密度,抑制了碳钢的氧腐蚀.铜氨络合物和二乙基羟胺复配物对碳钢的缓蚀率达到96.2%.

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