Исследование влияния ортофосфата цинка на коррозию труб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния ортофосфата цинка на коррозию труб

Аль Дулайми Салман Давуд,

магистрант Московского государственного

строительного университета

Коррозия является одной из самых сложных и дорогостоящих проблем, стоящих перед предприятиями коммунального обслуживания, осуществляющими снабжение населения питьевой водой. Коррозия металлических труб может привести к экономическим потерям, жалобам потребителей и представляет серьезный риск для здоровья людей.

Коррозия систем подачи питьевой воды и выброс загрязнителей в поданную воду зависит и от материала, который подвержен коррозии, и от воды, которая вступает в контакт с этим материалом. Время контакта воды с материалом сильно влияет на уровень содержания металлов в питьевой воде. Поэтому первоочередной механизм защиты, призванный уменьшить поступление загрязнителей из питьевой воды, это удаление материалов, поступивших в воду из систем подачи воды до того, как вода будет потребляться людьми.

Ингибиторы коррозии. Ингибирование коррозии означает замедление реакции коррозии или её устранение (что означает очень низкую скорость реакции коррозии). Традиционно применялись анодные или катодные ингибиторы коррозии, или же оба типа. Различие между ними в системах подготовки питьевой воды становится весьма проблематичным по следующим причинам. Во-первых, в отличие от обычных лабораторных тестовых систем, водопроводные сети и обслуживающие линии (соединения между водопроводными линиями и зданиями или строениями) представляют собой конструкции разного возраста и имеют на внутренних поверхностях труб многослойный налёт сложного состава, различный при одинаковых условиях протекания процесса коррозии. Иногда новые водопроводные системы в здании эксплуатируются совместно со старыми. Во-вторых, вещества, осаждённые на поверхностях труб в ходе анодных или катодных реакций, могут сместить величины токов и потенциалов на анодных и катодных позициях [1].

В литературе по водоподготовке различаются механизмы ингибирования коррозии, основанные на тестировании качества воды в лабораторных и полевых условиях. Известно, что часто анионы при их низкой концентрации способствуют коррозии таких металлов как железо и медь, но при более высокой концентрации они способствуют пассивации поверхности этих металлов. Показатель pH - наиболее важный параметр при изучении протекания процесса коррозии в присутствии ингибиторов. Часто величина pH существенно снижается из-за выделения водорода на катодных позициях. В слабо буферизованных водных растворах добавление хлора или кислотных растворов ингибиторов может привести к снижению pH воды, что необходимо для образования пассивной плёнки. Применение ингибиторов коррозии при подготовке питьевой воды сильно ограничено из-за того, что они могут представлять опасность для здоровья потребителей воды. Таким образом соединения, основанные на солях хрома, и органические соединения не могут применяться при подготовке питьевой воды. Успешное использование ингибиторов коррозии в значительной мере основывается на применении метода проб и ошибок и зависит как от качества воды так и от условий в системе водоснабжения. Эффективность использования ингибиторов коррозии в значительной мере зависит от наличия остаточного содержания ингибиторов во всей системе водоснабжения и от кислотности (pH) и щёлочности воды.

Ортофосфат цинка. Результаты последних исследований процесса коррозии указывают на то, что одно лишь регулирование величины pH / щёлочности может оказаться недостаточным для существенного снижения уровня концентрации металлов в водопроводных системах (вблизи вентилей) до их допустимых значений. В этих исследованиях было установлено, что из трёх испытанных ингибиторов химической коррозии, наилучшие результаты показал ортофосфат цинка (ZOP) при регулировании выщелачивания свинца и, возможно, коррозии меди. Многочисленные исследования подтверждают эффективность применения ортофосфата цинка при снижении уровня концентрации свинца [2, 3, 4, 5, 6]. Вообще считается, что использование ZOP более эффективно при регулировании коррозии свинца чем коррозии меди [7]. Тем не менее, в одном исследовании были получены хорошие результаты по снижению уровня коррозии меди. Ортофосфат цинка не изменяет коррозионные характеристики воды, но снижает уровень коррозии посредством образования очень тонкой (в диапазоне 2-10 мкм) защитной барьерной плёнки на поверхности металла. Предполагается, что ингибиторы на основе фосфатов в некоторой степени также способствуют ингибированию анодных реакций и их действие может быть усилено присутствием цинка, кальция или магния, влияющих на катодные снижения уровня концентрации кислорода у поверхности металла [8]. Пока нет ясного понимания механизма образования барьерной плёнки.

Описание контуров водопровода

Рисунок 1 представляет схему системы контуров водопровода. При установке были предусмотрены семь параллельных, независимых, контуров водопровода, через которые могла бы протекать вода. Источник воды для функционирования данной системы контуров трубопровода - поток сырой воды из резервуара №1 (тенк 1), давление которого было уменьшено и отрегулировано для поддержания постоянного давления в опытной установке. Для регулирования расхода воды в контурах водопровода на уровне 15 л/мин., что в итоге обеспечивает требуемую скорость протекания воды через медные змеевики водопровода - приблизительно 2,6 фута (0,79 м) в секунду, использовались шаровые клапаны.

Эта скорость аналогична той, что используется в бытовых водопроводах и той, которая использовалась в предыдущих исследованиях по регулированию процесса коррозии в данной опытной установке. Каждый из семи шаровых клапанов снабжен ротаметром, используемым для мониторинга расхода воды и химикатами, которые использовались для обеспечения надлежащей обработки воды во всех семи контурах системы.

Рис. 1. Схема системы контуров водопровода

Контур 1 был контрольным, поэтому в нём не было отверстий для впрыска. Действующие статические смесители были расположены после отверстий для впрыска для обеспечения быстрого смешивания вводимых химикатов с водой. На каждой линии после статических смесителей был установлен кран (вентиль) для забора образцов воды для осуществления ежедневного контроля и анализа качества воды.

После этого, на каждом контуре была установлена протяженная прямая труба из поливинилхлорида (ПВХ). Вниз по ПВХ трубе, каждый контур состоял из трех секций бытового водопровода, выполненных из разных материалов: медный змеевик водопровода, свинцовый припой змеевика и латунный кран. Вода могла быть изолирована в каждой секции, тем самым осуществлялось её застаивание в течение требуемого времени, после чего из каждой секции могли быть взяты образцы для анализа. Медная секция водопровода состояла из 84-футового (25,6-метрового) змеевика диаметром дюйма, мягкого L-образного медного шланга, каждые 4 фута которого были спаяны свинцово-оловянным припоем. Всё это было сделано для того, чтобы смоделировать типовой бытовой водопровод.

Сразу после каждого медного змеевика была установлена пластмассовая однолитровая канистра, содержащая свинцово-оловянный (50%:50%) припой массой примерно 500 г. При протекании воды через данную систему, она циркулировала через канистры и припой в них так, чтобы припой всегда был погружён в воду.

На выходе каждого контура находился латунный кран с двумя рычагами, типичный для бытовых водопроводов. Краны выпускали воду в чаны, содержащие гранулированный активизированный уголь, так что вода была отфильтрована до поступления в резервуар.

Электронный таймер допускал автоматическое включение и отключение системы контуров водопровода.Он управлял шаровым клапаном с электроприводом, который позволял открывать путь потоку воды и запускать насосы, обеспечивавшие подачу химикатов для соответствующей обработки воды в каждом контуре. Также предусматривалось ручное управление.

Система контуров водопровода допускала семь различных вариантов обработки воды. Система подачи химикатов доставляла указанные химикаты к отверстиям для впрыска в каждом контуре.

Каждый из семи идентичных контуров предназначался для следующих видов обработки воды:

1. Контур 1 был контрольным перед обработкой, так что никакие химикаты в него не вводились и через этот контур протекала лишь сырая исходная вода из резервуара №1.

2. В контуре 2 уровень pH повышен до 8, а щелочность - до 20 мг/л введением CaC0₃.

3. В контуре 3 pH повышен до 8, а щелочность - до 30 мг/л введением CaC0₃.

4. В контуре 4 pH повышен до 9, а щелочность - до 20 мг/л введением CaC0₃.

5. В контуре 5 pH повышен до 9, а щелочность - до 30 мг/л введением CaC0₃.

6. В контуре 6 содержался ортофосфат цинка в количестве 0.37 мг/л. Кроме того, pH был повышен до 7, а щелочность - до 20 мг/л введением CaC0₃.

7. В контуре 7 содержался ортофосфат цинка в количестве 1.0 мг/л. Кроме того, pH был повышен до 7.5, а щелочность - до 20 мг/л введением CaC0₃.

Таблица 1

Обобщенные данные по установке обработки воды

Рис. 2. наглядно демонстрирует проведение каждого вида обработки воды. На диаграмме показаны средние значения концентраций для меди, свинца и цинка (за вычетом ортофосфата цинка ZOP) в водопроводных трубах, паяных трубах и кранах для каждого контура. Из всех рассмотренных контуров, в контурах с ортофосфатом цинка ZOP наблюдались самые низкие значения концентраций выщелачиваемых металлов. В сравнении с контурами с изменением pH/ щёлочности, в контуре 4 наблюдалась самая низкая средняя концентрация меди (рис. 3), а в контуре 2 - самая низкая средняя концентрация свинца (рис. 4). Однако при сравнительном рассмотрении каждого вида обработки воды невозможно определить оптимальный режим обработки и сделать выбор между вариантами изменения pH/щёлочности или между различными вариантами использования ортофосфата цинка (ZOP).

Рис. 2. Средняя относительная подвижность металла в трубах, местах паяных соединений и кранах для меди, свинца и цинка

Рис. 3. Средняя общая концентрация меди в трубах, местах паяных соединений и кранах

Рис. 4. Средняя общая концентрация свинца в трубах, местах паяных соединений и кранах

Целью данного исследования было:

1. Сравнение относительной эффективности различных вариантов изменения pH/ щёлочности раствора при снижении концентрации меди и свинца в образцах стоячей воды.

2. Определение эффективности использования ортофосфата цинка для снижения концентрации меди и свинца и сравнение эффективности использования двух различных дозировок ортофосфата цинка.

3. Определение возможного влияния различной продолжительности периода застаивания воды на концентрацию металлов и на эффективность использования ортофосфата цинка (ZOP).

Результаты выполненного исследования позволили сделать следующие выводы:

Обработка воды с изменением pH/ щёлочности оказалась неэффективной при снижении концентрации металлов в образцах стоячей воды до значений ниже контрольных.

При сравнении контуров с изменением pH/щёлочности не оказалось возможным определить оптимальную комбинацию значений pH/щёлочности для снижения концентрации обоих металлов. В контуре 2 (pH 8/ щёлочность 20 мг/л) и контуре 3 (pH 8/щёлочность 30 мг/л) были получены лучшие результаты по снижению концентрации свинца, а в контуре 4 (pH 9/щёлочность 30 мг/л) была достигнута самая низкая средняя концентрация меди.

Обработка воды с изменением её pH/ щёлочности в некоторой степени привела к защите от коррозии в проточной воде.

Более длительный период застаивания воды (16 часов) в контурах с изменением pH/ щёлочности не привёл к повышению концентрации металлов по сравнению с более кратким периодом (8 часов).

Концентрация свинца очень сильно снизилась во всех контурах с изменением pH/ щёлочности в течение последних четырёх месяцев проведения данного исследования.

Применение ортофосфата цинка (ZOP) было эффективным при снижении концентрации как свинца так и меди в образцах стоячей воды; однако оно было несколько менее эффективно при замедлении процесса выщелачивания меди, чем процесса выщелачивания свинца.

Более высокая дозировка ортофосфата цинка (ZOP) способствовала более быстрому снижению концентрации свинца в процессе проведения данного исследования, чем более низкая дозировка ZOP. В целом, снижение концентрации металлов было сравнимым при применении обеих дозировок ингибитора.

При более высокой дозировке ортофосфата цинка (ZOP) наблюдались более высокие концентрации меди и цинка в случае более длительного периода застаивания воды; для обоих периодов застаивания воды наблюдались некоторые проблемы, связанные с образованием пиковых значений концентраций цинка.

коррозия питьевой ортофосфат цинк

Литература

1. Fontana, M. G., Corrosion Engineering, 3rd Ed., McGraw Hill, Inc., New York, NY, 1986.

2. Maloney, S. W., P. M. Temkar and RJ. Scholze Jr. «Lead control in drinking water for the US Army-lessons learned in research and applications». In Proceedings of the 1993 Joint CSCE-ASCE National Conference on Environmental Engineering. Montreal, (1993), pp 1639-1646.

3. Neuman, W.E «AWWC experience with zinc orthophosphate treatment». Journal NEWWA, Vol. 109 NO.3 (1995), pp 57-60.

4. Porter RL. and J.F. Ferguson. «Improved monitoring of corrosion processes». Journal AWWA, Vol. 87, No. 11 (1995), pp 85-95.

5. Becker, W.C., RH. Moser, W.E. Neuman, J.S. Young, Jr., and RG. Lee. «Complying with the lead and copper rule-effect of treatment strategies-a utility engineer's perspective». In Proceedings of the 1993 Joint CSCE-ASCE National Conference on Environmental Engineering. Montreal, (1993), pp 1631-1637.

6. Lee, RG., W.C. Becker, and D.W. Collins. «Lead at the tap: sources and control». Journal AWWA, Vol. 81, NO.7 (1989), pp 52-62.

7. Reiber, S.H. «Copper plumbing surfaces: an electrochemical study». Journal AWWA, Vol. 81, NO.7 (1989), pp 114-122.

8. Reiber, S. H. «Galvanic stimulation of corrosion on lead-tin solder sweated joints». Journal AWWA, Vol. 83, NO.7 (1991), pp 83-91.

Размещено на Allbest.ru