水基纳米流体对金属腐蚀及腐蚀抑制机理的研究

Nanofluids have become a research hotspot for its remarkable energy efficiency in recent years. Water-based nanofluid is a promising coolant, and the possibility of future alternative to traditional cooling water used in various heat exchange systems is great. Preliminary studies have found that the addition of high active nanoparticles to water could cause the changes of physical chemictry properties of metal/water interface and the cooling water, and therefore causing changes in mechanism of metal corrosion and control. This results in a new corrosion system: metal corrosion in nanofluids. To better understand this corrosion system, this project is focus on the corrosion behavior of metals and corrosion inhibition mechanism in various nanofluids. Several metals and alloys commonly used in heat exchange cooling water systems will be applied as target materials in this project. Electrochemical measurements combined with solution analysis, structural analysis and surface analysis techniques will be employed to investigate the characteristics of metal/nanofluid interface, physical chemistry properties of water-based nanofluids, surface composition and structure and the processes of electrochemical corrosion of metallic materials in metal-nanofluid systems. By the investigation of adsorption characteristics and surface activity of nanoparticles, the interaction mechanism of nanoparticles with corrosion-scale inhibitors, the inhibition mechanism of corrosion-scale inhibitors in water-based nano fluids and their effects on the anti-corrosion performance of metals will be revealed. The corrosion mechanism of metals and the inhibition mechanism of corrosion-scale inhibitors in water-based nanofluids will be achieved finally.

纳米流体因其显著的节能效益而成为近年来研究热点。水基纳米流体是一种很有前景的冷却剂，未来替代传统冷却水应用于各类热交换系统的可能性很大。初步研究发现，高活性纳米颗粒的加入将引起金属/水界面及冷却水物理化学性质变化，从而引起金属腐蚀与控制机制的变化。因而产生一种新的腐蚀体系--纳米流体中金属的腐蚀。为了深入认识这种腐蚀体系，本项目就纳米流体对金属的腐蚀行为、规律及腐蚀抑制机理展开研究。 本项目以热交换冷却水系统常用金属材料为研究对象，采用电化学测量方法并结合溶液分析、结构分析和表面分析技术研究金属/纳米流体界面特性、水基纳米流体物理化学性质、金属-纳米流体体系中金属表面状态及金属电化学腐蚀过程和规律；通过纳米颗粒的吸附特性、表面活性及其与缓蚀阻垢剂的相互作用机制研究，揭示水基纳米流体中缓蚀阻垢剂作用机理及对金属缓蚀性能影响。为深入认识水基纳米流体中金属腐蚀机理和防腐蚀方法提供理论和方法支持。

纳米流体是一种新型传热介质，因其具有显著节能效益而成为近年来研究热点。水基纳米流体是非常有前景的冷却介质，在国外已进入小范围应用阶段。过去对纳米流体的研究多集中在制备与传热性能研究方面，有关纳米流体对热交换金属腐蚀行为的研究较少。本项目通过电化学测试、表面分析和溶液分析等技术重点研究了Al2O3、TiO2、SiO2、碳纳米流体中黄铜腐蚀行为和腐蚀机理、纳米颗粒对缓蚀剂性能的影响；研究了不同纳米颗粒对水中碳酸钙垢形成和抑制行为的影响及机制，以及纳米颗粒对化学阻垢剂性能影响。.模拟冷却水（SCW）中Al2O3纳米颗粒和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对黄铜腐蚀行为的研究表明，黄铜在SCW-Al2O3纳米流体中发生较严重的脱锌腐蚀，主要腐蚀产物为Zn5(OH)6(CO3)2，Al2O3纳米颗粒同时促进了黄铜的阳极和阴极过程，这与纳米颗粒促进介质中氧和腐蚀产物的传质过程有关。模拟水中SDBS可在黄铜表面吸附成膜，对黄铜具有一定保护作用；在SCW-SDBS-Al2O3纳米流体中SDBS在黄铜表面的吸附作用更强，这与纳米颗粒提高了SDBS的临界胶束浓度、以及正电性的Al2O3纳米颗粒与SDBS阴离子之间存在静电吸附有关。Al2O3纳米颗粒降低了BTA对黄铜的缓蚀性能。.黄铜在TiO2纳米流体中的腐蚀行为研究表明，TiO2纳米颗粒促进了黄铜的腐蚀，降低了SDBS对黄铜的缓蚀作用；在SCW和SCW-TiO2纳米流体中黄铜表面由Cu2O内层和Zn5(CO3)2(OH)6外层组成；在SCW-SDBS-TiO2纳米流体中，黄铜表面主要存在Cu2O层，未见明显的SDBS吸附膜和锌腐蚀产物，腐蚀产物主要以离子形式进入溶液。TiO2纳米颗粒抑制了SDBS在黄铜表面的吸附，可能与带负电的TiO2纳米颗粒与SDBS阴离子在黄铜表面的竞争吸附有关。.研究了Al2O3纳米流体中阻垢剂PBTCA（2-膦酰丁烷-1,2,4-三羧酸）对CaCO3的阻垢性能及阻垢机理，结果显示，PBTCA具有较好的溶液阻垢和表面阻垢性能；在Al2O3纳米流体中，PBTCA的溶液阻垢性能下降。Al2O3纳米颗粒显著缩短了含PBTCA的成垢溶液中CaCO3的成核诱导期，减弱了PBTCA对成垢离子的络合增溶作用，使PBTCA的溶液阻垢性能下降；但Al2O3纳米颗粒促进了文石碳酸钙的生成，具有一定的表面阻垢性能。