摘要

基于再(zai)生(sheng)水(shui)(shui)(shui)管(guan)(guan)道(dao) （無內襯(chen)球墨鑄鐵管(guan)(guan)） 腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)模(mo)擬實驗(yan)裝置，選取(qu)pH、總(zong)硬(ying)度、SO42-和(he)Cl-等開展(zhan)多水(shui)(shui)(shui)質(zhi)因素腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)實驗(yan)，采用電(dian)(dian)化學測試方(fang)法(fa)和(he)掛片失(shi)重(zhong)法(fa)，研究了再(zai)生(sheng)水(shui)(shui)(shui)管(guan)(guan)道(dao)的(de)瞬時腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率、平均(jun)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率與(yu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)垢層阻(zu)抗特(te)性(xing)的(de)變(bian)化規律(lv)。結果表明(ming)，電(dian)(dian)化學測試所(suo)得(de)瞬時腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率、掛片失(shi)重(zhong)法(fa)所(suo)得(de)平均(jun)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率與(yu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)垢層阻(zu)抗變(bian)化規律(lv)具(ju)有一致性(xing)。正交試驗(yan)結果表明(ming)，水(shui)(shui)(shui)質(zhi)因素對(dui)球墨鑄鐵管(guan)(guan)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)影響程度排(pai)序(xu)為：pH＞總(zong)硬(ying)度＞SO42-＞Cl-；偏酸(suan)性(xing)、低硬(ying)度的(de)水(shui)(shui)(shui)體更易(yi)造成管(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)，且水(shui)(shui)(shui)體低pH對(dui)管(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)最為明(ming)顯；偏堿性(xing)的(de)水(shui)(shui)(shui)體在減(jian)少管(guan)(guan)壁(bi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)同時，促進(jin)管(guan)(guan)道(dao)形(xing)成管(guan)(guan)垢保(bao)護管(guan)(guan)壁(bi)；陰離子濃度越高(gao)，垢層擴散阻(zu)抗值(zhi)越小，垢層越不穩定。

關鍵詞(ci)： 再生(sheng)水； 管(guan)道(dao)腐(fu)蝕(shi)(shi)； 瞬(shun)時(shi)腐(fu)蝕(shi)(shi)速率； 平均腐(fu)蝕(shi)(shi)速率； 腐(fu)蝕(shi)(shi)垢層阻(zu)抗

近年來(lai)，在我(wo)國(guo)城鎮化建設過程中(zhong)，水(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)短缺問題日(ri)益(yi)凸顯，作(zuo)為城市(shi)(shi)“第二水(shui)(shui)源(yuan)(yuan)(yuan)”的城市(shi)(shi)污水(shui)(shui)再生(sheng)利用工程備受關注。我(wo)國(guo)污水(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)化利用技術(shu)在“十(shi)五(wu)”至“十(shi)二五(wu)”期間(jian)發展迅猛(meng)，多項示范工程得到推廣，并逐步將再生(sheng)水(shui)(shui)供(gong)(gong)(gong)水(shui)(shui)管網納(na)入城市(shi)(shi)供(gong)(gong)(gong)水(shui)(shui)規劃當中(zhong)[1]。面對我(wo)國(guo)水(shui)(shui)資源(yuan)(yuan)(yuan)嚴峻匱乏及(ji)水(shui)(shui)源(yuan)(yuan)(yuan)水(shui)(shui)遭受污染(ran)的現狀(zhuang)，再生(sheng)水(shui)(shui)技術(shu)有(you)效(xiao)地(di)緩解(jie)了我(wo)國(guo)城市(shi)(shi)用水(shui)(shui)的供(gong)(gong)(gong)需緊張難(nan)題，為“綠(lv)水(shui)(shui)青山(shan)”建設提供(gong)(gong)(gong)了強(qiang)有(you)力(li)的支(zhi)持(chi)[2]。

目前，國(guo)內(nei)(nei)外的(de)(de)(de)(de)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)回(hui)用在(zai)輸配過(guo)(guo)程中仍(reng)存在(zai)一定(ding)的(de)(de)(de)(de)待解難題(ti)。因再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)質(zhi)特(te)殊(shu)，其(qi)與(yu)管(guan)(guan)(guan)道(dao)內(nei)(nei)壁(bi)表(biao)面(mian)反應復(fu)雜，加(jia)速管(guan)(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，進(jin)而引(yin)起管(guan)(guan)(guan)網(wang)的(de)(de)(de)(de)漏(lou)損和爆管(guan)(guan)(guan)等(deng)問(wen)題(ti)。劉喆等(deng)[3]通過(guo)(guo)失(shi)重法(fa)和電化學法(fa)考察了(le)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)對鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)特(te)性，并(bing)考察了(le)初始pH和含鹽量(liang)對鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影響。張雅君等(deng)[4]基于碳(tan)鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)網(wang)水(shui)(shui)(shui)質(zhi)條(tiao)件和水(shui)(shui)(shui)力流(liu)動狀態，從腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速率、Fe釋放等(deng)方(fang)面(mian)，研(yan)(yan)(yan)究了(le)Larson指數(shu)對碳(tan)鋼(gang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影響。Liu等(deng)[5]通過(guo)(guo)分析鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)管(guan)(guan)(guan)道(dao)內(nei)(nei)微生(sheng)(sheng)(sheng)物生(sheng)(sheng)(sheng)長與(yu)管(guan)(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)關系得(de)出，再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)中豐富(fu)的(de)(de)(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物是(shi)引(yin)起管(guan)(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)主要(yao)原因之一。Lee等(deng)[6]通過(guo)(guo)比較研(yan)(yan)(yan)究自來水(shui)(shui)(shui)和再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)對不(bu)同管(guan)(guan)(guan)材 （鍍鋅鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)、鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)管(guan)(guan)(guan)、不(bu)銹鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)和聚氯(lv)(lv)乙烯管(guan)(guan)(guan)） 的(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)道(dao)內(nei)(nei)壁(bi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)影響，評價了(le)相關緩蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)劑對不(bu)同管(guan)(guan)(guan)材腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)減緩效果。Cui等(deng)[7]研(yan)(yan)(yan)究了(le)不(bu)銹鋼(gang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)垢和腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)鈍化膜(mo)的(de)(de)(de)(de)形態、礦物學和化學特(te)征，揭示了(le)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)通過(guo)(guo)不(bu)銹鋼(gang)管(guan)(guan)(guan)輸送時的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)行(xing)為，通過(guo)(guo)表(biao)征及光譜法(fa)檢測得(de)到(dao)結論：不(bu)銹鋼(gang)的(de)(de)(de)(de)局部(bu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)行(xing)為與(yu)再(zai)(zai)生(sheng)(sheng)(sheng)水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)余氯(lv)(lv)、溶解氧 （DO）、Cl-、SO42-等(deng)水(shui)(shui)(shui)質(zhi)參數(shu)有關。

然而，國(guo)內外眾多(duo)(duo)學(xue)者對(dui)再(zai)生水(shui)(shui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道的(de)(de)研究(jiu)大(da)多(duo)(duo)集中在不同管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)材(cai)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)情況(kuang)，以及(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道內微生物、消(xiao)毒劑、再(zai)生水(shui)(shui)水(shui)(shui)質等因(yin)素(su)(su)對(dui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)材(cai)腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)影響。由于再(zai)生水(shui)(shui)對(dui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)是(shi)多(duo)(duo)種(zhong)因(yin)素(su)(su)共同作用的(de)(de)結果，故本文搭建了再(zai)生水(shui)(shui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道 （無內襯球墨鑄鐵） 腐(fu)蝕(shi)(shi)模擬實驗裝置，探索多(duo)(duo)水(shui)(shui)質因(yin)素(su)(su)條件下再(zai)生水(shui)(shui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道的(de)(de)電(dian)化學(xue)腐(fu)蝕(shi)(shi)過程，分(fen)析水(shui)(shui)質因(yin)素(su)(su)對(dui)再(zai)生水(shui)(shui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道腐(fu)蝕(shi)(shi)的(de)(de)影響，以期(qi)為研發實用的(de)(de)再(zai)生水(shui)(shui)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道防腐(fu)技術提(ti)(ti)供理論依據，對(dui)多(duo)(duo)角(jiao)度掌控管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)道腐(fu)蝕(shi)(shi)規律以及(ji)(ji)保(bao)障(zhang)再(zai)生水(shui)(shui)系統運營安全(quan)提(ti)(ti)供參考數據。

1 實驗方(fang)法

1.1 實驗設計

實(shi)(shi)驗(yan)用水(shui)(shui)取自天(tian)(tian)津市某再生水(shui)(shui)廠泵房出水(shui)(shui)，實(shi)(shi)驗(yan)期間每(mei)天(tian)(tian)對水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)指標(biao)(biao)進(jin)行監測，各指標(biao)(biao)均(jun)值見(jian)表(biao)1。選取pH值、總硬度(du)、SO42-與Cl-為控制指標(biao)(biao)，根據水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)波動情況選取各指標(biao)(biao)的3個水(shui)(shui)平梯(ti)度(du)，設計L9（34） 試(shi)驗(yan)，模擬多因素(su)水(shui)(shui)質(zhi)(zhi)條件下管道的腐蝕情況，各組(zu)實(shi)(shi)驗(yan)進(jin)行5~7 d，正交試(shi)驗(yan)設計見(jian)表(biao)2。本實(shi)(shi)驗(yan)研究(jiu)的管材采用球(qiu)墨(mo)鑄(zhu)鐵(tie)管及相應材質(zhi)(zhi)的掛片(pian)，管材化學(xue)成分(fen) （質(zhi)(zhi)量分(fen)數(shu)，%） 為：Mn 0.500，Fe 93.705~94.635，C 3.596~3.780，S 0.026，Si 1.200~1.900，P 0.068。

表(biao)1   再生(sheng)水廠(chang)出水水質指標

表2   正交試(shi)驗方(fang)案表

為(wei)(wei)滿(man)足實驗用水(shui)條件，以再生(sheng)水(shui)為(wei)(wei)基礎(chu)腐蝕介質(zhi)。實驗期(qi)間為(wei)(wei)夏季，室溫穩定(ding)在約28 ℃，實驗水(shui)溫為(wei)(wei)18~22 ℃。通過調(diao)節(jie)(jie)循環泵(beng)控制流(liu)量(liang)，調(diao)節(jie)(jie)電化學(xue)測試裝置內的水(shui)流(liu)速率為(wei)(wei)0.3 m/s。調(diao)節(jie)(jie)水(shui)箱內的O2/N2充氣裝置的進氣比例(li)，達到實驗所(suo)需DO濃度為(wei)(wei) （6±0.5） mg/L。使(shi)用稀(xi)(xi)HNO3溶液(ye)和(he)稀(xi)(xi)NaOH溶液(ye)調(diao)節(jie)(jie)pH，波動(dong)范(fan)圍為(wei)(wei)±0.05。預先將再生(sheng)水(shui)進行曝光24 h處理，使(shi)再生(sheng)水(shui)中總(zong)余(yu)氯含量(liang)基本為(wei)(wei)零；然后添加(jia)稀(xi)(xi)NaClO溶液(ye)調(diao)節(jie)(jie)總(zong)余(yu)氯，波動(dong)范(fan)圍為(wei)(wei)±0.5 mg/L。對于低于再生(sheng)水(shui)目(mu)標(biao)值(zhi)(zhi)的梯(ti)度水(shui)質(zhi)，按比例(li)使(shi)用蒸餾(liu)水(shui)稀(xi)(xi)釋。對于高于目(mu)標(biao)值(zhi)(zhi)的水(shui)質(zhi)，添加(jia)稀(xi)(xi)CaN2O6溶液(ye) （由基準CaCO3固體(ti)和(he)稀(xi)(xi)HNO3配制而成），調(diao)節(jie)(jie)總(zong)硬度，波動(dong)范(fan)圍為(wei)(wei)±5 mg/L；通過加(jia)入(ru)對應的鈉鹽NaCl與NaSO4，調(diao)節(jie)(jie)Cl-和(he)SO42-濃度。

本研究(jiu)的分析(xi)檢測(ce)(ce)法(fa)主要(yao)為電(dian)(dian)化學測(ce)(ce)試(shi)法(fa)和掛片(pian)失重(zhong)法(fa)。采用電(dian)(dian)化學動(dong)電(dian)(dian)位線性掃描法(fa)測(ce)(ce)算瞬時腐(fu)蝕(shi)速(su)率，使用電(dian)(dian)化學阻抗譜(pu) （EIS） 分析(xi)水(shui)質條(tiao)件對腐(fu)蝕(shi)垢層及腐(fu)蝕(shi)過程(cheng)的反應機理；通過掛片(pian)失重(zhong)法(fa)計算平均腐(fu)蝕(shi)速(su)率。本實驗的主要(yao)水(shui)質檢測(ce)(ce)項及方法(fa)見(jian)表3。

表3   水質(zhi)檢測項(xiang)及方法

1.2 實驗裝(zhuang)置(zhi)

1.2.1 電解池

本實驗(yan)在管道裝置的(de)基礎上采用電(dian)(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學工作(zuo)站進行檢測，通(tong)過開路(lu)電(dian)(dian)(dian)(dian)位和(he)線性極化(hua)(hua)采集(ji)數據(ju)。據(ju)相關實驗(yan)要求設計電(dian)(dian)(dian)(dian)解池(chi)，如圖1所示。電(dian)(dian)(dian)(dian)解池(chi)的(de)工作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)極為直徑1 cm可(ke)替換的(de)球墨鑄鐵片(pian)，參比電(dian)(dian)(dian)(dian)極為AgCl/Ag電(dian)(dian)(dian)(dian)極 （電(dian)(dian)(dian)(dian)極內鹽橋為配制(zhi)的(de)飽和(he)KNO3溶液），輔助(zhu)電(dian)(dian)(dian)(dian)極為鉑片(pian)電(dian)(dian)(dian)(dian)極 （2 cm×2 cm，厚0.3 mm）。球墨鑄鐵工作(zuo)電(dian)(dian)(dian)(dian)極預處(chu)理：依次用600#、800#、1000#、1200#、1500#和(he)2000#金相砂紙(zhi)逐級打磨，并用拋光(guang)粉拋光(guang)，丙酮中除油分，無水乙醇脫水，干燥24 h。

圖(tu)1   電解池構(gou)造圖(tu)

1.2.2 再生水管道腐(fu)蝕(shi)動態實(shi)驗裝置

以(yi)電(dian)(dian)解池(chi)為核心，與電(dian)(dian)解池(chi)串(chuan)聯(lian)搭建動態再生水(shui)(shui)管道腐蝕實驗模擬裝(zhuang)(zhuang)置，整套(tao)裝(zhuang)(zhuang)置水(shui)(shui)流順序為：水(shui)(shui)箱(xiang)(xiang)出水(shui)(shui)→蠕動泵→電(dian)(dian)解池(chi)→掛(gua)片裝(zhuang)(zhuang)置→水(shui)(shui)流循(xun)環回水(shui)(shui)箱(xiang)(xiang)。各裝(zhuang)(zhuang)置間(jian)以(yi)硅膠管連接，如圖2所示。設(she)置兩套(tao)裝(zhuang)(zhuang)置并聯(lian)，取其中一套(tao)作對照(zhao)實驗。柱形水(shui)(shui)箱(xiang)(xiang)蓋(gai)頂預留(liu)圓孔，用(yong)于溶(rong)解氧檢測與通氣(qi)；水(shui)(shui)箱(xiang)(xiang)底(di)部(bu)(bu)設(she)有(you)簡易(yi)曝氣(qi)裝(zhuang)(zhuang)置，通入氮氣(qi)以(yi)保持水(shui)(shui)源的(de)(de)溶(rong)解氧含(han)量(liang)穩定；掛(gua)片裝(zhuang)(zhuang)置中部(bu)(bu)沿再生水(shui)(shui)流動方向(xiang)裝(zhuang)(zhuang)有(you)6個可拆卸的(de)(de)球墨鑄鐵(tie)片，尺寸為2.5 cm×2.5 cm，厚(hou)7.5 cm。

圖(tu)2   動態循環(huan)再(zai)生水中(zhong)金(jin)屬(shu)腐蝕實驗裝(zhuang)置

1.3 電(dian)化學腐蝕測試方法

本研究使(shi)用(yong)CS350電化(hua)(hua)(hua)學工作站與測(ce)試軟件CorrTest結合(he)進行電化(hua)(hua)(hua)學檢測(ce)，分別對各(ge)(ge)(ge)組(zu)實驗在0~120 h內 （具體監測(ce)時間為(wei)5，24，48，72，96和120 h），采用(yong)動電位掃描(miao)-線性極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)測(ce)試的方(fang)法(fa)，監測(ce)各(ge)(ge)(ge)實驗組(zu)金屬(shu)電極(ji)(ji)(ji)的瞬(shun)時腐蝕速率變化(hua)(hua)(hua)。并在各(ge)(ge)(ge)組(zu)實驗進行至第120 h時進行動電位掃描(miao)-強極(ji)(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)測(ce)試，得(de)到(dao)(dao)穩定腐蝕期的腐蝕速率。待(dai)腐蝕速率達到(dao)(dao)穩定階段后，對各(ge)(ge)(ge)組(zu)進行EIS測(ce)試，得(de)到(dao)(dao)穩定腐蝕期的垢層電化(hua)(hua)(hua)學阻抗特征。

進行動電(dian)位掃(sao)描測試(shi)時，線(xian)性(xing)極化(hua)(hua)掃(sao)描電(dian)位為(wei)(wei)-0.015~0.015 V （相對開路電(dian)位），掃(sao)描速(su)率為(wei)(wei)0.5 mV/s；強極化(hua)(hua)掃(sao)描電(dian)位為(wei)(wei)-0.12~0.12 V （相對開路電(dian)位），掃(sao)描速(su)率為(wei)(wei)0.5 mV/s。電(dian)化(hua)(hua)學阻抗譜測試(shi)時，交(jiao)變幅(fu)值(zhi)為(wei)(wei)10 mV，頻率測試(shi)范圍為(wei)(wei)105~10-2 Hz。

1.4 掛片腐蝕失(shi)重實(shi)驗

為論證(zheng)瞬時(shi)腐蝕速(su)率(lv)變化(hua)規律，在電化(hua)學檢(jian)測實驗階段同(tong)時(shi)開展(zhan)了掛片(pian)(pian)腐蝕失重實驗，經過(guo)相同(tong)的實驗時(shi)長(chang)，并在對應時(shi)間點(dian)將與電解(jie)池(chi)工(gong)作(zuo)電極同(tong)材料的鑄鐵(tie)試片(pian)(pian)取出。以質量差(cha)的形式計算，求得平(ping)均腐蝕速(su)率(lv)v（mm/a）：

式中，Δm為質量損失，g；ρ為金屬試片密(mi)度(du)，g/cm3；S為金屬掛片表面積，cm2；t為腐蝕周期，h。

2 結果(guo)與討論

2.1 再(zai)生(sheng)水管(guan)道(dao)的(de)瞬時腐蝕速率(lv)

2.1.1 瞬時腐(fu)蝕速率(lv)隨時間的變化

基(ji)于(yu)各組實(shi)驗的線性極(ji)化(hua)曲(qu)(qu)線和(he)強極(ji)化(hua)曲(qu)(qu)線，分別通(tong)過Rp擬合(he)和(he)Tafel斜率(lv)外推法計算瞬時(shi)腐(fu)蝕(shi)速率(lv)[8]，繪制各組試樣瞬時(shi)腐(fu)蝕(shi)速率(lv)隨(sui)時(shi)間的變化(hua)曲(qu)(qu)線，見圖3。

圖3   瞬時腐蝕速率隨時間的(de)變化(hua)

由圖3可(ke)知，0~5 h內瞬時(shi)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)普遍(bian)偏高(gao)，說明(ming)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)初期反(fan)應(ying)最強烈(lie)，這(zhe)是由于(yu)在腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)初期管(guan)道(dao)內壁(bi)比(bi)較光滑，再(zai)生水中的(de)(de)離子與管(guan)道(dao)表(biao)面的(de)(de)Fe直接碰觸并反(fan)應(ying)[9]；在5~48 h時(shi)段(duan)內，各組(zu)瞬時(shi)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)快速(su)(su)下(xia)降，進(jin)入管(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)中期，管(guan)道(dao)內壁(bi)生成(cheng)的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物呈現(xian)出(chu)疏(shu)松多孔的(de)(de)形態，由光滑的(de)(de)管(guan)道(dao)壁(bi)面轉化為有腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物覆蓋的(de)(de)粗糙(cao)垢(gou)(gou)面，隨著垢(gou)(gou)層的(de)(de)進(jin)一步致密，腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)逐步降低；在48~120 h時(shi)間段(duan)，管(guan)壁(bi)表(biao)面開(kai)始形成(cheng)一層穩(wen)定的(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)垢(gou)(gou)層，導(dao)致腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)定在較低水平，腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)曲線基(ji)本呈現(xian)出(chu)平穩(wen)狀態。在水質(zhi)因素的(de)(de)差異影(ying)響(xiang)下(xia)，各組(zu)試(shi)樣腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)穩(wen)定值也(ye)表(biao)現(xian)出(chu)一定的(de)(de)差異，但(dan)基(ji)本穩(wen)定在0.1500~0.2500 mm/a。相(xiang)較于(yu)本課(ke)題組(zu)研究的(de)(de)自來水管(guan)道(dao)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv) （0.1000~0.1500 mm/a）[10]，在再(zai)生水中的(de)(de)穩(wen)定腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)率(lv)(lv)明(ming)顯要高(gao)。

2.1.2 水質因素的影(ying)響

在正(zheng)交試驗(yan)的(de)(de)(de)基礎上，以極差分(fen)析法研究多因素水(shui)平對管(guan)道腐(fu)蝕過程的(de)(de)(de)影響，極差分(fen)析見表4。由表4正(zheng)交試驗(yan)計(ji)算可得，各水(shui)質因素對腐(fu)蝕速率影響的(de)(de)(de)主次順(shun)序(xu)為：pH＞總硬度＞SO42-＞Cl-。

表4   瞬時(shi)腐(fu)蝕速率極差分析(xi)表

初始pH對腐(fu)(fu)蝕(shi)的影響較(jiao)為顯(xian)著，且pH越(yue)(yue)低，對腐(fu)(fu)蝕(shi)的促進作用越(yue)(yue)明(ming)顯(xian)。這主要是因為，酸(suan)性條件下H+濃(nong)度較(jiao)高(gao)，可以作為陰極去極化劑參與到球墨鑄鐵的電化學腐(fu)(fu)蝕(shi)過程中(zhong)；而在堿(jian)性環境下，管道表(biao)面會形成少量(liang)CaCO3積垢抑制腐(fu)(fu)蝕(shi)反應的發生。

總(zong)(zong)硬(ying)度(du)對(dui)腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)影(ying)響也較為明(ming)顯。水(shui)的(de)(de)(de)總(zong)(zong)硬(ying)度(du)為水(shui)體內的(de)(de)(de)Ca2+和(he)Mg2+的(de)(de)(de)總(zong)(zong)濃度(du)，其中碳酸(suan)鹽硬(ying)度(du)是(shi)水(shui)中Ca2+和(he)Mg2+以酸(suan)式的(de)(de)(de)碳酸(suan)鹽形式表現。因(yin)其具有多種陰陽離(li)子，較高硬(ying)度(du)的(de)(de)(de)水(shui)促進管(guan)道(dao)結(jie)垢、減緩腐(fu)蝕(shi)，所以總(zong)(zong)硬(ying)度(du)是(shi)影(ying)響再(zai)生水(shui)對(dui)管(guan)道(dao)腐(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)重要(yao)因(yin)素。

Cl-與SO42-對腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)作用較(jiao)弱。因(yin)它們(men)具有可穿透稀疏(shu)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)垢(gou)(gou)層的(de)特性，更易于進入(ru)到金(jin)屬表面(mian)，且能破壞已形成的(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)垢(gou)(gou)層。因(yin)此，在腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)初期(qi)，Cl-與SO42-對腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)影響較(jiao)明顯。但隨著時間的(de)推(tui)移，形成的(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)垢(gou)(gou)層逐步(bu)變得(de)更加密實(shi)，Cl-與SO42-對致密垢(gou)(gou)層的(de)穿透能力減弱，所以在腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)后期(qi)，Cl-與SO42-對管壁的(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)作用不明顯。

球墨鑄鐵(tie)管(guan)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)主(zhu)要表現(xian)為(wei)腐(fu)蝕(shi)性陰離子(zi)破壞原管(guan)壁表面成分組(zu)成的(de)(de)(de)(de)鈍化(hua)膜(mo)作(zuo)用[11]。球墨鑄鐵(tie)管(guan)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要垢層成分為(wei)FeOOH，體積較(jiao)小的(de)(de)(de)(de)Cl-和(he)SO42-能夠(gou)穿透鈍化(hua)膜(mo)層，取(qu)代該膜(mo)層間(jian)金屬(shu)離子(zi)的(de)(de)(de)(de)氫鍵(jian)，使(shi)得FeOOH的(de)(de)(de)(de)活性基團(tuan)遭(zao)到損壞并暴露出來，與Cl-和(he)SO42-發(fa)生微(wei)形(xing)態下的(de)(de)(de)(de)表面化(hua)學反應，導致Fe2+或(huo)Fe3+的(de)(de)(de)(de)釋放(fang)。又(you)因為(wei)硬度較(jiao)大時，SO42-已介入垢層的(de)(de)(de)(de)形(xing)成，且SO42-自身(shen)的(de)(de)(de)(de)電荷(he)量較(jiao)高，電子(zi)轉移(yi)能力優于Cl-[12,13]，故SO42-對管(guan)道(dao)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)蝕(shi)效果與Cl-相比(bi)較(jiao)為(wei)明顯。

本課題組(zu)之前研(yan)究過多(duo)因素對球墨(mo)鑄鐵(tie)管(guan)內襯(chen)-水泥砂漿管(guan)道的(de)腐蝕作(zuo)用(yong)[14]，結果表明(ming)Cl-比SO42-對水泥砂漿管(guan)道的(de)腐蝕作(zuo)用(yong)明(ming)顯，其機理是由于(yu)Cl-的(de)存(cun)在會促(cu)使Ca（OH）2的(de)溶出(chu)加速(su)，水泥砂漿會先在Cl-的(de)作(zuo)用(yong)下，消耗其中的(de)C3A（3CaO·Al2O3）；而SO42-只能與(yu)上述反應后剩余(yu)的(de)C3A反應，再(zai)進(jin)入下一階段的(de)腐蝕。由此可見，不(bu)同(tong)管(guan)材受水質影(ying)響(xiang)的(de)腐蝕情(qing)況(kuang)不(bu)盡相同(tong)。

2.2 再生(sheng)水管(guan)道的(de)平均(jun)腐(fu)蝕速率

正(zheng)交(jiao)試驗中，通過各組(zu)(zu)實(shi)驗求得單個掛(gua)片的平均(jun)腐蝕(shi)速(su)率，再在各組(zu)(zu)中求得組(zu)(zu)內(nei)的失重平均(jun)腐蝕(shi)速(su)率，計(ji)算方法見1.4，正(zheng)交(jiao)試驗方案見表2，9組(zu)(zu)平均(jun)腐蝕(shi)速(su)率分別為0.0727，0.0728，0.0627，0.0512，0.0769，0.0789，0.0539，0.0481和0.0699 mm/a。

通過各組(zu)(zu)(zu)(zu)平(ping)均腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)分析(xi)(xi)可知：（1） 初始pH對(dui)(dui)最(zui)(zui)終穩定后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)影(ying)響(xiang)(xiang)最(zui)(zui)大。初始pH為9的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第(di)(di)(di)4和8組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)低于(yu)(yu)其(qi)(qi)他組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，pH為9的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第(di)(di)(di)3組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)也(ye)處在(zai)較(jiao)(jiao)低水(shui)平(ping)。而(er)pH為6和7.5的(de)(de)(de)(de)(de)(de)其(qi)(qi)他6組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)終穩值與初始腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)差別較(jiao)(jiao)大，酸性再生水(shui)促進腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。Larson指(zhi)數(shu)與Langelier飽和指(zhi)數(shu)對(dui)(dui)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)傾向也(ye)說明，較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)pH在(zai)一(yi)(yi)(yi)定程度(du)(du)(du)(du)上(shang)可以抑制(zhi)Fe的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電化學腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)[15]。（2） 高(gao)(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)抑制(zhi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。第(di)(di)(di)1~3組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)明顯高(gao)(gao)于(yu)(yu)第(di)(di)(di)7~9組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。顯然(ran)，高(gao)(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)水(shui)質會抑制(zhi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)反應(ying)進行。推(tui)測可得，高(gao)(gao)硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)質易(yi)與水(shui)體(ti)內相(xiang)關(guan)離子結合，或易(yi)與初期管垢(gou)反應(ying)沉(chen)積在(zai)管壁(bi)附近，增厚垢(gou)層并使其(qi)(qi)緊密，減(jian)緩腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。（3） SO42-促進腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。SO42-值最(zui)(zui)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)為第(di)(di)(di)3、6、9組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)，這(zhe)3組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)其(qi)(qi)他因(yin)素均不(bu)一(yi)(yi)(yi)致且各有(you)(you)抑制(zhi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)因(yin)素值，但這(zhe)3組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)均處于(yu)(yu)中(zhong)等偏(pian)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)，推(tui)測SO42-對(dui)(dui)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)具有(you)(you)一(yi)(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)(de)促進作(zuo)用(yong)。這(zhe)3組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)相(xiang)較(jiao)(jiao)于(yu)(yu)Cl-濃(nong)度(du)(du)(du)(du)較(jiao)(jiao)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)第(di)(di)(di)3、5、7組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)而(er)言，腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)整體(ti)略高(gao)(gao)于(yu)(yu)后(hou)者的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。故初步分析(xi)(xi)認為，SO42-較(jiao)(jiao)Cl-對(dui)(dui)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)有(you)(you)著更為明顯的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)。（4） Cl-對(dui)(dui)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)(xiang)較(jiao)(jiao)小。比(bi)較(jiao)(jiao)Cl-濃(nong)度(du)(du)(du)(du)最(zui)(zui)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)3組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan) （第(di)(di)(di)3、5、7組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)），其(qi)(qi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)卻(que)(que)不(bu)都(dou)是(shi)最(zui)(zui)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，有(you)(you)高(gao)(gao)有(you)(you)低。分析(xi)(xi)其(qi)(qi)原因(yin)，第(di)(di)(di)5組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)最(zui)(zui)高(gao)(gao)，該組(zu)(zu)(zu)(zu)pH最(zui)(zui)低，是(shi)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)影(ying)響(xiang)(xiang)因(yin)素；第(di)(di)(di)7組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)較(jiao)(jiao)低，該組(zu)(zu)(zu)(zu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)pH處在(zai)中(zhong)等值，但硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)很(hen)高(gao)(gao)，是(shi)影(ying)響(xiang)(xiang)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)較(jiao)(jiao)低的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)因(yin)素之(zhi)一(yi)(yi)(yi)；第(di)(di)(di)3組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)，因(yin)其(qi)(qi)高(gao)(gao)SO42-、Cl-值、低硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)值促進腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，但高(gao)(gao)pH卻(que)(que)減(jian)緩了腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)，既(ji)有(you)(you)促進又有(you)(you)抑制(zhi)，二(er)者交互(hu)作(zuo)用(yong)使得腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)處于(yu)(yu)中(zhong)等值。此外，9組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)較(jiao)(jiao)高(gao)(gao) （0.2000 mm/a以上(shang)） 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)幾組(zu)(zu)(zu)(zu)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)，大都(dou)為pH低且硬(ying)(ying)(ying)度(du)(du)(du)(du)也(ye)低，而(er)Cl-濃(nong)度(du)(du)(du)(du)分布在(zai)整個(ge)實(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)梯度(du)(du)(du)(du)范(fan)圍(wei)，說明Cl-對(dui)(dui)腐(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)速(su)(su)(su)(su)(su)(su)率(lv)影(ying)響(xiang)(xiang)較(jiao)(jiao)小。

綜(zong)合比(bi)較，Cl-值(zhi)對(dui)腐蝕(shi)速率的影響程(cheng)度要小于pH和(he)硬度，Cl-和(he)SO42-對(dui)腐蝕(shi)速率的影響還待進一步(bu)考(kao)證。

2.3 再生水(shui)管道腐蝕垢層阻抗特性分(fen)析

2.3.1 垢層的電化學阻(zu)抗

本研究在各組實驗運行穩定(ding)后至第96 h時進行EIS測試，圖4為Nyquist圖，圖5是(shi)Bode圖。

圖4   正交試驗(yan)阻抗分析Nyquist圖

圖5   正交試(shi)驗阻抗分析(xi)Bode圖

從Nyquist圖(tu)可知，各(ge)組(zu)正交(jiao)試驗的電化學(xue)阻(zu)抗(kang)(kang)譜圖(tu)均由(you)高頻(pin)容抗(kang)(kang)弧和低頻(pin)Warburg阻(zu)抗(kang)(kang)兩段(duan)(duan)組(zu)成。容抗(kang)(kang)弧隨著(zhu)時(shi)間的發展(zhan)在(zai)逐漸變大(da)，說明(ming)腐(fu)蝕垢層一直在(zai)發展(zhan)，而出現Warburg阻(zu)抗(kang)(kang)則說明(ming)反應后期的腐(fu)蝕垢層較為致密，腐(fu)蝕產(chan)物已基本穩定。對Bode圖(tu)整體觀(guan)察可以看出，阻(zu)抗(kang)(kang)Z隨頻(pin)率的加大(da)，其變化并不(bu)顯著(zhu)。分析說明(ming)，在(zai)該(gai)階(jie)段(duan)(duan)雖然腐(fu)蝕反應還持續著(zhu)，但因腐(fu)蝕產(chan)物逐漸積(ji)累成的垢層會減緩腐(fu)蝕，轉而進入穩定的腐(fu)蝕階(jie)段(duan)(duan)。

由圖(tu)5可知(zhi)，實驗第(di)4、7、8組(zu)(zu)對應組(zu)(zu)內的(de)pH較(jiao)大、硬度(du)較(jiao)大、陰離子也處在中等水(shui)平，這幾組(zu)(zu)實驗的(de)阻抗(kang)(kang)弧(hu)半徑(jing)大于其(qi)他(ta)(ta)組(zu)(zu)的(de)；第(di)6組(zu)(zu)和第(di)9組(zu)(zu)阻抗(kang)(kang)弧(hu)半徑(jing)小(xiao)于其(qi)他(ta)(ta)幾組(zu)(zu)的(de)，這兩組(zu)(zu)pH最小(xiao)；第(di)2組(zu)(zu)阻抗(kang)(kang)弧(hu)半徑(jing)小(xiao)于其(qi)他(ta)(ta)幾組(zu)(zu)的(de)，該組(zu)(zu)硬度(du)最小(xiao)，其(qi)他(ta)(ta)影(ying)響(xiang)因(yin)素也處于較(jiao)低水(shui)平。綜合分析，pH和硬度(du)對阻抗(kang)(kang)值影(ying)響(xiang)較(jiao)大，偏堿性、高硬度(du)的(de)體系(xi)阻抗(kang)(kang)值較(jiao)大，從而(er)減緩腐蝕(shi)。

2.3.2 垢層阻抗與水質因素的影(ying)響

根據(ju)EIS圖(tu)出現(xian)了高頻(pin)容抗(kang)弧和(he)低頻(pin)Warburg阻抗(kang)的(de)特征，采用(yong)如(ru)下等效電(dian)(dian)路(lu)[16,17]（圖(tu)6） 對(dui)EIS數據(ju)進行擬(ni)合。其中，Rs為(wei)溶液電(dian)(dian)阻，Rf為(wei)腐(fu)蝕(shi)垢層的(de)等效電(dian)(dian)阻，C為(wei)腐(fu)蝕(shi)垢層的(de)等效電(dian)(dian)容，W為(wei)Warburg阻抗(kang)。

圖6   等效電路

基(ji)于(yu)圖6的等效電路，通過ZView2軟件對正交試驗的EIS數據(ju)進行(xing)擬合，結果見表5。

表(biao)5   等效電路擬合結(jie)果

該(gai)等(deng)效(xiao)電(dian)路由擴(kuo)(kuo)(kuo)散行為控制，擴(kuo)(kuo)(kuo)散速率取(qu)決于導(dao)納，即阻抗(kang)(kang)的(de)(de)倒數(shu) （用(yong)Y表示），Y越(yue)大，越(yue)易形成離(li)子擴(kuo)(kuo)(kuo)散。又(you)因導(dao)納與阻抗(kang)(kang) （Zw） 存在Zw=1/Y的(de)(de)關系，而作為阻抗(kang)(kang)Zw特(te)性的(de)(de)重要參數(shu)—W-R[18]，可將擴(kuo)(kuo)(kuo)散行為分(fen)析簡化(hua)成阻抗(kang)(kang)參數(shu)分(fen)析。由此選取(qu)正交試驗中W-R、Rs、Rf的(de)(de)變(bian)化(hua)量作圖7，以此對擴(kuo)(kuo)(kuo)散行為作定量評價(jia)。由圖7可知，Rf與W-R的(de)(de)變(bian)化(hua)規律(lv)近似，Rs的(de)(de)變(bian)化(hua)規律(lv)與Rf和W-R基本相反(fan)。

圖7   正交試驗阻抗值變(bian)化

阻(zu)抗(kang)分析(xi)最(zui)重要的是垢(gou)(gou)層(ceng)轉變(bian)部分。在水(shui)環境中作用于阻(zu)抗(kang)的陰離子(zi)(zi)主要是SO42-與Cl-，陰離子(zi)(zi)濃度高(gao)時可穿透垢(gou)(gou)層(ceng)，致(zhi)使垢(gou)(gou)層(ceng)難以維持穩定。按(an)實(shi)驗列組分析(xi)W-R的變(bian)化規律可知，第3、4、7、8組實(shi)驗的阻(zu)抗(kang)值(zhi)顯著高(gao)于其他(ta)組的，而這些組內的pH也較(jiao)大，說明初期(qi)pH能夠對垢(gou)(gou)層(ceng)生長(chang)起較(jiao)強的促進作用。由于Rf大于Rs，說明電子(zi)(zi)從腐蝕垢(gou)(gou)層(ceng)傳遞到金屬表面比(bi)電子(zi)(zi)從溶液傳遞到腐蝕垢(gou)(gou)層(ceng)更(geng)加困(kun)難。

對正交(jiao)試驗的擴散(san)阻抗做極(ji)差(cha)(cha)分(fen)(fen)析(xi)(xi)，以剖析(xi)(xi)垢層與各水質因(yin)素之間的關系(xi)。阻抗極(ji)差(cha)(cha)分(fen)(fen)析(xi)(xi)計算結果見表6。可(ke)知(zhi)，Warburg極(ji)差(cha)(cha)分(fen)(fen)析(xi)(xi)與腐蝕速率的極(ji)差(cha)(cha)分(fen)(fen)析(xi)(xi)結果基本(ben)一致(zhi)，pH對擴散(san)阻抗的影響(xiang)最為顯著，各因(yin)素影響(xiang)次序：初始pH＞總硬(ying)度＞SO42-＞Cl-。

表6   Warburg阻抗影響因(yin)素的極差分析計算

對比圖7及表6可知：

（1） 初(chu)(chu)始(shi)pH的(de)(de)影響(xiang)：整個正交(jiao)試驗(yan)調(diao)控(kong)的(de)(de)是進水pH，即實驗(yan)初(chu)(chu)期(qi)的(de)(de)pH。隨著(zhu)體(ti)系的(de)(de)反(fan)(fan)(fan)應，各組(zu)反(fan)(fan)(fan)應使(shi)pH逐漸升高，而初(chu)(chu)期(qi)的(de)(de)堿性(xing)(xing)(xing)水體(ti)比(bi)酸性(xing)(xing)(xing)水體(ti)更易(yi)使(shi)后期(qi)水體(ti)偏堿性(xing)(xing)(xing)，故初(chu)(chu)期(qi)堿性(xing)(xing)(xing)水體(ti)可促(cu)進腐蝕(shi)(shi)(shi)垢層比(bi)較穩定(ding)的(de)(de)生成。腐蝕(shi)(shi)(shi)速率(lv)(lv)與阻抗測試結(jie)果表(biao)明(ming)，初(chu)(chu)期(qi)的(de)(de)堿性(xing)(xing)(xing)水質(zhi)使(shi)腐蝕(shi)(shi)(shi)垢層平穩生長，垢層減(jian)緩了水體(ti)對(dui)管(guan)壁(bi)的(de)(de)沖蝕(shi)(shi)(shi)，更充分解釋(shi)了反(fan)(fan)(fan)應中部時(shi)間段穩定(ding)下來的(de)(de)腐蝕(shi)(shi)(shi)速率(lv)(lv)小于初(chu)(chu)期(qi)酸性(xing)(xing)(xing)水質(zhi)條件下的(de)(de)腐蝕(shi)(shi)(shi)速率(lv)(lv)。

（2） 硬度：水(shui)體內的(de)沉積物(wu)會逐步被腐(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)吸附，在(zai)腐(fu)蝕(shi)(shi)反應早期(qi)漸漸形成了相(xiang)對致密的(de)基本垢(gou)層(ceng)。所以(yi)Ca2+和Mg2+含量較多的(de)高硬度水(shui)體能(neng)夠促進早期(qi)平(ping)穩、相(xiang)對致密的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)垢(gou)層(ceng)生成，致使腐(fu)蝕(shi)(shi)速率維持平(ping)穩。

（3） 陰離子影(ying)響：在(zai)阻抗分析中(zhong)可(ke)見(jian)，陰離子濃度越高，生成垢(gou)層(ceng)的擴(kuo)散阻抗值反而越小，這是(shi)由于SO42-與(yu)Cl-在(zai)垢(gou)層(ceng)生成時及腐蝕(shi)垢(gou)層(ceng)基本成型后，對(dui)垢(gou)層(ceng)內(nei)部金屬(shu)鍵(jian)(jian)、氫鍵(jian)(jian)等作(zuo)(zuo)用力(li)的阻撓和取代作(zuo)(zuo)用所(suo)致。

通過腐蝕速(su)率(lv)和(he)垢層阻抗作(zuo)為正交(jiao)試驗結(jie)果(guo)(guo)進行極差(cha)分(fen)析和(he)影響因素(su)排序，結(jie)論基本一(yi)致。最終(zhong)結(jie)果(guo)(guo)說明，垢層阻抗值可以作(zuo)為評(ping)價管道腐蝕情(qing)況的一(yi)個(ge)有(you)效指標(biao)。

3 結論

（1） 球墨鑄鐵在(zai)再(zai)生(sheng)水中前期(qi)的(de)腐蝕速率(lv)最大，48 h進入相對穩定的(de)狀態，96 h后基本趨于平緩，穩定腐蝕速率(lv)大致在(zai)0.15~0.25 mm/a。

（2） 通過失重法所得(de)的平均(jun)腐蝕(shi)速率(lv)和基于電化學(xue)方法所得(de)的瞬時腐蝕(shi)速率(lv)及阻(zu)抗特征分析，結(jie)果一致表(biao)明，各水質因素對球墨鑄(zhu)鐵管道(dao)腐蝕(shi)影響的主(zhu)次順序(xu)為：pH＞總硬度＞SO42-＞Cl-。

（3） 偏(pian)酸(suan)性、低(di)硬度的水體更(geng)易造成管(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，且水體低(di)pH對(dui)管(guan)(guan)道(dao)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)最(zui)為明顯(xian)；偏(pian)堿性的水體既能(neng)減少(shao)管(guan)(guan)壁的腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)，又能(neng)促(cu)進管(guan)(guan)道(dao)形成管(guan)(guan)垢保護管(guan)(guan)壁，Cl-與SO42-對(dui)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)的作用較弱。

（4） 在(zai)垢層生長中，pH對擴散阻抗(kang)的(de)影響(xiang)最為顯著。陰離(li)子濃度越(yue)高，垢層擴散阻抗(kang)值越(yue)小。