中碱度中硬度水质是一类碱度和硬度均处于中等程度的水质，其RSI范围广，从结垢到腐蚀型均有。应用于循环冷却水系统后，腐蚀特征基本表现为垢下腐蚀。我国华北区域的水体因为降水量偏少属于中碱度中硬度水质，该地区大多数工厂的循环冷却水系统都使用这种水质。
根据中碱中硬水质的腐蚀特点，使用此类水质的工业循环冷却水系统大都采用兼具缓蚀与阻垢功效的磷系配方，以控制换热管表面垢下腐蚀的发生。由于水质原因，现场使用的磷系配方磷用量较高，对后续的循环水排污造成很大限制，必须经过处理才能排放。因此开发对环境不造成破坏的环保型缓蚀剂，是解决工业现场循环水排放问题的有效解决手段。近年来，国内外在低磷及无磷水处理药剂上有不少成果，如聚天冬氨酸(PASP)和聚环氧琥珀酸(PESA)为主体的无磷缓蚀阻垢剂〔1, 2〕，但其主要偏向于阻垢，缓蚀性能达不到应用要求。
笔者用脂肪酸和氨基羧酸盐作原料，采用脱水缩合法酰化合成了一种酰胺型无磷缓蚀剂，具有可生物降解性、生物友好性和优秀的缓蚀性能。通过红外光谱对药剂进行表征，并在中碱度中硬度水质条件下，通过旋转挂片失重法和电化学阻抗谱研究该酰胺类无磷缓蚀剂对A3碳钢(Q235)的缓蚀性能。
1 试验部分
1.1 试验材料及测试介质
测试材料为Q235碳钢，其成分见表 1。
取Q235碳钢试样依次用丙酮、无水乙醇擦拭，冷风吹干备用。
选取华北地区天津某工厂的现场循环冷却系统进水为测试水样，经活性炭和精滤去除杂质后，测定水质情况，见表 2。
1.2 试验药剂与仪器
药剂：酰胺类无磷缓蚀剂(自制)，市售磷系药剂A、低磷药剂B、硫酸、氢氧化钠、丙酮、无水乙醇。
仪器：RCC-Ⅱ型旋转挂片仪，高邮市秦邮仪器化工有限公司;Versa STAT多通道电化学工作站，美国普林斯顿。
1.3 试验方法
(1)旋转挂片失重法依照中国石化总公司发布的《冷却水分析和试验方法》进行测试。
(2)电化学测试采用电化学阻抗谱法(EIS)：采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为Q235碳钢试样，测试面积为1 cm2。EIS测量在开路电位下进行，测量频率范围为15 kHz～10 mHz，施加幅值为5 mV的正弦扰动。测试电极在待测液中浸泡40 min后进行试验，测试温度恒定为25 ℃。
2 结果与讨论
2.1 红外谱图分析
合成的酰胺类无磷缓蚀剂的红外谱图见图 1。
图 1 酰胺类无磷缓蚀剂的红外光谱
由图 1可知，723 cm-1附近为长链烷基特征吸收峰;1 395、1 608 cm-1为羧酸盐特征吸收峰;在1 631cm-1附近出现了O=C-N的酰胺基团特征吸收峰;2 848、2 922 cm-1为-CH3特征吸收峰。结果表明，合成的产物为具有酰胺官能团的脂肪羧酸盐类化合物。
2.2 酰胺类无磷缓蚀剂对中碱中硬水的缓蚀性能
配制不同质量浓度(0～100 mg/L)的酰胺类无磷缓蚀药剂，进行72 h旋转挂片失重试验，得到无磷缓蚀药剂的梯度质量浓度缓蚀性能数据，见图 2。
图 2 无磷缓蚀药剂梯度质量浓度测试
从图 2可以看出，随着酰胺类无磷缓蚀剂的使用质量浓度逐渐增加，碳钢试片的腐蚀速度逐渐下降。从30 mg/L开始，药剂在达到缓蚀效果增长的临界阙值点后，继续增加药剂用量腐蚀速度降低缓慢。酰胺类缓蚀剂属于吸附型缓蚀剂，分子通过极性基团在金属表面吸附成膜，再通过非极性基团在外围形成单分子层的疏水膜，隔绝水分子与金属的接触，达到缓蚀效果。
2.3 酰胺类无磷缓蚀剂复合配方研究
根据软硬酸碱理论〔3〕，酰胺类无磷缓蚀剂属于软碱，软碱与软酸(即水中裸露的基体Fe)发生直接吸附，形成稳定的单分子层，隔绝水和金属的接触，从而达到缓蚀目的。但在循环冷却水系统的管路表面同时存在多种价态的金属，根据“硬亲硬，软亲软，软硬结合不稳定，软硬交界就不管”的规则〔4, 5〕，要防止腐蚀的进一步发生，还需要硬碱与中间碱的配合使用。
按照软硬酸碱对应规则并进行大量正交试验，笔者使用酰胺化合物、多羟基化合物、多羧酸聚合物等化合物，筛选出一种在中碱中硬水质中具有较好阻垢和缓蚀效果的酰胺类无磷缓蚀剂复合配方。
(1)复合配方的旋转挂片测试研究。在中碱度中硬度水质中，对比测试了酰胺类无磷缓蚀剂复合配方和市售常见磷系缓蚀剂的缓蚀性能，结果见图 3。
图 3 酰胺类无磷缓蚀剂及市售磷系药剂的缓蚀效果比较
从图 3可以看出，通过复配增效，酰胺类无磷缓蚀剂复合配方相比单剂在缓蚀性能上有较大提高，且生效阙值降低至10 mg/L。在40 mg/L的使用量下就能够达到石化行业腐蚀控制标准：A3碳钢年腐蚀速率≤0.075 mm/a。与市售磷系药剂进行平行比对，酰胺类无磷缓蚀剂复合配方在中碱度中硬度水质中的缓蚀性能能够达到磷系配方的缓蚀性能水平，可以满足现场应用需求。
(2)复合配方的电化学测试研究。采用电化学阻抗法对酰胺类无磷缓蚀剂复合配方进行测试，并与市售磷系药剂商品进行对比，根据失重法(旋转挂片法)结果选取30、50 mg/L两个投加量进行电化学测试，结果如图 4所示。
图 4 磷系药剂和酰胺类无磷缓蚀剂复合配方的EIS测试结果
通过交流阻抗谱图对极化电阻Rp进行比较。其中Rp越小，腐蚀速率越快。图 4中30 mg/L投加量下2种磷系药剂的Rp很大程度上低于无磷药剂配方的Rp;而投加量达到50 mg/L后，3种药剂的Rp均有较大的提高。通过比较可以看出，在30、50 mg/L这2个质量浓度下，Rp最大的均为无磷缓蚀复合配方，这是由于其吸附膜的电阻要高于磷系药剂的沉积膜，且完整度更高。。
3 结论
(1)通过红外谱图验证所合成的无磷缓蚀剂为酰胺类脂肪族化合物。
(2)酰胺类无磷缓蚀剂在中碱中硬水质体系中具有良好的缓蚀性能，与其他药剂的协同效果好，经复配后得到的无磷缓蚀复合配方具有更好的中碱度中硬度水质缓蚀效果。
(3)在中碱中硬水质体系中，酰胺类无磷缓蚀复合配方的缓蚀性能等同于磷系药剂，能够有效地替代中碱中硬水质条件下的磷系药剂，旋转挂片失重法和电化学阻抗法的测试结果均验证了酰胺类无磷缓蚀剂的缓蚀效果。
