郝麗敏

（重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院黨委辦公室，重慶 400021）

硅、氧和金屬鈉元素構(gòu)成的化合物總稱為硅酸鈉鹽，分子式為Na·nSiO2，n 為模數(shù)[1～3]。硅酸鹽應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在建材上，包括各種陶瓷、水泥以及玻璃制品中，都能夠用到硅酸鈉鹽，甚至在建材和耐火材料上也有硅酸鈉鹽的一席之地，硅酸鈉鹽還可用于制作人工晶體?？紤]到硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特殊性，已知模數(shù)越大的硅酸鈉鹽，其可溶性越差。硅酸鈉(n≤3)為最常見(jiàn)的可溶性硅酸鈉鹽，而偏硅酸鈉和五水偏硅酸鈉則不那么常見(jiàn)，這些硅酸鈉鹽溶于水時(shí)呈現(xiàn)出堿性。相比較汽油、硝酸鹽、硫酸這類危險(xiǎn)系數(shù)較高的物品，硅酸鈉鹽的腐蝕性似乎并沒(méi)有引起人們的重視[4，5]。但是硅酸鈉鹽比起這些易燃易爆腐蝕物品，其腐蝕性造成的危害并不小。日常在化工生產(chǎn)和倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存中，常常發(fā)生硅酸鈉鹽泄漏的事件，由于防護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的腐蝕性危害同樣對(duì)生活產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[6]。因此需要對(duì)可溶性硅酸鈉鹽水溶液的流動(dòng)腐蝕作用機(jī)制做出進(jìn)一步研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及主要試劑

首先選擇實(shí)驗(yàn)儀器，針對(duì)可溶性硅酸鈉鹽水溶液計(jì)量的pH 測(cè)定儀，型號(hào)PE28，pH 測(cè)量區(qū)間在0～14 之間。針對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行金屬腐蝕性測(cè)試的儀器，型號(hào)為HWP04l0S，控溫區(qū)間在室溫達(dá)到80℃左右。實(shí)驗(yàn)試樣選擇非復(fù)合型7075-T6 的鋁片金屬材料，材料比例為50mm×20mm×3mm 的復(fù)合型金屬材料；選擇S235JR+CR(1.0037resp.St 37-2)型號(hào)的鋼片材料，材料比例為50mm×20mm×3mm 的金屬材料。實(shí)驗(yàn)試劑選擇市面常見(jiàn)的硅酸鈉鹽顆粒，分子式為Na2SiO2，硅酸鈉鹽模數(shù)在2～3 之間；在可溶性水溶液添加五水偏硅酸鈉，分子式Na2SiO3·5H2O；選擇九水偏硅酸鈉制備試劑，分子式Na2SiO3·9H2O。

1.2 應(yīng)用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕

在室溫條件下，將(n=2,3)硅酸鈉溶于鈉和五水偏硅酸鈉的水溶液中，待溶液靜置10min后，選擇6 組準(zhǔn)備好的鋁片和鋼片，分別進(jìn)行單相流腐蝕、雙相流腐蝕以及多相流腐蝕[7]。對(duì)實(shí)驗(yàn)金屬材料試樣進(jìn)行全浸、半浸和懸掛腐蝕，測(cè)量實(shí)驗(yàn)前材料金屬的質(zhì)量，進(jìn)一步測(cè)量金屬材料的懸空狀態(tài)時(shí)表面銹層的厚度，分析可溶性硅酸鹽溶液對(duì)材料的腐蝕作用。提取可溶性硅酸鈉水溶液中存在的Na2SiO3、H2SiO3、O2、Na+、SiO32-、OH-的離子物質(zhì)，利用離子物質(zhì)在55℃時(shí)與Fe 的氧化反應(yīng)，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)材料在堿性溶液中發(fā)生的吸氧反應(yīng)。對(duì)于垢下腐蝕性質(zhì)進(jìn)行分析，整合其流動(dòng)沉積特性[8]。觀察實(shí)驗(yàn)材料在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是否出現(xiàn)腐蝕狀態(tài)。分別針對(duì)三種流動(dòng)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，對(duì)比鋁片試樣和鋼片試樣的腐蝕狀態(tài)，針對(duì)半浸狀態(tài)的試樣腐蝕速率進(jìn)行測(cè)量，并以半浸狀態(tài)作為水平腐蝕頂峰，以此平行對(duì)比全浸狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)材料流動(dòng)腐蝕狀態(tài)。并對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的結(jié)垢速率和質(zhì)量損失進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)結(jié)垢與質(zhì)量損失進(jìn)行流動(dòng)腐蝕表面失膜速率的測(cè)定[9～11]。以實(shí)驗(yàn)鋁片試樣出現(xiàn)腐蝕氣液界面為限，對(duì)其向周圍擴(kuò)散的腐蝕流動(dòng)性進(jìn)行分析，并根據(jù)腐蝕流動(dòng)現(xiàn)象推導(dǎo)出可溶性硅酸鈉鹽水溶液對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的腐蝕種類。通過(guò)吸氧腐蝕還原材料腐蝕陰極表面失膜過(guò)程，針對(duì)擴(kuò)散反應(yīng)蔓延速率進(jìn)行測(cè)量，將液面中氣泡遷移對(duì)比電子還原反應(yīng)。利用陽(yáng)極失去電子氧化對(duì)比吸氧腐蝕，腐蝕的過(guò)程正負(fù)極主要發(fā)生如式(1)的化學(xué)反應(yīng)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)材料試樣三個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以得到可溶性硅酸鈉鹽水溶液對(duì)鋁的腐蝕過(guò)程，針對(duì)表面腐蝕均勻程度進(jìn)行分析，利用點(diǎn)灼處理樣本表面結(jié)構(gòu)，對(duì)樣本表面pH 值進(jìn)行測(cè)量。利用樣本材料吸氧腐蝕的特性分析其氣液界面，并在周圍蔓延進(jìn)行流動(dòng)腐蝕速率的計(jì)算。測(cè)試流動(dòng)腐蝕材料表面鈍化膜溶解的速率，當(dāng)材料試樣厚度被流動(dòng)腐蝕呈現(xiàn)出均勻出現(xiàn)減薄均勻時(shí)，對(duì)穩(wěn)定下來(lái)的腐蝕反應(yīng)速率進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，腐蝕產(chǎn)物在實(shí)驗(yàn)材料試樣表面開(kāi)始大量積累，這在一定程度上會(huì)對(duì)金屬表面的反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，從而造成金屬表面反應(yīng)不均，并進(jìn)一步加劇實(shí)驗(yàn)材料表面點(diǎn)蝕，分析完上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 測(cè)量流動(dòng)腐蝕材料pH 值變化范圍

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)腐蝕材料pH 值變化范圍，如表1 所示。

通過(guò)分析表1 中數(shù)據(jù)可知：當(dāng)可溶性硅酸鈉鹽水溶液模數(shù)≤3 時(shí)，流動(dòng)腐蝕材料pH 區(qū)間維持在11～13.6 范圍內(nèi)，流動(dòng)腐蝕材料呈現(xiàn)出堿性。當(dāng)可溶性硅酸鈉鹽水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，流動(dòng)腐蝕材料的pH 值在11～12 之間上下波動(dòng)。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變時(shí)，流動(dòng)腐蝕材料的溶液的pH 值增加的幅度與隨模數(shù)的減小相關(guān)，且其pH 值減小幅度也會(huì)隨著溶液內(nèi)水含量的增加而遞減。當(dāng)可溶性硅酸鈉鹽水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，流動(dòng)腐蝕材料的pH 值和溶液pH 趨向一致，穩(wěn)定在13.3。

表1 流動(dòng)腐蝕材料pH 值變化范圍

2.2 測(cè)定可溶性硅酸鈉鹽水溶液對(duì)流動(dòng)腐蝕材料特性的影響

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液，分別對(duì)兩種流動(dòng)腐蝕金屬材料進(jìn)行全浸、半浸和懸掛流動(dòng)腐蝕，得到兩種流動(dòng)腐蝕金屬材料，使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕前后的對(duì)比結(jié)果如圖1 所示。

圖1 流動(dòng)腐蝕前后兩種流動(dòng)腐蝕金屬材料對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖1 中得到的對(duì)比結(jié)果可以看出：在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕之后，采用全浸和半浸的方式對(duì)鋼片金屬材料進(jìn)行流動(dòng)腐蝕的表面質(zhì)量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕之前無(wú)太大的差別，其鋼片金屬材料顏色分別在中間和上半部分發(fā)生變化，且鋼片金屬材料表面質(zhì)量出現(xiàn)不同程度的銹斑。而采用懸掛的方式對(duì)鋼片金屬材料進(jìn)行流動(dòng)腐蝕的表面質(zhì)量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕之前存在較大的差別，其鋼片金屬材料顏色變化得十分明顯，且鋼片金屬材料表面質(zhì)量嚴(yán)重受損，并在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)了結(jié)垢現(xiàn)象。

采用全浸和懸空的方式對(duì)鋁片金屬材料進(jìn)行流動(dòng)腐蝕的表面質(zhì)量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕之前無(wú)太大的差別，其鋁片金屬材料顏色較使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕之前加深，且鋁片金屬材料表面質(zhì)量腐蝕均勻。而采用半浸的方式對(duì)鋁片金屬材料進(jìn)行流動(dòng)腐蝕的表面質(zhì)量與在使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕之前存在較大的差別，其鋼片金屬材料表面的鈍化膜出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，且堆積了大量的流動(dòng)腐蝕所生成的產(chǎn)物。

2.3 測(cè)定流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率，如圖2 所示。

圖2 流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率

分析圖2 中數(shù)據(jù)可知：流動(dòng)腐蝕表面失膜速率，在可溶性硅酸鈉鹽水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定程度后趨于穩(wěn)定，不再隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。其中實(shí)驗(yàn)材料鋁片在同試驗(yàn)中受到腐蝕的可能性更高，半浸鋁片的流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率最高為55%。全浸鋁片的流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率最高為50%，懸掛鋁片的流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率最高為45%。全浸鋼片和半浸鋼片的流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率最高為20%，懸掛鋼片的流動(dòng)腐蝕材料表面失膜速率最高為18%。

2.4 測(cè)定流動(dòng)腐蝕材料最大腐蝕速率

使用可溶性硅酸鈉鹽水溶液進(jìn)行流動(dòng)腐蝕，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)中的流動(dòng)腐蝕材料最大腐蝕速率，如表2 所示。

表2 流動(dòng)腐蝕材料最大腐蝕速率

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)可知：硅酸鈉在水溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，隨著可溶性硅酸鈉鹽水溶液模數(shù)的降低，兩種流動(dòng)腐蝕金屬材料的最大腐蝕速率隨之增加。其鋁片金屬材料的最大腐蝕速率為54.75%，鋼片金屬材料的最大腐蝕速率為30.57%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

當(dāng)硅酸鈉的模數(shù)≥3 時(shí)，可溶性硅酸鈉鹽的水溶液的流動(dòng)腐蝕性不強(qiáng)，難以對(duì)金屬材料造成腐蝕效果。因此，在進(jìn)行日常運(yùn)輸時(shí)，按照普通貨物(非腐蝕品)運(yùn)輸即可。當(dāng)碳酸鈉鹽的模數(shù)≤2 時(shí)，可溶性硅酸鈉鹽的水溶液的流動(dòng)腐蝕性大幅度提升，其對(duì)金屬材料的腐蝕的最低質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間為1.5%～4.3%之間。因此，在運(yùn)輸過(guò)程中，此類硅酸鈉鹽的參照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)向危險(xiǎn)腐蝕性貨物靠攏，并對(duì)硅酸鈉鹽的腐蝕性進(jìn)行標(biāo)注。對(duì)于日常生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用硅酸鈉鹽，應(yīng)當(dāng)使用鋼制設(shè)備或容器進(jìn)行可溶性硅酸鈉鹽存儲(chǔ)，盡量避免鋁制設(shè)備和容器。若不可避免將兩者置于同一空間內(nèi)，應(yīng)當(dāng)采取懸掛的方式，或者用惰性物質(zhì)鍍?cè)诮佑|面，防止與硅酸鈉鹽發(fā)生流動(dòng)腐蝕反應(yīng)。在運(yùn)輸時(shí)，鋁制容器會(huì)與可溶性硅酸鈉鹽水溶液發(fā)生反應(yīng)，因此，應(yīng)當(dāng)保證硅酸鈉鹽是固體形態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文研究，得到可溶性硅酸鈉鹽水溶液在流動(dòng)腐蝕中會(huì)與金屬材料發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果，且流動(dòng)腐蝕材料pH 值與可溶性硅酸鈉鹽水溶液的質(zhì)量濃度相關(guān)。今后應(yīng)當(dāng)對(duì)于多相流的腐蝕規(guī)律進(jìn)行研究，以腐蝕加劇的機(jī)制為方向，繼續(xù)對(duì)多相流場(chǎng)下腐蝕的誘發(fā)機(jī)理進(jìn)行分析。