钢铁化学酸洗除锈清洁生产过程

1.酸洗工艺过程

钢铁表面由于腐蚀产生的锈层组成成分主要有：Fe2O3，FeO，Fe3O4，水合铁锈化合物等。锈层呈疏松、多孔状态，易渗透， 表面积比较大。一般认为其结构大致分成三层，内层以FeO 结晶体为主，结构不稳定，易于破坏，能与水反应生成中间层组分 Fe3O4·XH2O；中间层Fe3O4·XH2O 脱水后形成致密、无孔、呈玻璃断口状的磁性氧化铁Fe3O4；最外层是结晶构造的Fe2O3，比 较疏松。酸洗过程主要是酸与铁锈进行化学反应，使锈层脱离铁基体，在酸洗除锈过程同时发生酸溶解铁基体的反应。除锈过程发 生的反应主要如下：

酸洗过程产污环节如下图所示：

1.酸雾的产生。酸雾是由于酸洗过程，酸的挥发，铁基体与酸反应产生氢气上升过程所携带而产生的大量气溶胶态污染物。 酸雾滴一旦黏附到设备，将严重腐蚀设备，对人体也产生严重的危害。2.酸洗废水的产生。当酸洗进行到一定程度时，一般认为酸 液中铁离子浓度达到250g/L，或酸洗液氢离子浓度低于3.5%时，就需要更换酸洗液或对酸液进行再生处理，才能进行酸洗。更换 下来的酸洗废液除了铁离子浓度高外，其pH 值也可低至0.2，一般在0.2～3.0 之间。还有部分酸洗废液来自于中和废液，水洗废 液，生产过程中的“跑、冒、漏、滴”的废水，以及金属件提件带出等汇集到边槽，用水冲洗到废水槽中等过程产生的废水也属于 酸洗废水。其中酸洗更换废液约占15%，其余约占85%。3.酸洗废渣的处理。酸洗废液中含有高浓度的金属离子，如采用沉淀处理 时，将产生大量的金属污泥废渣，这部分废渣需要进行良好的处理与处置方能达到环保的要求。

2.酸洗工艺过程的清洁生产分析

2.1 酸雾

对于酸雾的治理主要有中和法，过滤法，湿式喷淋法，高压静电法等方法进行处理。这些治理方法都是在产生酸雾的情况下 进行的末端治理，是治标不治本的措施，不能达到清洁生产的预防污染的目的。添加缓蚀抑雾剂可以很好的减少酸雾产生量，较好 达到这方面的要求。以下是相关科研工作者在这方面的研究成果。

陈欣义等研究清洁型缓蚀剂-甘油在盐酸体系中的缓蚀作用，当甘油添加量在1.5%时，缓蚀效率可达到96%。龚敏等人研 究在碳钢盐酸酸系体系中，酸洗温度在65℃~85℃之间，添加30ppm 的F53 酸雾抑制效率可维持在87%以上，有时可高达94%以上。 姜力强等人在盐酸酸洗抑雾剂的研究中确定在复配方中添加0.068g/L 的十二烷基磺酸钠后，40℃酸洗抑雾效率可达到93%左右， 并且随着酸洗温度的提高，酸洗液浓度提高，呈现出抑雾效率递增趋势。

抑雾的作用主要是抑雾剂中的表面活性剂（如十二烷基硫酸钠或OP-10 等）在酸洗液表面形成一层液膜，从而阻止了酸雾的 挥发。多数研究工作得出，添加抑雾剂后，在含18%盐酸的酸洗液中，抑雾效率可以达到92%以上。而一般的末端治理措施的处理 效率也只能维持在90%左右，而且还需要投加药剂进行吸收。添加了缓蚀抑雾剂后，不仅可以省去酸雾的治理措施，还可以节约一 定的经济成本。按年产20 万吨镀锌管的生产规模计算，需要盐酸大约6000 吨。酸洗过程需要抽风机风量估计为36000m3/h，则需 要投资大约为20 万元的末端治理措施。按年生产300 天，日工作20h 计算，下表统计不添加抑雾剂和添加抑雾剂（按92%计）的 经济损益分析：数据统计表1（按年产20 万吨镀锌管计）

2.2 酸洗废液

从电极电位显示，Fe 在25℃的标准电极电位为-0.440，属于热力学很不稳定的金属，能在不含氧的中性介质中腐蚀，在酸性 溶液中有更快高的溶解速率。使得铁基体在锈层成分Fe2O3，FeO，Fe3O4 及其水合铁锈化合物等溶解之后或同时，也在酸溶液中进 一步迅速反应溶解。在酸洗液中添加适当的缓蚀剂能够很好的隔绝酸介质与铁基体接触，从而阻碍铁基体的溶解。

缓蚀剂的作用是在酸洗液中投加少量就能显著减缓或阻止金属基体在酸洗过程中腐蚀。按照缓蚀剂在金属表面形成的保护膜 机理的不同可以分为氧化膜型、沉淀型和吸附型缓蚀剂。钢铁酸洗除锈的缓蚀剂研究最多的是吸附型缓蚀剂，每个吸附型缓蚀剂分 子同时具有亲水基团和憎水基团，亲水基团吸附在金属表面，憎水基团向外，从而形成吸附膜，阻止酸洗液中的氢离子渗透到铁基 体表面与之反应，起到缓蚀作用。相关文献表明这种吸附作用在低酸浓度条件下很好的符合了Langmuir 等温吸附曲线。吸附 作用有物理吸附和化学吸附，前者随着酸洗温度的提高缓蚀率有所减弱；后者则形成比较稳定的吸附层，在金属表层形成比较稳定 的双电层结构，从而阻碍了铁基体与酸的反应。

相关报道显示，添加缓蚀剂可以使酸对铁基体的缓蚀率达到90%以上。如若丁，TL-3001，YH-2 等。松香胺醚（RA）不同成分比例对Q235 钢的缓蚀率可高达98%、99%以上。腐蚀速率受到酸洗对象、酸洗介质、酸洗温度、酸洗时间等因素的影响。 其中影响最大的因素是前两者。如酸洗高碳钢和低碳钢，他们的酸洗速率相差比较大；盐酸和硫酸酸洗速率相差也很大，一般认为 在18℃温度下，前者是对铁的氧化物在浓度为CHCl＝15%溶液中的溶解速率为1.15g/h，后者在浓度为CH2SO4＝15%溶液中溶解速率 为0.056g/h。明显盐酸溶解速率比硫酸快。

按照一般缓蚀剂进行计算，推算出缓蚀剂添加后的清洁生产效益。通过下式可以计算出金属的腐蚀量：

在浓度CHCl＝18%下盐酸对A3 碳钢基体的腐蚀速率盐酸一般为50～150g/m2•h。我们选取腐蚀速率v＝100g/m2•h，取缓蚀率E ＝95%，假设酸洗操作时间误差率为η=15%。我们还是按年产20 万吨镀锌管的生产规模计算。假定钢管按管壁5mm 厚算，则一小 时酸洗钢管面积约有1687.76m2，表2统计不添加缓蚀剂和添加缓蚀剂（按95%计）的经济损益分析： 数据统计表2（按年产20 万吨镀锌管计）

3.结语

在钢铁化学酸洗过程中，采用始端防止技术代替传统的末端治理技术需要加大研发力度。不断推广清洁生产技术，可以从节约 原材料和能源，淘汰有害材料，减少污染物和废弃物的排放；改善对人类和环境有危害的工艺过程，可以获得较好的经济和环境效 益。