水基納米流體對金屬腐蝕及腐蝕抑制機理的研究

納米流體是一種新型傳熱介質(zhì)，因其具有顯著節(jié)能效益而成為近年來研究熱點。水基納米流體是非常有前景的冷卻介質(zhì)，在國外已進入小范圍應用階段。過去對納米流體的研究多集中在制備與傳熱性能研究方面，有關(guān)納米流體對熱交換金屬腐蝕行為的研究較少。本項目通過電化學測試、表面分析和溶液分析等技術(shù)重點研究了Al2O3、TiO2、SiO2、碳納米流體中黃銅腐蝕行為和腐蝕機理、納米顆粒對緩蝕劑性能的影響；研究了不同納米顆粒對水中碳酸鈣垢形成和抑制行為的影響及機制，以及納米顆粒對化學阻垢劑性能影響。 模擬冷卻水（SCW）中Al2O3納米顆粒和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）對黃銅腐蝕行為的研究表明，黃銅在SCW-Al2O3納米流體中發(fā)生較嚴重的脫鋅腐蝕，主要腐蝕產(chǎn)物為Zn5(OH)6(CO3)2，Al2O3納米顆粒同時促進了黃銅的陽極和陰極過程，這與納米顆粒促進介質(zhì)中氧和腐蝕產(chǎn)物的傳質(zhì)過程有關(guān)。模擬水中SDBS可在黃銅表面吸附成膜，對黃銅具有一定保護作用；在SCW-SDBS-Al2O3納米流體中SDBS在黃銅表面的吸附作用更強，這與納米顆粒提高了SDBS的臨界膠束濃度、以及正電性的Al2O3納米顆粒與SDBS陰離子之間存在靜電吸附有關(guān)。Al2O3納米顆粒降低了BTA對黃銅的緩蝕性能。 黃銅在TiO2納米流體中的腐蝕行為研究表明，TiO2納米顆粒促進了黃銅的腐蝕，降低了SDBS對黃銅的緩蝕作用；在SCW和SCW-TiO2納米流體中黃銅表面由Cu2O內(nèi)層和Zn5(CO3)2(OH)6外層組成；在SCW-SDBS-TiO2納米流體中，黃銅表面主要存在Cu2O層，未見明顯的SDBS吸附膜和鋅腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物主要以離子形式進入溶液。TiO2納米顆粒抑制了SDBS在黃銅表面的吸附，可能與帶負電的TiO2納米顆粒與SDBS陰離子在黃銅表面的競爭吸附有關(guān)。 研究了Al2O3納米流體中阻垢劑PBTCA（2-膦酰丁烷-1,2,4-三羧酸）對CaCO3的阻垢性能及阻垢機理，結(jié)果顯示，PBTCA具有較好的溶液阻垢和表面阻垢性能；在Al2O3納米流體中，PBTCA的溶液阻垢性能下降。Al2O3納米顆粒顯著縮短了含PBTCA的成垢溶液中CaCO3的成核誘導期，減弱了PBTCA對成垢離子的絡(luò)合增溶作用，使PBTCA的溶液阻垢性能下降；但Al2O3納米顆粒促進了文石碳酸鈣的生成，具有一定的表面阻垢性能。

納米流體因其顯著的節(jié)能效益而成為近年來研究熱點。水基納米流體是一種很有前景的冷卻劑，未來替代傳統(tǒng)冷卻水應用于各類熱交換系統(tǒng)的可能性很大。初步研究發(fā)現(xiàn)，高活性納米顆粒的加入將引起金屬/水界面及冷卻水物理化學性質(zhì)變化，從而引起金屬腐蝕與控制機制的變化。因而產(chǎn)生一種新的腐蝕體系--納米流體中金屬的腐蝕。為了深入認識這種腐蝕體系，本項目就納米流體對金屬的腐蝕行為、規(guī)律及腐蝕抑制機理展開研究。 本項目以熱交換冷卻水系統(tǒng)常用金屬材料為研究對象，采用電化學測量方法并結(jié)合溶液分析、結(jié)構(gòu)分析和表面分析技術(shù)研究金屬/納米流體界面特性、水基納米流體物理化學性質(zhì)、金屬-納米流體體系中金屬表面狀態(tài)及金屬電化學腐蝕過程和規(guī)律；通過納米顆粒的吸附特性、表面活性及其與緩蝕阻垢劑的相互作用機制研究，揭示水基納米流體中緩蝕阻垢劑作用機理及對金屬緩蝕性能影響。為深入認識水基納米流體中金屬腐蝕機理和防腐蝕方法提供理論和方法支持。

金屬腐蝕金屬腐蝕的本質(zhì)

金屬原子失去電子變?yōu)殡x子，金屬發(fā)生氧化反應

金屬在腐蝕過程中所發(fā)生的化學變化，從根本上來說就是金屬單質(zhì)被氧化形成化合物。

金屬腐蝕金屬腐蝕的途徑

這種腐蝕過程一般通過兩種途徑進行：化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕：金屬表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕。

電化學腐蝕：金屬材料（合金或不純的金屬）與電解質(zhì)溶液接觸 , 通過電極反應產(chǎn)生的腐蝕。

生物腐蝕也是金屬腐蝕的一種途徑

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導熱系數(shù)較小以及普通換熱設(shè)備的換熱效率低下，嚴重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項目將納米流體與不同強化結(jié)構(gòu)的換熱面相結(jié)合應用于光熱轉(zhuǎn)換、換熱器、電子元件冷卻等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中，對納米流體與強化傳熱面的耦合傳熱特性及強化機理進行研究。針對光熱轉(zhuǎn)換的腔體，本項目建立了納米流體流動與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機理和納米顆粒在腔體內(nèi)的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對流動與傳熱的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)布朗力的數(shù)量級遠遠大于顆粒間其它的作用力，在強化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利于強化傳熱，這對光熱轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)傳熱介質(zhì)及工況的選擇、傳熱機理的解釋及強化傳熱的方向提供了一定的指導意義。針對換熱器，本項目配制了不同種類的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計的穩(wěn)定性檢測方法-透過比法，該方法是一種定量檢測方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準確的優(yōu)勢。本項目將配制的納米流體與各種強化結(jié)構(gòu)的換熱管相結(jié)合，研究了不同結(jié)構(gòu)的強化換熱面、納米顆粒組分對流動與傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)強化結(jié)構(gòu)與納米流體的結(jié)合大大提升了換熱效果，同時也大大增加了其流動阻力。為了能夠客觀、綜合地評價這些強化技術(shù)，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對每一個物理問題進行模型建立及公式推導，過程繁瑣。本項目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評價準則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評價相比，本項目的火用效率評價準則圖適用范圍更廣，只要涉及到強化手段，該評價準則均可適用，并且不再需要單獨推導和建模，這對于以后新的強化技術(shù)在能的品質(zhì)上的綜合評價有一定的指導意義。針對電子元件冷卻，本項目研究了不同的強化換熱面與納米流體的結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個臨界組分，這對于電子元器件冷卻表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計、傳熱介質(zhì)及工況的選擇提供了一定的指導意義。

中文名稱

釩腐蝕的抑制

英文名稱

inhibition of vanadium corrosion

定　　義

燃料油中添加鎂鹽等阻化劑來抑制釩鹽對燃氣輪機葉片的腐蝕。

應用學科

電力（一級學科），汽輪機、燃氣輪機（二級學科）