金属在二氧化氯消毒体系下的腐蚀

金属在二氧化氯消毒体系下的腐蚀
王奎涛*1 ，康志娟1，赵海栋1
，吴海霞1，鲁楠1，孙亚伟1，邢士辉1
（1河北科技大学化学与制药工程学院，河北省石家庄市050018 ）
摘 要：针对二氧化氯消毒体系中金属的腐蚀问题，采用静态失重法研究了常温下A 3钢、铜、铝、不锈钢在50mg/L 、100mg/L 、200mg/L 、400mg/L 二氧化氯溶液中的腐蚀情况，并分析了可能的腐蚀作用，为二氧化氯的广泛应用提供基础。

关键词：二氧化氯，腐蚀，保护膜，孔蚀
The corrosion of the Metal in chlorine dioxide disinfection
system
WANG Kui-tao 1, KANG Zhi-juan 1,ZHAO Hai-dong 1
, WU Hai-xia 1,LU Nan 1,SUN Ya-wei 1,XING Shi-hui 1
(1Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018 China)
Abstract: For the corrosion of metal in Chlorine dioxide disinfection system, at room temperature, we study the corrosion of A 3 steel, copper, aluminum, stainless steel at 50mg/L, 100mg/L, 200mg/L, 400mg/L chlorine dioxide solution by the method of Static weight-loss, analyze the possible corrosion, and provide a basis for the extensive application of chlorine dioxide.
Key words: Chlorine dioxide ，Corrosion ，Protective film ，Pitting
二氧化氯是一种性能优良的强氧化剂，具有杀菌消毒、漂白等功效，利用二氧化氯消毒器具，杀菌效果好，药性维持时间长，病菌消除更彻底[1]，代替其他消毒剂，在医学杀菌、卫生防疫、水处理等领域有着广泛的应用前景。

但是二氧化氯具有强氧化性，其溶液呈弱酸性，要想达到良好的处理效果，必然会对金属造成一定的腐蚀[2]，，即使一般的不锈钢都将受到侵蚀[3]，而且目前相关的腐蚀报道比较少。

针对二氧化氯消毒体系中的金属腐蚀问题，尤其是目前存在的二氧化氯消毒体系中碳钢器具的重度腐蚀问题[4-6]，本文通过金属挂片试验，对A 3钢、铜、铝、不锈钢在不同浓度二氧化氯消毒液中的腐蚀进行比较研究，并且分析了可能的腐蚀作用，为二氧化氯的广泛应用提供基础。

1. 材料与方法
1.1 实验试剂和仪器
二氧化氯泡腾片（0.8g/片，石家庄科大绿源公司）；碳钢(A 3GB70065，密度7800kg·m -3)，铝(LY12GB1173-74，密度2700 kg·m -3)，铜(H62GB2060-80，密度为8400 kg·m -3)，不锈钢(GB1220-75，7750 kg·m -3)；分析天平（AL204，梅特勒-托利多公司）；二氧化氯检测仪（DR/890，美国哈希公司）。

1.2 二氧化氯消毒液的制备方法
分别称取二氧化氯泡腾片，放到加有一定体积水的容器中，室温溶解，搅拌均匀，配得所需的二氧化氯消毒液。

根据不同的使用场合，配制不同浓度的二氧化氯消毒液。

本文主要研究50mg/L 、
100mg/L 、200mg/L 、400mg/L 二氧化氯溶液中的腐蚀情况。

1.3 二氧化氯的测定方法
采用二氧化氯检测仪测定二氧化氯含量。

1.4 腐蚀评定方法
本试验对金属的腐蚀评定采用失重法，即根据金属在单位时间和单位面积上失去的重量，作为评定金属腐蚀速度的指标。

金属腐蚀速率R 的计算公式如下：
()d
t S m m m R k t ××−−××=71076.8 其中：m 为试验前金属片重量，g ；m t 为试验后金属片重量，g ；m k 为化学处理去除腐 *作者简介：王奎涛（1962-），男，教授，主要研究方向为二氧化氯的应用。

电邮 xiaoyuan041@ 。

蚀产物样片失重值，g；S为为金属片的表面积总值，cm2；t为试验时间，h；d为金属材料的密度，kg/m3。

卫生部《消毒技术规范》(2002年版)中的消毒剂对金属腐蚀性的分级标准[7]：
表1 腐蚀性分级标准
Table1 The grading standards about corrosiveness
腐蚀速率R/ (mm•a-1) 腐蚀级别
＜0.0100 基本无腐蚀
0.0100～＜0.100 轻度腐蚀
0.100～＜1.00 中度腐蚀
≥1.00 重度腐蚀
2. 试验部分
试验采用冷却水化学处理标准腐蚀试片A3钢、铜、铝、不锈钢，尺寸为50×25×2mm，用不同规格的水砂纸进行打磨抛光，去污粉擦洗，无水酒精去除表面油脂，蒸馏水洗净后置于50℃烘箱中干燥1h后称重（精确至0.1mg）。

室温（25℃）下，将其浸泡于不同浓度的二氧化氯溶液中72h（水温约为18℃），然后取出试片，去除表面腐蚀产物，干燥称重，取3片平均值计算腐蚀速率R[8]。

2.1 50mg/L二氧化氯消毒液对A3钢、铜、铝、不锈钢的腐蚀
表2 50mg/L二氧化氯消毒液下金属的腐蚀情况
Table 2 The corrosion of metal under 50mg/L chlorine dioxide disinfectant
材质失重/g R/mm·a腐蚀级别
A3钢0.01617 0.08950 轻度腐蚀
铜0.006488 0.03148 轻度腐蚀
铝0.001233 0.01992 轻度腐蚀不锈钢0.0002920 0.001600 基本无腐蚀
2.2 100mg/L二氧化氯消毒液对A3钢、铜、铝、不锈钢的腐蚀
表3 100mg/L下金属的腐蚀情况
Table 3 The corrosion of metal under 100mg/L chlorine dioxide disinfectant
材质失重/g R/mm·a腐蚀级别
A3钢0.04601 0.2547 中度腐蚀
铜0.01341 0.06547 轻度腐蚀
铝0.002122 0.03427 轻度腐蚀不锈钢0.0006570 0.003600 基本无腐蚀
2.3 200mg/L二氧化氯消毒液对A3钢、铜、铝、不锈钢的腐蚀
表4 200mg/L下金属的腐蚀情况
Table 4 The corrosion of metal under 200mg/L chlorine dioxide disinfectant
材质失重/g R/mm·a-1腐蚀级别
A3钢0.1298 0.7185 中度腐蚀
铜0.03015 0.1472 中度腐蚀
铝0.005542 0.08952 轻度腐蚀不锈钢 0.006566 0.03598 轻度腐蚀
2.4 400mg/L二氧化氯消毒液对A3钢、铜、铝、不锈钢的腐蚀
表5 400mg/L下金属的腐蚀情况
Table 5 The corrosion of metal under 400mg/L chlorine dioxide disinfectant
材质失重/g R/mm·a-1腐蚀级别
A3钢0.1853 1.0256 重度腐蚀
铜0.08015 0.3913 中度腐蚀
铝0.01533 0.2476 中度腐蚀不锈钢0.008796 0.04820 轻度腐蚀
3. 腐蚀作用分析
在腐蚀环境中金属由元素态变为化合物，同时放出能量，而冶金过程则恰好相反，由化合物（例如氧化铁）吸收大量的能量，变为元素态（铁）。

笔者通过金属腐蚀试验，得出
Fig.1 The corrosion rate curve of metal in the chlorine dioxide disinfection systems 由图1可以看出：A3钢的腐蚀速度较其他的金属快，这是因为腐蚀初阶段，在铜、铝、不锈钢的表面形成了一层氧化物保护膜，这层保护膜吸附在金属表面，腐蚀介质必须通过这层膜向内扩散，金属离子则必须自膜内向外扩散，因此腐蚀反应较为缓慢。

而A3钢的腐蚀产物铁锈比较疏松，容易脱落，使得金属表面裸露在腐蚀介质中，导致A3钢的腐蚀反应以较快的速度进行。

由图1还可以看出：A3钢的腐蚀速率曲线在100mg/L浓度范围内缓慢增长，当浓度大于100mg/L时，其腐蚀加快，腐蚀速率曲线急剧上升；铜、铝的腐蚀速率曲线在200mg/L 浓度范围内缓慢增长，当浓度大于200mg/L时，其腐蚀加快，腐蚀速率曲线明显上升；不锈钢的腐蚀速率曲线在400mg/L浓度范围内一直处于缓慢增长。

金属在二氧化氯消毒体系中的腐蚀主要包括以下几方面：
3.1 强氧化物二氧化氯的腐蚀
二氧化氯具有强的氧化性，将金属氧化为金属氧化物（如氧化铁）。

3.2 氯离子引起的点蚀
点蚀是一种高度局部的腐蚀形态，也是破坏性和隐患最大的腐蚀形态。

点蚀通常发生在表面有钝化膜或有保护膜的金属上，如不锈钢等。

而氯离子可以吸附在金属的某些部位，其穿透力较强，能够穿透氧化物保护膜，所以二氧化氯消毒液中存在的氯离子就是破坏钝化膜或保护膜的活性离子。

由于金属表面存在该活性离子，钝化膜或保护膜在局部被破坏，微小的膜破口处的金属成为阳极，该处电流高度集中，引起金属电极的腐蚀电位升高，破口周围广大面积的膜成为阴极，因此腐蚀迅速向内发展，形成点蚀。

3.3 电化学腐蚀
两种不同金属在溶液中互相接触时，由于它们的电位不同，将构成一个原电池。

即使在同一种金属表面，由于各部分物理和化学性的不均一以及金属接触的溶液不均一，由伦斯特公式可以看出金属表面各部分电位也存在差异。

金属在二氧化氯消毒溶液中同样存在电位差异。

其中电位较低部分成为阳极，较高部分成为阴极，它们是电连通的，并和二氧化氯消毒液构成一个电池。

阳极的反应是金属的离子化，反应式为：M（金属）= M n+ + ne
阴极的反应是氢气的放出，反应式就是：H+ + e = H，H + H = H2
由于以上反应的进行，导致电子不断从阳极流到阴极，金属离子也不断进入溶液，腐蚀会不断进行。

4 结论
（1）在200mg/L二氧化氯消毒体系下，铝为轻度腐蚀，铜为中度腐蚀；
（2）在400mg/L二氧化氯消毒体系下，A3钢达到重度腐蚀，不锈钢为轻度腐蚀；
（3）金属在二氧化氯消毒体系下的腐蚀主要有二氧化氯的腐蚀、氯离子的点蚀和电化学腐蚀。

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