缓蚀技术在六氟化铀捕集制冷中的应用研究

陈建勇

（中核四〇四有限公司第一分公司 甘肃·兰州 732850）

在天然六氟化铀生产过程中，乙二醇水溶液因具有沸点较高、冰点低、价格适中、原料易得等特点被作为六氟化铀主捕集器的传热介质。因乙二醇长时间在高温下运行，同时与空气接触，很容易被氧化成酸性的乙二醇衍生物，如乙二酸、乙醛酸、乙醇酸等，这些酸性物质对捕集器内的循环管道会产生一定的腐蚀。针对上述情况，在不改变乙二醇水溶液传热和流动等性能前提下，通过向乙二醇水溶液内添加缓蚀剂（Na2HPO3和KH2PO3），控制其pH值，从而降低对循环管道的腐蚀速率，保证生产线的连续稳定运行。

1 原理

缓蚀剂（Na2HPO3和KH2PO3）溶于水后发生如下反应：

Na2HPO32Na++H++PO33-（电离反应）

H2O+Na2HPO3Na++OH-+NaH2PO32Na++2OH-+H3PO3（水解反应）

KH2PO3K++H++HPO32-K++2H++PO33-(电离反应)

H2O+KH2PO3K++OH-+H3PO3（水解反应）

Na2HPO3和KH2PO3是一对共轭酸碱对，可以稳定乙二醇溶液的 pH值，在一定范围内使其不发生显著变化。另外，Na2HPO3还可以作为一种防腐剂使用，在管道表面形成一层防蚀膜，阻止溶液对管道的深层腐蚀。

2 试验部分

2.1 试验研究内容

2.1.1 条件试验

（1）缓蚀剂的选择；

（2）乙二醇水溶液中缓蚀剂加入比例的确定；

（3）乙二醇水溶液缓中缓蚀剂加入量的确定；

（4）加入缓蚀剂后乙二醇溶液性能变化研究。

2.1.2 工程化应用研究试验

按照条件试验确定的缓蚀剂，按添加比例的配方比，配制乙二醇缓蚀剂溶液；验证添加缓蚀剂后乙二醇溶液在不同温度下的参数变化；比较缓蚀剂加入前后乙二醇溶液对循环管道的腐蚀情况。

3 数据分析和结果讨论

3.1 条件试验

3.1.1 缓蚀剂的选择

缓蚀剂在一定程度上可以稳定溶液的酸碱度。目前，缓蚀剂的种类和配方都比较多。根据设备管道材质，选择合适的缓蚀剂，从以下几个方面考虑选择：

（1）根据化学成分不同，缓蚀剂可分为无机缓蚀剂、有机含氮缓蚀剂、有机酸及其盐或酯、有机含磷缓蚀剂和其他有机化合物等。

（2）针对六氟化铀的特殊性，从乙二醇水溶液的互溶性及溶解后溶液的流动性能、使用的安全性等考虑，缓蚀剂应选择无机缓蚀剂。

（3）缓蚀率较高的铁用无机缓蚀剂主要有磷酸盐、亚磷酸盐、三乙醇胺、碳酸盐等，它们的pKa值及防蚀效果如表1所示。

表1：常用无机缓蚀剂体系

选择缓蚀剂时，应使其中酸组分的pKa等于或接近于所需要稳定的pH（pH=pKa±1），至少使要求控制的酸度落在缓蚀剂的缓冲范围之内。由表1可知，缓蚀剂Na2HPO3-KH2PO3体系的pKa为8.0，符合技术指标的要求，添加后可将乙二醇溶液的pH值控制在7.5-8之间。推荐采用Na2HPO3和KH2PO3的混合剂作为缓蚀剂。采取向乙二醇水溶液中添加Na2HPO3和KH2PO3来控制乙二醇水溶液的pH值。

3.1.2 乙二醇水溶液中添加缓蚀剂的组合比例确定

（1）不同温度乙二醇溶液pH值和比重的测定。在试验过程中，测定了Na2HPO3和KH2PO3的饱和溶液pH值。Na2HPO3饱和溶液pH值为9，溶于水后，其水解反应强于电离反应。KH2PO3饱和溶液pH值为5，溶于水后，其电离反应强于水解反应。对乙二醇溶液取样分析，其pH、比重如表2所示。

表2：工艺运行时不同温度下乙二醇水溶液pH与比重

由表2中数据可知，乙二醇水溶液在不同温度下均呈弱酸性，会对循环管道产生腐蚀，需加入缓蚀剂 Na2HPO3和KH2PO3调至弱碱性。

（2）分别取温度为-25℃、0℃、45℃、95℃下的乙二醇水溶液100mL，配制Na2HPO3和KH2PO3的饱和溶液，然后将两种饱和溶液按不同体积比混合，测得不同配比下溶液的pH如表3、表4、表5和表6所示：

表3：-25℃乙二醇溶液中加入不同体积比缓蚀剂的pH

表4：0℃乙二醇溶液中加入不同体积比缓蚀剂的pH

表5：45℃乙二醇溶液中加入不同体积比缓蚀剂的pH

表6：95℃乙二醇溶液中加入不同体积比缓蚀剂的pH

由表3、表4、表5和表6可知，不同温度下的乙二醇溶液，将其pH值调至约8.0时所加缓蚀剂Na2HPO3和KH2PO3饱和溶液的体积比均为7:1左右。

3.1.3 不同浓度乙二醇水溶液缓蚀剂添加量确定

分别配制体积浓度分别为50%、55%、60%、65%、70%的乙二醇水溶液，向其中添加缓蚀剂，将其pH值调至8.0时，缓蚀剂添加量和溶液的比重如表7所示。

表7：加入缓蚀剂后不同体积百分浓度乙二醇溶液的参数值

从表中数据可知，随着乙二醇体积百分浓度的增加，调节溶液pH值为8.0时所需加入的缓蚀剂量逐步增加，当乙二醇体积百分浓度超过65%后，所需缓蚀剂的加入量逐步减少。

3.1.4 加入缓蚀剂后乙二醇溶液的性能变化研究

加入缓蚀剂后，对乙二醇水溶液升降温后PH值变化情况进行了试验验证，并直观对比其流动性和载热能力变化情况。考虑到生产中，乙二醇水溶液最高温度为100℃，最低温度为-30℃，选择试验温度条件为 100℃、60℃、20℃、-30℃。

在20℃条件下，按照确定的缓蚀剂加入量配制乙二醇水溶液，等量移装入4个烧杯中。将其中2个烧杯装乙二醇水溶液置于加热电炉上分别加热至60℃、100℃。将1个烧杯装乙二醇水溶液使用液氮降温至-30摄氏度。分别测量其 pH值，如表8所示。

表8：加入缓蚀剂后，不同温度下的乙二醇水溶液pH值

由表8中数据可知，加入缓蚀剂后，乙二醇水溶液温度升高对pH值没有影响，温度降低至-30℃时，缓蚀剂调节溶液pH值的作用会受到影响，但仍然呈弱碱性，能够满足生产使用要求。通过直观观察和测量，加入缓蚀剂后的乙二醇水溶液温度在-30～100℃范围内发生变化，其流动性和载热能力没有明显变化。

3.2 工程化应用研究试验

3.2.1 工况下乙二醇水溶液pH值变化情况

为充分验证工况下加入缓蚀剂的乙二醇水溶液pH值和对生产运行的影响，对其跟踪取样和分析，具体数据如表9所示。

表9：各种温度乙二醇水溶液运行中pH值变化情况

从表9中数据可知，在工况条件下，加入缓蚀剂后的乙二醇水溶液能够呈弱碱性，可以达到减少对溶液循环管道腐蚀的目的。另外，从动力泵运行情况和六氟化铀捕集器中温度控制情况可知，缓蚀剂加入对乙二醇水溶液的载热能力和流动性均没有影响。

3.2.2 缓蚀剂加入前后乙二醇水溶液对循环系统的腐蚀情况对比

为检验缓蚀剂减缓腐蚀的效果，对管路不同位置因腐蚀发生故障的频次进行了统计，见表10。

表10：缓蚀剂加入前后管路不同位置因腐蚀发生的故障频次

由表10中数据可知，加入缓蚀剂前，乙二醇水溶液循环系统管路各主要位置均发生过不同频次的腐蚀。向乙二醇水溶液内加入缓蚀剂后，乙二醇水溶液循环系统管路没有发生因乙二醇水溶液腐蚀而导致的故障。

4 结论

Na2HPO3和 KH2PO3的混合剂可以作为乙二醇水溶液的缓蚀剂。在工况条件下，加入缓蚀剂后，乙二醇水溶液可在较长时间内呈弱碱性，有效减缓了乙二醇水溶液对其循环系统管路的腐蚀。加入缓蚀剂后，乙二醇水溶液载热能力和流动性没有明显变化，可以实现安全稳定运行。