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汪懷遠(yuǎn)教授AFCC團(tuán)隊(duì) CST：CCUS領(lǐng)域高溫高壓CO2設(shè)備腐蝕防護(hù)

2022-09-07 15:40:12 作者：高分子科技來源：高分子科技分享至：

國(guó)際上將碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期減碳減排的重要措施，CCUS技術(shù)對(duì)于降低全球二氧化碳排放量至關(guān)重要。CCUS也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)長(zhǎng)期綠色低碳發(fā)展的必然選擇和重要舉措，然而CCUS技術(shù)高速發(fā)展必然會(huì)帶來裝備的腐蝕與防護(hù)難題。通常在高溫高壓條件下，或在水、氮氧化物和有機(jī)污染物存在的情況下CCUS會(huì)對(duì)設(shè)備造成兩種腐蝕。一種是以超臨界CO2為主體，超臨界狀態(tài)下的CO2具有特殊的溶解性能，會(huì)將金屬表面防護(hù)層中穩(wěn)定成分溶解，造成涂層失效；另一種是水為主體，其中含有的離子會(huì)增強(qiáng)溶液的電導(dǎo)率促進(jìn)碳酸的腐蝕反應(yīng)，造成腐蝕的加劇。因此，亟需新型涂層防腐技術(shù)，大幅延長(zhǎng)和保障裝備在苛刻CO2工況下服役壽命，是響應(yīng)國(guó)家能源保穩(wěn)政策，同時(shí)貫徹國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的有效方式。

針對(duì)上述重大需求，天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授帶領(lǐng)AFCC團(tuán)隊(duì)開展了深入研究，將TiO2-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)負(fù)載到氧化石墨烯（GO）納米片表面，可有效誘導(dǎo)電子-空穴的分離并完成光致親水轉(zhuǎn)化功能。通過紫外光（UV）照射，PFDTMS改性的F/T-Z-G填料由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。利用上述思想設(shè)計(jì)具有表面親水自清潔，底層具有強(qiáng)效屏蔽性能的功能一體化涂層，該涂層可應(yīng)用于CCUS領(lǐng)域高溫高壓苛刻工況下CO2運(yùn)輸儲(chǔ)存設(shè)備腐蝕防護(hù)與自清潔。

EIS研究表明，在高溫高壓（2.8 MPa、110°C）CO2和3.5wt.% NaCl溶液環(huán)境中浸泡24小時(shí)后，20% F/T-Z-G聚脲在0.01Hz時(shí)的阻抗比純聚脲涂層高約1000倍。20% F/T-Z-G聚脲涂層在高壓CO2腐蝕后仍具有優(yōu)異的防腐性能和阻隔性能，進(jìn)一步證明本文設(shè)計(jì)的涂層可應(yīng)用于CCUS工藝中CO2的儲(chǔ)運(yùn)保護(hù)。

圖1. 分別為純聚脲涂層、20% T-Z-G聚脲涂層、20% F/T-Z-G聚脲涂層、HTHP聚脲涂層、HTHP 20% T-Z-G聚脲涂層和HTHP 20% F/T-Z-G聚脲涂層在2.8 MPaCO2和3.5wt.% NaCl溶液環(huán)境中浸泡24小時(shí)前(a)后(b)的EIS結(jié)果

上述結(jié)果為高含量CO2在高溫高壓（HTHP）環(huán)境下涂層的防腐性能。圖1為純聚脲、20% T-Z-G聚脲和20% F/T-Z-G在2.8 MPa CO2、110℃和3.5wt.% NaCl溶液環(huán)境中的波特圖。浸泡前后聚脲涂層的阻抗模量和相角曲線分別遠(yuǎn)低于20% T-Z-G聚脲涂層和20% F/T-Z-G聚脲涂層，表明純聚脲涂層由于本身存在一定的微孔，腐蝕介質(zhì)很容易滲透到基板，在惡劣的CO2腐蝕環(huán)境下使涂層幾乎被完全破壞。20% T-Z-G聚脲涂層由于具有親水性，對(duì)惡劣CO2環(huán)境的抵抗力較差。值得注意的是，20% F/T-Z-G聚脲涂層在浸泡前后的阻抗和相位角曲線僅略有下降（圖2 a）這是由于GO和氟基團(tuán)的協(xié)同作用增強(qiáng)了涂層的屏蔽性能，同時(shí)微納米填料使涂層具有良好致密性而表現(xiàn)出優(yōu)異的防腐能力。綜上所述，20% F/T-Z-G聚脲涂層的阻抗模量和相角曲線表明該涂層在高溫高壓環(huán)境下具有優(yōu)異的防腐性能。

圖2. (a)純聚脲涂層，(b) F/T-Z-G聚脲涂層的保護(hù)機(jī)制圖;和(c, d)機(jī)理轉(zhuǎn)化過程；(e) 20% F/T-Z-G聚脲涂層下基材的XPS總光譜圖：(f)Fe2p (g) O1s 和 (h) C1s。

對(duì)于純聚脲涂層（圖2a），腐蝕介質(zhì)可以迅速到達(dá)鋼板表面并造成嚴(yán)重腐蝕，而F/T-Z-G聚脲涂層（圖2b）的保護(hù)機(jī)理可分為三部分：（1）F/T-Z提高了GO的分散性，使聚脲基體更致密、缺陷和孔隙更少，有效抑制腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散。(2)含氟基團(tuán)具有優(yōu)異的疏水性能，有效防止水和腐蝕性介質(zhì)接觸基材表面，進(jìn)一步增強(qiáng)涂層的屏蔽性能。(3) 如圖2c、d所示，TiO2-ZnO異質(zhì)結(jié)在涂層表面將氧氣或水分子捕獲形成羥基自由基(OH?)。同時(shí)，通過XPS表征可以得出結(jié)論，F(xiàn)e2+和Fe3+與OH?結(jié)合形成Fe3O4，然后在鋼表面形成鈍化膜（圖2 e-h）。涂層與鋼板界面形成的穩(wěn)定保護(hù)膜覆蓋在鋼板的整個(gè)表面，降低了鋼板的腐蝕速率。

綜上所述，該工作設(shè)計(jì)制備了表層親水自清潔和底層疏水防腐的多功能一體防腐涂層，既解決現(xiàn)有多層噴涂的問題又有效的應(yīng)用于CCUS設(shè)備腐蝕領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將涂層耐蝕性能提高到覆蓋20MPa、150℃的CO2超臨界液體腐蝕范圍，為極端環(huán)境下CCUS裝備腐蝕防護(hù)提供了技術(shù)方案。

相關(guān)工作近期以“A novel self-cleaning functional composite coating with extraordinary anti-corrosion performance in high pressure CO2 conditions”為題發(fā)表在《Composites Science and Technology》。東北石油大學(xué)碩士生羅紅欣為論文第一作者，通訊作者為天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授和東北石油大學(xué)王池嘉副教授。

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