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汪懷遠教授AFCC團隊 CST：CCUS領域高溫高壓CO2設備腐蝕防護

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

國際上將碳捕集、利用與封存（CCUS）作為實現長期減碳減排的重要措施，CCUS技術對于降低全球二氧化碳排放量至關重要。CCUS也是實現我國長期綠色低碳發展的必然選擇和重要舉措，然而CCUS技術高速發展必然會帶來裝備的腐蝕與防護難題。通常在高溫高壓條件下，或在水、氮氧化物和有機污染物存在的情況下CCUS會對設備造成兩種腐蝕。一種是以超臨界CO2為主體，超臨界狀態下的CO2具有特殊的溶解性能，會將金屬表面防護層中穩定成分溶解，造成涂層失效；另一種是水為主體，其中含有的離子會增強溶液的電導率促進碳酸的腐蝕反應，造成腐蝕的加劇。因此，亟需新型涂層防腐技術，大幅延長和保障裝備在苛刻CO2工況下服役壽命，是響應國家能源保穩政策，同時貫徹國家“雙碳”戰略目標的有效方式。

針對上述重大需求，天津大學汪懷遠教授帶領AFCC團隊開展了深入研究，將TiO2-ZnO異質結構負載到氧化石墨烯（GO）納米片表面，可有效誘導電子-空穴的分離并完成光致親水轉化功能。通過紫外光（UV）照射，PFDTMS改性的F/T-Z-G填料由疏水性轉變為親水性。利用上述思想設計具有表面親水自清潔，底層具有強效屏蔽性能的功能一體化涂層，該涂層可應用于CCUS領域高溫高壓苛刻工況下CO2運輸儲存設備腐蝕防護與自清潔。

EIS研究表明，在高溫高壓（2.8 MPa、110°C）CO2和3.5wt.% NaCl溶液環境中浸泡24小時后，20% F/T-Z-G聚脲在0.01Hz時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腐蝕后仍具有優異的防腐性能和阻隔性能，進一步證明本文設計的涂層可應用于CCUS工藝中CO2的儲運保護。

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溶液環境中浸泡24小時前(a)后(b)的EIS結果

上述結果為高含量CO2在高溫高壓（HTHP）環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，腐蝕介質很容易滲透到基板，在惡劣的CO2腐蝕環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，對惡劣CO2環境的抵抗力較差。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和氟基團的協同作用增強了涂層的屏蔽性能，同時微納米填料使涂層具有良好致密性而表現出優異的防腐能力。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境下具有優異的防腐性能。

圖2. (a)純聚脲涂層，(b) F/T-Z-G聚脲涂層的保護機制圖;和(c, d)機理轉化過程；(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。

對于純聚脲涂層（圖2a），腐蝕介質可以迅速到達鋼板表面并造成嚴重腐蝕，而F/T-Z-G聚脲涂層（圖2b）的保護機理可分為三部分：（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，有效抑制腐蝕介質的擴散。(2)含氟基團具有優異的疏水性能，有效防止水和腐蝕性介質接觸基材表面，進一步增強涂層的屏蔽性能。(3) 如圖2c、d所示，TiO2-ZnO異質結在涂層表面將氧氣或水分子捕獲形成羥基自由基(OH?)。同時，通過XPS表征可以得出結論，Fe2+和Fe3+與OH?結合形成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定保護膜覆蓋在鋼板的整個表面，降低了鋼板的腐蝕速率。

綜上所述，該工作設計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，既解決現有多層噴涂的問題又有效的應用于CCUS設備腐蝕領域。在此基礎上，團隊進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，為極端環境下CCUS裝備腐蝕防護提供了技術方案。

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

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