汪怀远教授AFCC团队 CST：CCUS领域高温高压CO2设备腐蚀防护

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

国际上将碳捕集、利用与封存（CCUS）作为实现长期减碳减排的重要措施，CCUS技术对于降低全球二氧化碳排放量至关重要。CCUS也是实现我国长期绿色低碳发展的必然选择和重要举措，然而CCUS技术高速发展必然会带来装备的腐蚀与防护难题。通常在高温高压条件下，或在水、氮氧化物和有机污染物存在的情况下CCUS会对设备造成两种腐蚀。一种是以超临界CO2为主体，超临界状态下的CO2具有特殊的溶解性能，会将金属表面防护层中稳定成分溶解，造成涂层失效；另一种是水为主体，其中含有的离子会增强溶液的电导率促进碳酸的腐蚀反应，造成腐蚀的加剧。因此，亟需新型涂层防腐技术，大幅延长和保障装备在苛刻CO2工况下服役寿命，是响应国家能源保稳政策，同时贯彻国家“双碳”战略目标的有效方式。

针对上述重大需求，天津大学汪怀远教授带领AFCC团队开展了深入研究，将TiO2-ZnO异质结构负载到氧化石墨烯（GO）纳米片表面，可有效诱导电子-空穴的分离并完成光致亲水转化功能。通过紫外光（UV）照射，PFDTMS改性的F/T-Z-G填料由疏水性转变为亲水性。利用上述思想设计具有表面亲水自清洁，底层具有强效屏蔽性能的功能一体化涂层，该涂层可应用于CCUS领域高温高压苛刻工况下CO2运输储存设备腐蚀防护与自清洁。

EIS研究表明，在高温高压（2.8 MPa、110°C）CO2和3.5wt.% NaCl溶液环境中浸泡24小时后，20% F/T-Z-G聚脲在0.01Hz时的阻抗比纯聚脲涂层高约1000倍。20% F/T-Z-G聚脲涂层在高压CO2腐蚀后仍具有优异的防腐性能和阻隔性能，进一步证明本文设计的涂层可应用于CCUS工艺中CO2的储运保护。

图1. 分别为纯聚脲涂层、20% T-Z-G聚脲涂层、20% F/T-Z-G聚脲涂层、HTHP聚脲涂层、HTHP 20% T-Z-G聚脲涂层和HTHP 20% F/T-Z-G聚脲涂层在2.8 MPaCO2和3.5wt.% NaCl溶液环境中浸泡24小时前(a)后(b)的EIS结果

上述结果为高含量CO2在高温高压（HTHP）环境下涂层的防腐性能。图1为纯聚脲、20% T-Z-G聚脲和20% F/T-Z-G在2.8 MPa CO2、110℃和3.5wt.% NaCl溶液环境中的波特图。浸泡前后聚脲涂层的阻抗模量和相角曲线分别远低于20% T-Z-G聚脲涂层和20% F/T-Z-G聚脲涂层，表明纯聚脲涂层由于本身存在一定的微孔，腐蚀介质很容易渗透到基板，在恶劣的CO2腐蚀环境下使涂层几乎被完全破坏。20% T-Z-G聚脲涂层由于具有亲水性，对恶劣CO2环境的抵抗力较差。值得注意的是，20% F/T-Z-G聚脲涂层在浸泡前后的阻抗和相位角曲线仅略有下降（图2 a）这是由于GO和氟基团的协同作用增强了涂层的屏蔽性能，同时微纳米填料使涂层具有良好致密性而表现出优异的防腐能力。综上所述，20% F/T-Z-G聚脲涂层的阻抗模量和相角曲线表明该涂层在高温高压环境下具有优异的防腐性能。

图2. (a)纯聚脲涂层，(b) F/T-Z-G聚脲涂层的保护机制图;和(c, d)机理转化过程；(e) 20% F/T-Z-G聚脲涂层下基材的XPS总光谱图：(f)Fe2p (g) O1s 和 (h) C1s。

对于纯聚脲涂层（图2a），腐蚀介质可以迅速到达钢板表面并造成严重腐蚀，而F/T-Z-G聚脲涂层（图2b）的保护机理可分为三部分：（1）F/T-Z提高了GO的分散性，使聚脲基体更致密、缺陷和孔隙更少，有效抑制腐蚀介质的扩散。(2)含氟基团具有优异的疏水性能，有效防止水和腐蚀性介质接触基材表面，进一步增强涂层的屏蔽性能。(3) 如图2c、d所示，TiO2-ZnO异质结在涂层表面将氧气或水分子捕获形成羟基自由基(OH?)。同时，通过XPS表征可以得出结论，Fe2+和Fe3+与OH?结合形成Fe3O4，然后在钢表面形成钝化膜（图2 e-h）。涂层与钢板界面形成的稳定保护膜覆盖在钢板的整个表面，降低了钢板的腐蚀速率。

综上所述，该工作设计制备了表层亲水自清洁和底层疏水防腐的多功能一体防腐涂层，既解决现有多层喷涂的问题又有效的应用于CCUS设备腐蚀领域。在此基础上，团队进一步将涂层耐蚀性能提高到覆盖20MPa、150℃的CO2超临界液体腐蚀范围，为极端环境下CCUS装备腐蚀防护提供了技术方案。

相关工作近期以“A novel self-cleaning functional composite coating with extraordinary anti-corrosion performance in high pressure CO2 conditions”为题发表在《Composites Science and Technology》。东北石油大学硕士生罗红欣为论文第一作者，通讯作者为天津大学化工学院汪怀远教授和东北石油大学王池嘉副教授。

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