苯丙氨酸和酪氨酸緩蝕劑的緩蝕性能

曹 賀, 張 晨, 劉 瑕

(沈陽化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

金屬腐蝕是比較常見的一種化學(xué)反應(yīng)，在生活和生產(chǎn)中對經(jīng)濟造成巨大的影響.金屬的腐蝕一般分為3種：化學(xué)腐蝕、生物化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕.其中，又以電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象最為普遍，造成的危害也最為嚴(yán)重[1].添加緩蝕劑是抑制金屬腐蝕最經(jīng)濟有效的方法之一.氨基酸因具有綠色環(huán)保、價格低廉、來源廣泛等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種腐蝕防護領(lǐng)域[2-6]，并且緩蝕效果顯著[7-11].苯丙氨酸和酪氨酸含有苯環(huán)及親水基團，具有一定的緩蝕性能[12-16].本文選取苯丙氨酸和酪氨酸作為緩蝕劑，在0.1 mol/L的硫酸溶液中研究兩種氨基酸對碳鋼的緩蝕性能，并進一步探討其吸附方式和緩蝕機理.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)工作站(PAR2273)、紅外光譜儀(Nicolet IR-408)、電子天平(ATL-124-1)、恒溫加熱磁力攪拌器(CL-4).

苯丙氨酸、酪氨酸，均為分析純.

1.2 實驗方法

1.2.1 電極的制備

使用環(huán)氧樹脂將N80低碳鋼(化學(xué)成分見表1)固封制成工作電極，暴露面積為1 cm2.依次使用400#、600#、800#金相砂紙對工作電極表面進行打磨，然后酒精脫脂，去離子水沖洗，用硅膠干燥后備用.

表1 N80低碳鋼的化學(xué)成分

1.2.2 溶液的配制

分別稱取0.01 g、0.02 g、0.03 g、0.04 g的苯丙氨酸和酪氨酸溶解于400 mL、0.01 mol/L的H2SO4溶液中，制成0.025、0.050、0.075、0.100 g/L的待測溶液.

1.2.3 電化學(xué)測試

采用三電極體系進行電化學(xué)實驗，以飽和甘汞電極(SCE) 為參比電極，碳棒為輔助電極.選取極化曲線的掃描速率0.333 0 mV/s，掃描腐蝕電位-250～350 mV.測試電化學(xué)阻抗的頻率范圍為10～20 kHz，交流激勵信號幅值為5 mV.

2 結(jié)果與討論

2.1 極化曲線和阻抗的測試

2.1.1 極化曲線

N80低碳鋼在添加了苯丙氨酸、酪氨酸的0.1 mol·L-1硫酸溶液中的極化曲線如圖1、圖2所示，電化學(xué)參數(shù)如表2所示.

圖1 N80低碳鋼在含有苯丙氨酸的0.1mol/L H2SO4溶液中的極化曲線

圖2 N80低碳鋼在含有酪氨酸的0.1mol/L H2SO4溶液中的極化曲線

由圖1、圖2可以看出：在陽極低極化電位下，鋼片的溶解主要受電荷傳遞的過程控制.加入緩蝕劑后，陰陽極的腐蝕電流密度較空白溶液的腐蝕電流密度有所降低，這說明緩蝕劑對陰極陽極的腐蝕反應(yīng)均有一定地抑制作用.運用Tafel直線外推法對腐蝕電流密度等參數(shù)進行測定.緩蝕效率η的計算公式如下：

表2 N80低碳鋼在0.1 mol/L硫酸溶液中電化學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果

2.1.2 交流阻抗

N80低碳鋼在添加了苯丙氨酸、酪氨酸的0.1 mol·L-1硫酸溶液中的交流阻抗如圖3、圖4所示.

圖3 0.1 mol/L硫酸溶液及加入不同質(zhì)量濃度苯丙氨酸的N80低碳鋼的交流阻抗

圖4 0.1 mol/L硫酸溶液及加入不同質(zhì)量濃度酪氨酸的N80低碳鋼的交流阻抗

由圖3、圖4可以看出：阻抗弧隨緩蝕劑質(zhì)量濃度的增加而增大，緩蝕效率和緩蝕性能隨之提高，且苯丙氨酸緩蝕劑的緩蝕性能優(yōu)于酪氨酸.擬合數(shù)據(jù)列于表3中.緩蝕效率計算公式如下：

η/%=[(Rct-Rct0)/Rct]×100 %

式中:Rct和Rct0分別為添加和未添加緩蝕劑的溶液中的極化電阻.

表3 N80低碳鋼在含有不同質(zhì)量濃度緩蝕劑的0.1mol/L H2SO4的電荷傳遞電阻和緩蝕效率

由表2、表3可看出：交流阻抗的擬合數(shù)據(jù)與極化曲線的擬合數(shù)據(jù)結(jié)果基本保持一致，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度增加時，緩蝕效率增加，說明氨基酸的加入對N80低碳鋼在0.1 mol/L硫酸溶液中的腐蝕具有緩蝕作用，且緩蝕劑的緩蝕效率均隨質(zhì)量濃度的增大而明顯增大.這是由于氨基酸分子中的N具有孤對電子，能與含有空d軌道的碳鋼樣中的鐵離子形成配位共價鍵，在金屬表面形成一層薄膜，從而阻擋酸溶液中的H+使其較少地腐蝕碳鋼.

2.2 吸附方式

為進一步研究兩種緩蝕劑的吸附方式，先假設(shè)兩種緩蝕劑吸附在N80低碳鋼表面的分子吸附規(guī)律均符合Langmuir吸附模型，用在15 ℃下根據(jù)極化曲線得到的緩蝕效率表示其覆蓋度θ并分別代入Temkin、Langmuir和Freundlich吸附等溫式進行擬合.Langmuir吸附等溫式為：

ρ/θ=1/K+ρ

式中：ρ為緩蝕劑質(zhì)量濃度；K為Langmuir吸附平衡常數(shù)；θ為表面覆蓋度.

分別以ρ/θ為縱坐標(biāo)、質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)作圖，擬合直線，如圖5、圖6所示.

圖5 N80低碳鋼在含有不同質(zhì)量濃度苯丙氨酸的0.1 mol/L硫酸中Langmuir吸附等溫線

圖6 N80低碳鋼在含有不同質(zhì)量濃度酪氨酸的0.1 mol/L硫酸中Langmuir吸附等溫線

由圖5、圖6可看出：ρ/θ與ρ之間具有良好的線性關(guān)系；兩種緩蝕劑苯丙氨酸、酪氨酸線性相關(guān)系數(shù)R分別為0.961 3，0.981 3.這表明兩種緩蝕劑對N80低碳鋼表面的吸附與Langmuir吸附等溫式相一致.證明這兩種緩蝕劑的緩蝕機理主要是形成了吸附膜，進一步證明了電化學(xué)數(shù)據(jù)的推斷.

3 結(jié) 論

(1) 苯丙氨酸和酪氨酸在0.1 mol·L-1硫酸介質(zhì)中對N80低碳鋼都具有較好的緩蝕作用，苯丙氨酸顯示出更佳的緩蝕性能.

(2) 緩蝕劑結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)有助于提高緩蝕劑的緩蝕性能.

(3) 兩種緩蝕劑均符合Langmuir吸附等溫式.

[1] 張文謙，蔡邦宏.金屬腐蝕與防護的理論和方法[J].內(nèi)江科技，2011(3):109.

[2] JOVANCICEVIC V,RAM ACHANDRAN S,PRINCE P.Inhibition of CO2Corrosion of Mild Steel by Inidazoline Corrosion Inhibitor[J].Corrosion,1998，3(6):259-267.

[3] CRUZ-BORBOLLA J，MARTINEZ-AGUILERA L M R,SALCEDO R,et al.Reactivity properties of Derivatives of 2-imidazoline an Ab Intion DFT Study[J].International Journal of Quantum Chemistry,2001,85(4/5):546-556.

[4] 張軍,胡松青,張立紅，等.咪唑啉自組裝膜抑制CO2對碳鋼腐蝕的分子模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,24(1):141-144.

[5] LIU X Y,CHEN S H,ZHAI H Y.The Study of Self-assembled Films of Traiazole on Iron Electrodes Using Electrochemical Methods,XPS,SEM and Molecular Simulation[J].Electrochemistry Communications,2007,9(4):813-819.

[6] 吳偉明,楊萍,杜海燕，等.綠色緩蝕劑氨基酸在抑制金屬腐蝕方面的應(yīng)用[J].表面技術(shù),2006，35(6):51-52.

[7] OGUNDELE G L,WHITE W E.Some Observations on Corrosion of Carbon Steel in Aqueous Environments Containing Carbon Dioxide[J].Corrosion,1986,42(2):71-78.

[8] XIA Z,CHOU K C,SZKLARSKA-SMIALOWSKA Z.Pitting Corrosion of Carbon Steel in CO2-containing NaCl Brine[J].Corrosion,1989,45(8):636-648.

[9] NESIC S,POSTLETHWAITE J,OLSEN S.An Electrochemical Model for Prediction of Corrosion of Mild Steel in Aqueous Carbon Dioxide Solutions[J].Corrosion,1996,52(4):280-294.

[10] HAUSLER R H,STEGMANN D W.CO2Corrosion and Its Prevention by Chemical Inhibitionin in Oil and Gas Production[J].Corrosion,1988,44(1):5-9.

[11] 吳蔭順,鄭家燊.電化學(xué)保護和緩蝕劑應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:26-27.

[12] AMIN M A,KHALED K F,MOHSEN Q,et al.A Study of the Inhibition of Iron Corrosion in HCl Solutions by Some Amino Acids[J].Corrosion Science,2010,52(5):1684-1695.

[13] EL-RABIEE M M,HELAL N H,EL-HAFEZ G M A,et al.Corrosion Control of Vanadium in Aqueous Solutions by Amino Acids[J].Journal of Alloys and Compounds,2008,459(1/2):466-471.

[14] ASHASSI-SORKHABI H,ASGHARI E.Effect of Hydrodynamic Conditions on the inhibition Performance ofL-methionine as a “Green” Inhibitor[J].Electrochimica Acta,2008,54(2):162-167.

[15] KHALED K F.Corrosion Control of Copper in Nitric Acid Solutions Using Some Amino Acids：A Combined Experimental and Theoretical Study[J].Corrosion Science,2010,52(10):3225-3234.

[16] OGUZIE E E,LI Y,WANG F H.Corrosion Inhibition and Adsorption Behavior of Methionine on Mild Steel in Sulfuric Acid and Synergistic Effect of Iodide Ion[J].J.Coll.Interf.Sci.,2007,310(1):90-98.