哌啶衍生物對(duì)碳鋼在鹽酸溶液中的緩蝕作用

于雪晨，石 遒，張 旗，劉治田

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

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哌啶衍生物對(duì)碳鋼在鹽酸溶液中的緩蝕作用

于雪晨，石 遒，張 旗*，劉治田*

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073)

以鹽酸溶液模擬腐蝕環(huán)境，采用靜態(tài)失重法研究了哌啶衍生物C18H28N2-2(CnH2n+1)·2Cl(n為疏水鏈碳原子數(shù))對(duì)Q235碳鋼的緩蝕作用。結(jié)果表明，該類哌啶衍生物是一種高效的緩蝕劑，其緩蝕率隨溫度的升高而降低、隨濃度的升高而升高；該類哌啶衍生物在鹽酸溶液中對(duì)Q235碳鋼的吸附符合Langmuir等溫模型；腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析表明，該類哌啶衍生物在Q235碳鋼表面的吸附行為以化學(xué)吸附為主，其吸附過(guò)程為放熱過(guò)程；在鹽酸溶液模擬腐蝕環(huán)境中加入該類哌淀衍生物能大大提高腐蝕反應(yīng)的表觀活化能，增加反應(yīng)勢(shì)壘，抑制腐蝕反應(yīng)，從而達(dá)到緩蝕效果。

哌啶衍生物；緩蝕作用；化學(xué)吸附；Langmuir等溫模型

金屬腐蝕是指腐蝕性氣體、液體等腐蝕介質(zhì)對(duì)金屬所造成的損傷，這種損傷會(huì)大大降低金屬材料的強(qiáng)度，縮短金屬器件的使用壽命，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。金屬腐蝕現(xiàn)象相當(dāng)普遍，尤其是碳鋼的腐蝕[1-2]，許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程(如酸洗除垢、油井酸化等[3])常用到酸性溶液，而金屬在酸性溶液中的腐蝕速度很快。金屬腐蝕會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，如何減緩和防止金屬腐蝕一直是重要的研究課題。向腐蝕溶液中添加有機(jī)緩蝕劑是近年來(lái)發(fā)展的一種重要的防腐蝕手段[4]。當(dāng)緩蝕劑添加到腐蝕介質(zhì)中時(shí)，它們可以吸附在金屬表面形成保護(hù)層，以減緩和避免腐蝕的發(fā)生，從而減少金屬的損傷[5-6]。

作者以鹽酸溶液模擬腐蝕環(huán)境，采用靜態(tài)失重法測(cè)定了哌啶衍生物C18H28N2-2(CnH2n+1)·2Cl(n=10、12、14)對(duì)Q235碳鋼的緩蝕作用，并利用熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方法分析了其緩蝕行為，探究了其緩蝕機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

腐蝕物：Q235碳鋼(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)腐蝕試片，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)HG5-1256-83，C≤0.19%,Si≤0.28%，Mn≤0.52%，P≤0.03%，S≤0.03%，Cr≤0.025%，Ni≤0.30%，Cu≤0.25%)，制成25mm×50mm×2mm的薄片，依次用600目、1 000目和1 200目砂紙打磨成鏡面，并分別用乙醇和丙酮超聲清洗，干燥后稱重，備用。

腐蝕環(huán)境：用鹽酸(HCl含量37%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)及蒸餾水(298.15K時(shí)電導(dǎo)率小于3μS·cm-1)配制成1mol·L-1鹽酸溶液模擬腐蝕環(huán)境。

緩蝕劑：自制的哌啶衍生物C18H28N2-2(CnH2n+1)·2Cl(n=10、12、14)，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 哌啶衍生物的分子結(jié)構(gòu)

為了表述方便，用10-C表示C18H28N2-2(C10H21)·2Cl，用12-C表示C18H28N2-2(C12H25)·2Cl，用14-C表示C18H28N2-2(C14H29)·2Cl。

1.2 方法

采用靜態(tài)失重法，將不同濃度(1×10-4、5×10-5、1×10-5、5×10-6、1×10-6、5×10-7，mol·L-1)的哌啶衍生物10-C、12-C和14-C分別溶解在1 mol·L-1鹽酸溶液中，配制成不同濃度的緩蝕劑溶液。如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，緩蝕劑濃度均指在1 mol·L-1鹽酸溶液中的緩蝕劑濃度。

分別在303.15 K、313.15 K、323.15 K下將碳鋼放入緩蝕劑溶液中，浸泡90 min后取出，用蒸餾水沖洗碳鋼并用吸水紙吸干，再次稱重，計(jì)算碳鋼的質(zhì)量損失；同法測(cè)定碳鋼在1 mol·L-1鹽酸溶液中的質(zhì)量損失。按式(1)～(3)計(jì)算碳鋼在緩蝕劑溶液中的緩蝕率(E)、平均腐蝕速率(v)和表面覆蓋度(θ)：

(1)

(2)

(3)

式中：ΔW0是碳鋼在1mol·L-1鹽酸溶液中的質(zhì)量損失，mg；ΔW是碳鋼在緩蝕劑溶液中的質(zhì)量損失，mg；S是碳鋼的表面積，cm2；t是腐蝕時(shí)間，min。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)失重法結(jié)果

303.15K時(shí)，3種哌啶衍生物10-C、12-C、14-C的緩蝕率隨濃度的變化曲線如圖2所示。

圖2 303.15 K時(shí)3種哌啶衍生物的緩蝕率與濃度的關(guān)系

從圖2可以看出：(1)隨著派啶衍生物濃度的升高，緩蝕率逐漸升高，在濃度為1×10-5mol·L-1時(shí)，緩蝕率達(dá)到95%以上；繼續(xù)升高濃度，緩蝕率變化不大。表明該類哌啶衍生物在鹽酸環(huán)境中對(duì)碳鋼的腐蝕有明顯的抑制效果，且在非常低的濃度下仍具有良好的緩蝕作用。(2)在相同濃度下，3種哌啶衍生物的緩蝕率大小順序?yàn)椋?0-C>12-C>14-C。表明在本實(shí)驗(yàn)所涉及的碳鏈長(zhǎng)度內(nèi)，哌啶衍生物的緩蝕率隨碳鏈長(zhǎng)度的增加而降低，這可能是因?yàn)?，碳鏈過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致空間位阻增大，緩蝕劑無(wú)法完全覆蓋在金屬表面，從而使得疏水鏈起到的隔離作用減弱，緩蝕率降低[7-8]。在313.15 K和323.15 K時(shí)3種派啶衍生物的緩蝕率與濃度之間表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。

以10-C為例，考察該類派啶衍生物在不同溫度下的緩蝕效果，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在相同濃度下，隨著溫度的升高，緩蝕率逐漸下降。

2.2 腐蝕熱力學(xué)分析

有機(jī)緩蝕劑對(duì)金屬的保護(hù)作用一般是吸附在金屬表面形成保護(hù)層，有效隔離金屬和腐蝕介質(zhì)，從而阻止電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。表1列出了靜態(tài)失重法計(jì)算的3種哌啶衍生物在不同溫度下的表面覆蓋度。

圖3 哌啶衍生物10-C在不同溫度下的緩蝕率

分別用Temkin、Langmuir、Frumkin和Freundluich等溫模型對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)和表面覆蓋度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)該類哌啶衍生物在碳鋼表面的吸附行為最符合Langmuir吸附等溫線(R2>0.99)。因此，根據(jù)Langmuir方程：

(4)

式中：c為緩蝕劑濃度；Kads為吸附系數(shù)，Kads越大，吸附作用越強(qiáng)。

表1 3種哌啶衍生物在不同溫度下的表面覆蓋度Tab.1 The surface coverage degrees of three kinds of piperidine derivatives at different temperatures

c/θ與c呈線性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4所示(以10-C為例)。

圖4 哌啶衍生物10-C在不同溫度下的Langmuir吸附等溫線

根據(jù)所得直線截距1/Kads可求出吸附系數(shù)Kads，如表2所示。

從表2可知，Kads值較大。表明在鹽酸溶液中，該類哌啶衍生物在碳鋼表面有著較強(qiáng)的吸附作用。

(5)

表2 Langmuir吸附等溫線相關(guān)參數(shù)Tab.2 Langmuir adsorption isothermal parameters

(6)

表3 哌啶衍生物在碳鋼表面的吸附熱力學(xué)參數(shù)

2.3 腐蝕動(dòng)力學(xué)分析

在303.15～323.15 K溫度范圍內(nèi)，腐蝕反應(yīng)的表觀活化能可以通過(guò)阿倫尼烏斯公式計(jì)算[12]：

(7)

式中：A是阿倫尼烏斯指前因子(mg·cm-2· min-1)；Ea是表觀活化能(kJ·mol-1)。

對(duì)lnv和1/T進(jìn)行線性擬合，根據(jù)擬合直線的斜率(-Ea/R)和截距l(xiāng)nA計(jì)算Ea和A，結(jié)果列于表4。

表4 哌啶衍生物在碳鋼表面吸附的表觀活化能

從表4可知，加入哌啶衍生物后，表觀活化能Ea和指前因子A均顯著增大。表明哌啶衍生物與碳鋼表面發(fā)生了吸附，阻礙了腐蝕過(guò)程，增加了腐蝕反應(yīng)勢(shì)壘[13]，使得腐蝕反應(yīng)發(fā)生的難度增大，從而達(dá)到了緩蝕效果。

3 結(jié)論

哌啶衍生物C18H28N2-2(CnH2n+1)·2Cl(n為疏水鏈碳原子數(shù))在1 mol·L-1鹽酸溶液中對(duì)碳鋼有著很好的緩蝕作用，在較低濃度(1×10-5mol·L-1)下即能發(fā)揮較好的緩蝕效果(>95%)，是一種有應(yīng)用價(jià)值的高效緩蝕劑。該類哌啶衍生物在Q235碳鋼表面的吸附符合Langmuir等溫模型，吸附過(guò)程自發(fā)且以化學(xué)吸附為主，其吸附過(guò)程為放熱過(guò)程，升高溫度不利于吸附的進(jìn)行，緩蝕率相應(yīng)下降。在鹽酸溶液模擬腐蝕環(huán)境中加入該類哌啶衍生物可以大大提高其表觀活化能，增加腐蝕反應(yīng)勢(shì)壘，抑制腐蝕反應(yīng)，達(dá)到緩蝕效果。

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Corrosion Inhibition Effect of Piperidine Derivatives on Carbon Steel in Hydrochloric Acid Solution

YU Xue-chen,SHI Qiu,ZHANG Qi*,LIU Zhi-tian*

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430073,China)

Usinghydrochloricacidsolutiontosimulateacorrosiveenvironment,thecorrosioninhibitioneffectofpiperidinederivativesC18H28N2-2(CnH2n+1)·2Cl(nwasthecarbonnumbersofhydrophobicalkylchain)oncarbonsteelQ235wasstudiedbyastaticweight-lossmethod.Resultsshowedthat,thepiperidinederivativeswerehigh-efficientcorrosioninhibitors,andtheirinhibitionratedecreasedwiththeincreasingoftemperatureanddecreasingofconcentration.TheadsorptionofthepiperidinederivativesoncarbonsteelQ235inhydrochloricacidsolutionaccordedwithLangmuirisothermalmodel.Theanalysisofthermodynamicsandkineticsofcorrosionshowedthat,theadsorptionbehaviorofthepiperdinederivativesoncarbonsteelQ235wasmainlychemicaladsorption,andtheadsorptionprocesswasanexothermicprocess.Addingthepiperidinederivativesintohydrochloricacidsolutionsimulatedcorrosiveenvironmentcouldgreatlyincreasetheapparentactivationenergyofcorrosionreaction,increasethereactionbarrier,andinhibitcorrosionreaction.

piperidinederivative;corrosioninhibitioneffect;chemicaladsorption;Langmuirisothermalmodel

2017-02-14

于雪晨(1990-)，男，湖北武漢人，碩士研究生，研究方向：緩蝕劑的制備及性能；通訊作者：張旗，講師，E-mail：whzq_2014@163.com；劉治田，教授，E-mail：able.ztliu@gmail.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.06.013

O646 TG174.42

A

1672-5425(2017)06-0060-05

于雪晨，石遒，張旗，等.哌啶衍生物對(duì)碳鋼在鹽酸溶液中的緩蝕作用[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(6)：60-64.