一種油溶性咪唑啉緩蝕劑的合成及性能研究

牛 恒，張光華

(銀川能源學院，寧夏 銀川 750105)

苯甲酰胺類化合物具有很好的生物活性，可以和鐵離子發(fā)生螯合反應，牢固的吸附在金屬管道的表面，從而降低金屬管道的化學能，減緩設備及管道的腐蝕作用，因此，苯甲酰胺類化合物具有防護金屬管道腐蝕的潛能。本文利用苯甲酰氯與胺乙基油酸咪唑啉反應，后再與氯化芐反應合成了苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽緩蝕劑(BOAC)，增加了胺乙基油酸咪唑啉的表面活性，能更好的吸附在金屬表面，使緩蝕劑具有優(yōu)異的緩蝕效果。這種緩蝕劑具有高效，低毒的優(yōu)點，適用于原油采集輸送過程中設備及管道的腐蝕。

1 實驗

1.1 原料及儀器

油酸(AR，天津市致遠化學試劑廠)；二乙烯三胺(AR，中國派尼化學試劑廠)；氯化芐(AR，西安化學試劑廠)；二甲苯(AR，西安試劑廠)；三乙胺(AR，西安化學試劑廠)。

傅里葉紅外光譜儀(EQUINX55型)；熱重分析儀(TGAQ500)；紫外分光光度儀(HACH 5000型)。

1.2 緩蝕劑(BOAC)的合成

根據(jù)參考文獻[7]，以溶劑法合成油酸咪唑啉(OAC)中間體，備用。緩蝕劑(BOAC)分2步制得。第一步，先將油酸咪唑啉與三乙胺按物質(zhì)的量比1∶1.2加入三口燒瓶中攪拌，按照反應物質(zhì)的量比1∶1滴加苯甲酰氯，待反應穩(wěn)定后，水浴80℃回流6 h，反應結(jié)束。第二步，取上步反應制得的苯甲酰胺油酸咪唑啉于三口燒瓶中，按照反應物質(zhì)的量比1∶1，緩慢滴加氯化芐，水浴80℃回流4 h，反應結(jié)束。減壓蒸餾除去溶劑，得到紅褐色粘稠狀目標產(chǎn)物—苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽緩蝕劑(BOAC)。

1.3 緩蝕速率的測定

參考石油天然氣行業(yè)標準SY/5273-2000中的靜態(tài)掛片失重法，對緩蝕劑BOAC進行性能評價，掛片材料選用為Q235鋼。

1.4 油水遷移

取7支潔凈的試管，在其中注入10 mL的蒸餾水，再分別注入10 mL用93#汽油配制的不同濃度的緩蝕劑，另取7支潔凈的試管，在其中注入10 mL的0.1 mol/L NaCl溶液，方法同上。放置12 h后，用紫外分光光度計測定水相中的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成原理

2.1.1 油酸咪唑啉(OAC)的合成

首先油酸與二乙烯三胺通進行脫水反應，通過升溫使二甲苯與水共沸，將水帶出，推動反應的進行。繼續(xù)升溫，進行第二次脫水反應，完成環(huán)化反應。利用過分水器測定出水量，待分出水的體積達到理論產(chǎn)水值后，判斷反應的終點。反應過程中應注意控制溫度和二甲苯的用量，溫度過高或二甲苯量過多，都不利于反應形成。

2.1.2 苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽(BOAC)的合成

第一步：苯甲酰氯與油酸咪唑啉側(cè)鏈氨基上的氫反應，脫去一分子HCl而形成苯甲酰胺油酸咪唑啉。為確保反應順利進行，可以三乙胺作為溶劑，吸收反應中產(chǎn)生的氯化氫。

第二步：利用氯化芐與合成的苯甲酰胺油酸咪唑啉發(fā)生季銨化反應，得到目標產(chǎn)物。滴加氯化芐時，溫度不易過高。

2.2 結(jié)構表征

取少量目標產(chǎn)物：油酸咪唑啉(OAC)和苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽(BOAC)分別進行紅外譜圖分析，見圖1、2。

圖1 油酸咪唑啉(OAC)的紅外譜圖

圖2 苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽(BOAC)的紅外譜圖

從圖2中可以看出，與圖1進行對比，在1535.82 cm-1處也重現(xiàn)出現(xiàn)了N-H彎曲振動吸收峰，在1652.62 cm-1處重現(xiàn)出現(xiàn)了明顯C=O伸縮振動峰。還有除在1604.02 cm-1處出現(xiàn)了咪唑啉環(huán)的C=N吸收峰外，在1645.240 cm-1處出現(xiàn)了C=O伸縮振動吸收峰，由此表明，合成產(chǎn)物為苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽(BOAC)。

2.3 BOAC緩蝕劑的緩蝕劑性能

2.3.1 緩蝕劑濃度的影響

圖3 濃度對BOAC緩蝕率的影響

將Q235鋼片放入濃度為10，20，30，40，50，100，200 mg/L的BOAC緩蝕劑-鹽酸溶液中反應，實驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著BOAC緩蝕劑濃度的增加，其對Q235鋼片的緩蝕作用也不斷增強，緩蝕率不斷增大。當達到一定值時，緩蝕率隨著緩蝕劑劑量的增大而緩慢增大。表明BOAC緩蝕劑在鋼片表面形成了一層簡單的吸附膜，隨著緩蝕劑劑量的增大膜的密度隨之增大并至飽和。當濃度為100 mg/L時的BOAC緩蝕劑緩蝕率達到了93.70%。

2.3.2 反應溫度的影響

用水浴鍋控制反應溫度，將Q235鋼放入不同濃度的緩蝕劑鹽酸溶液中反應，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 溫度對BOAC緩蝕率的影響

從圖4中可以看出，隨著溫度德升高，BOAC緩蝕劑的緩蝕率明顯上升，說明隨著溫度的升高，促進了BOAC緩蝕劑的溶解-吸附作用，增大了其緩蝕性，符合預期判斷。但理論上吸附的同時也伴隨著脫附過程，隨著溫度的升高，脫附過程加劇，在較低濃度BOAC緩蝕劑的緩釋效果并不是會好，只有達到一定濃度是，BOAC緩蝕劑在不同溫度下的緩釋效果才顯現(xiàn)出來。

2.3.3 反應酸度的影響

將Q235鋼放入不同濃度、不同酸度的的緩蝕劑鹽酸溶液中反應，實驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著鹽酸濃度的增大，緩蝕率顯著降低。說明，酸度對BOAC緩蝕劑作用影響較大，該緩蝕劑在低酸度時使用緩蝕效果會較好。

圖5 酸度對BOAC緩蝕率的影響

2.4 緩蝕劑BOAC的TGA分析

從圖6中可以看出，從常溫到100℃，BOAC緩蝕劑的重量基本沒有變化。從100℃到270℃，BOAC緩蝕劑的重量損失了8.87%。從270℃到450℃BOAC緩蝕劑的質(zhì)量損失為85.38%。實驗證明，BOAC緩蝕劑具有很好的熱穩(wěn)定性，在溫度高于270℃時，BOAC緩蝕劑質(zhì)量才開始減少。說明該緩蝕劑可以應用于設備及管道所處的高溫環(huán)境，而不至于分解失效。

圖6 BOAC緩蝕劑的TGA圖

2.5 BOAC緩蝕劑在油水兩相的遷移狀況

用93#汽油配制0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.5，1.0 g/L的BOAC緩蝕劑，封口。通過紫外分光光度法來測定BOAC緩蝕劑在油水兩相的分配系數(shù)，其結(jié)果見圖7。

圖7 BOAC緩蝕劑在油水兩相的遷移狀況

BOAC緩蝕劑通過界面吸附發(fā)生油水兩相分配。從圖7中可以看出，隨著BOAC緩蝕劑濃度的增大，其在油水兩相的分配系數(shù)隨濃度的增大而先增加，當BOAC緩蝕劑濃度達到4g/L以后，其分配系數(shù)又開始減小。這與緩蝕劑的結(jié)構有很大的關系，BOAC緩蝕劑既有親水基又有親油基，這就決定了它在油水兩相的傳質(zhì)。

BOAC緩蝕劑濃度很低時，由于其親水基團的親水作用，BOAC緩蝕劑分子自油中逃離而在油水界面上聚集，而水相的存在更加大了這種趨勢，所以大部分BOAC緩蝕劑分子集中在油水界面上。隨著參與分配BOAC緩蝕劑濃度的增大，其在油水界面上的聚集逐漸增加并趨于平衡。

3 結(jié)論

以油酸與二乙烯三胺為原料合成油酸咪唑啉物質(zhì)的量比為1∶1.2，二甲苯做為攜水劑。反應過程中應注意加入攜水劑的量以及溫度的控制。苯甲酰胺油酸咪唑啉季銨鹽的反應分兩步進行。第一步油酸咪唑啉與苯甲酰氯反應，三乙胺作為縛酸劑，物質(zhì)的量比為1∶1∶1.2，合成苯甲酰胺油酸咪唑啉。第二步苯甲酰胺油酸咪唑啉與氯化芐1∶1反應，得到目標產(chǎn)物。利用靜態(tài)腐蝕法研究了目標產(chǎn)物具有很好的緩蝕效果。利用熱重分析結(jié)果表明，緩蝕劑(BOAC)熱穩(wěn)定性較好，可以應用于設備及管道所處的高溫環(huán)境。