茶渣提取物在HCl 中對Q235 鋼的緩蝕性能研究

王 皓，劉嘉奇，陶愛寧，周利紅，周匯蘭，陳書軍

（遵義師范學院化學化工學院，貴州 遵義 563006）

Q235 鋼具有良好的強度、可塑性和可焊接等性能，目前已廣泛應用于高壓輸電鐵塔、鍋爐、橋梁、船舶等領域。然而，Q235 鋼在使用過程中易發(fā)生腐蝕，從而導致設備失效，甚至引發(fā)安全事故。使用緩蝕劑是金屬防腐蝕的常用手段，由于植物型緩蝕劑具有高效、環(huán)保、易制備等優(yōu)點[1-5]，目前受到了廣泛關注。例如，Jorge 等[6]從柑橘皮中提取出了對碳鋼具有緩蝕性能的果膠；本課題組[7]研究表明，廣玉蘭葉提取物能有效減緩Q235 鋼在鹽酸中的腐蝕。貴州省遵義市茶葉資源豐富，在茶葉加工生產(chǎn)過程中不可避免會產(chǎn)生下腳料，當前對這部分茶渣的利用途徑較少，且附加值低[8]。為此，本文通過蒸餾水浸提法制備了茶渣提取物（TRS），通過傅里葉紅外光譜分析了TRS 的成分，采用電化學測試與掃描電鏡研究了TRS 的緩蝕性能，以期為茶渣提取物用作金屬緩蝕劑提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗材料

Q235 鋼化學組成：C 12%，S 1.0%，Si 14%，P 1.9%，Mn 35%，F(xiàn)e 36.1%。茶渣購買于遵義市湄潭縣。1mol/L HCl 采用濃鹽酸和蒸餾水配制。Q235鋼被切割成1cm×1cm×1cm 和0.5cm×0.5cm×0.5cm的試樣，分別用于制備工作電極和SEM 測試試樣。

1.2 茶渣提取物的制備

茶渣提取物（TRS）制備流程：將購買的茶渣洗凈、烘干、磨碎，取20g 茶渣粉末，加入400mL 蒸餾水，100℃加熱回流4h，真空抽濾，將濾液冷凍干燥，得到深棕色固體（TRS）。采用IRPresti 型傅里葉變換紅外光譜儀分析TRS 的成分，波數(shù)范圍為400～4000cm1。

1.3 電化學測量

使用CHI660E 電化學工作站進行電化學實驗。采用三電極體系，Q235 鋼試樣作為工作電極，鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極。開路電位測試時間設置為1200s，使工作電極表面達到穩(wěn)定狀態(tài)。電化學阻抗測試采用5mV 的正弦電壓作為激勵信號，掃描頻率范圍設置為105～10-2Hz。動電位極化曲線測試的電位掃描區(qū)間設置為EOCP±250mV，掃描速率設定為1mV/s。

1.4 掃描電鏡測試

分別采用400#～7000#的砂紙打磨Q235 鋼試樣至光亮，將打磨后的鋼試樣分別浸泡在含有和不含2.0g/L TRS 的1mol/L HCl 溶液中3h，分別用丙酮、無水乙醇與蒸餾水超聲清洗，吹干浸泡后的試樣，用KYKY-EM6900 型掃描電鏡觀察試樣腐蝕后的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 物質結構表征

圖1 為茶渣提取物的紅外光譜圖。在3273cm-1處為水、多糖或茶多酚中的-OH 伸縮振動吸收峰；2926cm-1處為C-H 伸縮振動吸收峰[9]；1651cm-1處為酰胺I帶中C=O伸縮振動吸收峰；1455cm-1、1326cm-1處為C-H 彎曲振動吸收峰[10]；613cm-1處為N-H 面外彎曲振動吸收峰。以上特征吸收峰表明TRS 與茶葉的化學組成相似[11]，含有豐富的N、O 雜原子以及不飽和基團，這些雜原子或不飽和基團可作為吸附基吸附在金屬表面[12]，形成薄膜從而阻止腐蝕介質對金屬的侵蝕。由此可以判斷，TRS 可以作為金屬潛在的高效緩蝕劑。

圖1 TRS 紅外光譜圖

2.2 電化學測試

2.2.1 動電位極化曲線

圖2 為Q235 鋼在298K、不同濃度TRS、1mol/L HCl 中的動電位極化曲線。由圖2a 與2b 可知，添加TRS 后腐蝕電流密度減小，因此Q235 鋼的腐蝕得到抑制。此外，隨著TRS 濃度增加或溶液溫度降低，極化曲線陰、陽極腐蝕電流密度明顯減小，表明適當增加TRS 濃度或者降低溶液溫度，有利于TRS緩蝕能力的提高。對比圖中陰、陽極腐蝕電流密度可以發(fā)現(xiàn)，陰極極化電流密度降低得更加顯著，意味著TRS 在HCl 中對Q235 鋼是一種陰極抑制更為明顯的混合型緩蝕劑。

圖2 Q235 鋼在1mol/L HCl 中的動電位極化曲線

為了定量分析碳鋼在HCl 介質中的緩蝕性能，利用Tafel外推法得到腐蝕電流密度（Icorr）、腐蝕電位（Ecorr）、陰極斜率（ c）、陽極斜率（ a）以及緩蝕效率（=(Icorr,0-Icorr)/Icorr,0），結果列于表1、表2。如表1 所示，加入TRS 后，腐蝕電位變化值小于85mV，由此可以判斷TRS 為混合型緩蝕劑[13]。從表1、表2 中數(shù)據(jù)可以看出，隨著提取物濃度增加或者溶液溫度降低，腐蝕電流密度不斷減小，緩蝕效率也逐漸提高。在293K、TRS 加入量為2.0g/L 時，腐蝕電流密度下降至0.033mA·cm-2，緩蝕效率高達95.41%。

表1 Q235 鋼在298K、不同濃度TRS、1mol/L 鹽酸中的極化曲線參數(shù)

表2 不同溫度下Q235 鋼在2g/L TRS、1mol/L 鹽酸中的極化曲線參數(shù)

2.2.2 交流阻抗測試

圖3 是Q235 鋼在不同條件下HCl 溶液中的交流阻抗譜。如圖3a，隨著TRS 在鹽酸溶液中濃度的增加，容抗弧的半徑顯著增大，說明Q235 鋼表面腐蝕反應的電子傳輸過程減緩，即Q235 鋼與HCl 溶液界面的電荷轉移電阻增大。這表明加入TRS 后，增加了Q235 鋼表面的電荷傳遞阻力，從而抑制了Q235 鋼的腐蝕。從圖3b 可見，隨著腐蝕溶液溫度升高，容抗弧的半徑減小，這是由于溫度升高，TRS分子的熱運動加劇，TRS 分子在Q235 鋼表面的脫附效應增強，降低了TRS 對腐蝕介質的阻隔能力。

圖3 Q235 鋼在1mol/LHCl 中的交流阻抗譜

通過圖4 的等效電路擬合阻抗譜數(shù)據(jù)，擬合結果見表1、表2。其中，Rs為溶液電阻，Rct表示腐蝕反應的電荷轉移電阻，Cdl表示界面雙電層電容，為緩蝕效率，計算公式如式（1），式中Rct和Rct,0分別表示添加和未添加TRS 時的電荷轉移電阻。

圖4 擬合電化學阻抗譜數(shù)據(jù)的等效電路

由表3 可知，Rct與的數(shù)值隨著提取物濃度的增加而增大，雙電層電容Cdl值隨著TRS 濃度增加而減小，表明增加TRS濃度有利于更多的TRS 分子在金屬表面吸附，從而起到增強抑制金屬腐蝕的作用。從表4 可以看出，隨著溶液溫度的升高，Rct與的數(shù)值不斷降低，Cdl值逐漸增大，說明升高溫度降低了TRS 在鹽酸中對Q235 鋼的緩蝕性能。

表3 Q235 鋼在298K、不同濃度TRS、1mol/L 鹽酸中的阻抗圖譜擬合參數(shù)

表4 不同溫度下Q235 鋼在2.0g/LTRS、1mol/L 鹽酸中的阻抗圖譜擬合參數(shù)

2.3 SEM 分析

圖5 是Q235 鋼在不同條件、HCl溶液中浸泡3h后的SEM 圖。由圖5a 可以發(fā)現(xiàn)，Q235 鋼在含有2.0g/L TRS 的鹽酸溶液中浸泡后，表面出現(xiàn)輕微腐蝕，拋光打磨的痕跡依然清晰可見。而圖5b 中的Q235 鋼浸泡后，出現(xiàn)了較為嚴重的腐蝕，表面變得粗糙并出現(xiàn)大量腐蝕坑。因此，SEM 測試結果表明TRS 能有效抑制Q235 鋼在鹽酸中的腐蝕，這一結論與電化學測試結果相吻合。

圖5 Q235 鋼試片在腐蝕液中浸泡3h 后的SEM 形貌圖

3 結論

（1）以蒸餾水為溶劑，通過加熱回流制備得到了茶渣提取物TRS，紅外研究表明TRS含有豐富的N、O 雜原子以及不飽和基團的共軛結構，可以作為潛在的金屬緩蝕劑。

（2）電化學測試顯示，TRS 對Q235 鋼具有良好的緩蝕性能，其緩蝕能力隨TRS濃度的增加而增強，隨溫度升高而降低。SEM 測試結果進一步證明了TRS 對Q235 鋼具有良好的緩蝕性能。