綠茶提取物作為酸洗緩蝕劑的性能研究

摘 要： 在眾多金屬防腐方法中，緩蝕劑具有用量少、效果明顯、方便經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，備受研究人員的關(guān)注，而近年來，植物提取物由于其來源廣泛，綠色環(huán)保等優(yōu)勢更是研究熱點(diǎn)。使用超聲提取法從綠茶中提取活性物質(zhì)作金屬酸洗緩蝕劑，采用了失重法探究了其在1mol·L-1HCl溶液中對碳鋼片的緩蝕作用，并通過單因素實驗和正交實驗（L9（33））探究不同溫度、不同時間和不同綠茶提取物濃度下對碳鋼片的緩蝕效率，為后續(xù)工作提供一定的數(shù)據(jù)支撐。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在實驗溫度為30℃，作用時間為10h，緩蝕劑用量為0.16mg·mL-1時，具有良好的緩蝕效率，可以達(dá)到88.60%。最后通過紅外表征初步探討了其緩蝕機(jī)理。

關(guān) 鍵 詞：超聲提取； 綠茶； 緩蝕劑； 正交實驗

中圖分類號：TG174.42文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-1186-05

碳鋼作為一種重要的合金材料，由于價格低廉，具有良好的可塑性與加工性等優(yōu)點(diǎn)在人類生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著重要作用[1]。但是無論在哪個領(lǐng)域的應(yīng)用中，碳鋼的腐蝕都無法避免，而腐蝕不僅會對工業(yè)設(shè)備等造成巨大損害，給經(jīng)濟(jì)帶來損失，還會帶來重大生產(chǎn)安全事故隱患，對自然環(huán)境造成巨大影響[2]。

經(jīng)過多年的研究，常見地減緩金屬腐蝕方法有：覆蓋層保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)、緩蝕劑保護(hù)等。在眾多金屬緩蝕的方法中，緩蝕劑保護(hù)法[3]由于用量少，效果佳與種類多樣及利于修飾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)備受研究人員的青睞。截至目前[4]，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多性能良好的金屬緩蝕劑，而近年來，植物提取物由于其來源廣泛，綠色環(huán)保等優(yōu)勢更是研究熱點(diǎn)。經(jīng)實驗研究，發(fā)現(xiàn)天然植物中存在許多如生物堿和黃酮等減緩腐蝕的有效活性物質(zhì)成分，與有機(jī)合成緩蝕劑相比，植物緩蝕劑具有價格低廉，來源廣泛，可再生，無毒無污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景[5]。

國家統(tǒng)計局網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示：2022年，中國茶葉產(chǎn)量達(dá)到335萬噸，占據(jù)全球茶葉市場的45%，而其中綠茶更是占比高達(dá)60%。茶葉在沖泡飲用過程中，溶入茶湯的成分是有限的物質(zhì)，就算是用于速溶茶、茶飲料和功能成分產(chǎn)品生產(chǎn)的提取物也只占茶葉干重的30%。而對于經(jīng)過加工的茶渣廢料，往往采取的方式是直接填埋，忽視了其中的價值。在國外已有將紅茶[6]，金針藤[7]、毛竹葉[8]等植物提取物進(jìn)行緩蝕研究，國內(nèi)也有對茶籽殼[9]、苦丁茶[10]，以及其他種類緩蝕劑[11]進(jìn)行緩蝕性能研究的報道。但是在緩蝕領(lǐng)域中，人類追求高性能緩蝕劑的主題永不過時。

本文采用超聲輔助法提取綠茶緩蝕劑，不僅減少溶劑用量，縮短提取時間，還在一定程度上保持綠茶提取物的活性，實驗方法簡便，提取效率高[12]。通過失重法研究綠茶提取物的緩蝕性能，并利用單因素法、正交實驗法和紅外表征初步的探討和分析其在鹽酸溶液中對碳鋼的吸附行為及作用機(jī)制。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

綠茶，來源于四川省汶川縣。

95%乙醇、鹽酸、無水乙醇、丙酮，分析純，所用水為蒸餾水。

鋼片（10mm×10mm×1mm，Q235）。

1.2 實驗方法

1.2.1 超聲提取法

將材料綠茶烘干粉碎，過60目（250 μm）篩，采用超聲波技術(shù)，提升物質(zhì)分子的運(yùn)動頻率和速度，增強(qiáng)溶劑的穿透力，從而提高提取物的溶出速率。本文最終選取純度95%的乙醇作為溶劑，超聲功率為500W，溫度為60℃，超聲時間為2h，利用空化效應(yīng)對茶葉進(jìn)行超聲波提取[13]。

1.2.2 單因素法

在預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，探討了緩蝕劑濃度、緩蝕溫度以及時間對緩蝕效率的影響。

1.2.3正交實驗法

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，以碳鋼片的質(zhì)量損失為指標(biāo)，采用緩蝕時間（A）、緩蝕溫度（B）、緩蝕劑不同濃度（C）作為考察因素，選擇其中最具有代表性的三組數(shù)據(jù)（由實驗數(shù)據(jù)分析得），進(jìn)行正交實驗方案。設(shè)計如表所示。

1.2.4失重法

將預(yù)先切割好的碳鋼片進(jìn)行打磨拋光，在蒸餾水和無水乙醇洗凈烘干后用分析天平進(jìn)行稱重，記錄碳鋼片的質(zhì)量，再放入腐蝕介質(zhì)中進(jìn)行反應(yīng)，最后將碳鋼片表面清洗干凈，烘干后再次稱重，最后兩次測量值差值不大于0.2mg。

1.2.5紅外表征法

使用傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet iS20）對綠茶提取物和緩蝕產(chǎn)物進(jìn)行表征，使用溴化鉀壓片，在波數(shù)4000～400cm-1掃描16次。

2 實驗結(jié)果與分析討論

利用公式對綠茶緩蝕劑的緩蝕效率進(jìn)行計算[16]：

式中：η為—緩蝕效率，%；

Δm0—不含綠茶緩蝕劑的碳鋼片的平均失重，mg；

Δm—含綠茶緩蝕劑時的碳鋼片的平均失重，mg。

所有實驗平行3次。

2.1 單因素探究

2.1.1 綠茶緩蝕劑濃度對緩蝕效率的影響

準(zhǔn)備6個150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，將各燒杯中分別加入0、10.0、12.0、14.0、16.0和18.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進(jìn)行輔助溶解。將碳鋼片用細(xì)繩懸掛，浸沒在腐蝕介質(zhì)中。將燒杯放入30℃的水浴鍋中反應(yīng)6h，探究綠茶緩蝕劑濃度分別在100、120、140、160和180mg·L-1時對其緩蝕效率的影響。

如圖1所示，緩蝕劑的緩蝕效率會隨著綠茶緩蝕劑濃度的增加整體上呈現(xiàn)出上升的趨勢，以120mg·L-1為分界點(diǎn)，在濃度低于該點(diǎn)時，緩蝕效率增長幅度較大；當(dāng)濃度高于該點(diǎn)時，變化幅度較小。在140mg·L-1時緩蝕效率達(dá)到一個最高點(diǎn)。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析[13]，當(dāng)緩蝕劑的濃度增大時，其中具有的緩蝕成分的含量增加，其緩蝕性能同樣增強(qiáng)，在質(zhì)量濃度達(dá)到140mg·L-1及以上，綠茶緩蝕劑在碳鋼表面的吸附達(dá)到飽和，緩蝕性能達(dá)到穩(wěn)定，此時的腐蝕速率和緩蝕效率趨于平衡。

2.1.2 緩蝕溫度對綠茶緩蝕劑緩蝕效率的影響

準(zhǔn)備6個150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，各燒杯中均加入12.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進(jìn)行輔助溶解。將碳鋼片用細(xì)繩懸掛，浸沒在腐蝕介質(zhì)中。將AB兩組對應(yīng)放入提前設(shè)置好溫度的水浴鍋中腐蝕6h，探究實驗水浴溫度分別在20、30、40、50和60℃時對緩蝕效率的影響。

由圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，綠茶緩蝕劑的緩蝕效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在溫度為30℃時達(dá)到最高點(diǎn)，此時綠茶緩蝕劑的緩蝕效率為87.79%。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)分析[14]，升高溫度會使得緩蝕劑中的分子活性增強(qiáng)，在碳鋼片上的吸附能力增強(qiáng)。當(dāng)溫度超過了一定條件，碳鋼片的腐蝕速率就開始大于緩蝕速率，緩蝕劑分子在碳鋼片上的吸附速度小于脫落速度，碳鋼片表面的吸附膜逐漸遭到破壞，導(dǎo)致緩蝕效果降低，所以溫度過高不利于綠茶緩蝕劑在碳鋼表面的吸附。

2.1.3 緩蝕時間對綠茶緩蝕劑緩蝕效率的影響

準(zhǔn)備6個150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，將各燒杯中均加入12.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進(jìn)行輔助溶解。將碳鋼片用細(xì)繩懸掛，浸沒在鹽酸介質(zhì)中。將AB兩組對應(yīng)放入提前設(shè)置好溫度的水浴鍋中，探究實驗腐蝕時間分別在2、4、6、8和10h對緩蝕效率的影響。

由圖3可知，隨著時間的增加，綠茶緩蝕劑的緩蝕效率也在增加，最終緩蝕速率的增長幅度逐漸變小，緩蝕效率漸漸靠近88.0%。說明在2～10h的過程中，緩蝕劑分子逐漸在碳鋼片表面形成致密的吸附膜，減少了鹽酸介質(zhì)與碳鋼片的接觸位點(diǎn)，緩蝕速率大于腐蝕速率[15]，結(jié)合本文數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，短時間的反應(yīng)對綠茶緩蝕劑的緩蝕性能無多大影響。

2.2 正交實驗結(jié)果及驗證

2.2.1正交實驗結(jié)果

采用正交實驗法，以單因素實驗為依據(jù)，選取了影響緩蝕效率的最佳工藝參數(shù)：緩蝕溫度（A）、緩蝕時間（B）、緩蝕劑濃度（C），采用L9（33）正交實驗。結(jié)果及分析見表3。

從表2中的極差分析可知，對綠茶緩蝕劑的緩蝕效率的影響程度大小主要是緩蝕溫度>緩蝕劑濃度>緩蝕時間，也就是A>C>B；對A（緩蝕溫度），次序為A2>A1>A3；對B（緩蝕時間），次序為B3>B2>B1；對C（緩蝕劑濃度），次序為C3>C2>C1。所以A2B3C3是最佳緩蝕組合，即緩蝕溫度為30℃，緩蝕時間為10h，緩蝕濃度為160mg·L-1。

2.2.2驗證實驗

在使用超聲波長時間提取的工藝優(yōu)化方案中，選擇最佳方案進(jìn)行驗證實驗，即緩蝕溫度為30℃，緩蝕時間為10h，緩蝕劑濃度為160mg·L-1，平行做3次緩蝕實驗，如表4所示，得出綠茶緩蝕劑的緩蝕效率為88.51%，相對平均偏差為0.064%（＜0.1%），得出此最優(yōu)方案具有可行性。

2.3 緩蝕機(jī)理研究

為了初步探究綠茶緩蝕機(jī)理，采用了傅里葉紅外光譜對綠茶提取物以及與金屬作用后的粉末進(jìn)行了紅外表征，由圖4可以發(fā)現(xiàn)，綠茶提取物出峰位置較為典型，在3300cm-1左右有較多出峰說明綠茶提取物中具有較多的游離羥基，這可能是因為提取物中存在較多的茶多酚的緣由，也正是這個原因，其1600 cm-1和1470 cm-1附近出茶多酚環(huán)上的骨架變形振動，而與金屬作用后的，此兩處的振動峰變化較大，說明了游離羥基與碳骨架可能與金屬反應(yīng)參與了配位成膜。

3 結(jié)論與展望

本實驗以綠茶為原料，利用超聲提取法制備了綠茶緩蝕劑，采用單因素法探討了緩蝕劑濃度、緩蝕劑溫度和緩蝕劑時間對綠茶緩蝕劑緩蝕作用的影響。經(jīng)正交實驗設(shè)計，在30℃，10h，160mg·L-1的緩蝕劑濃度下，其緩蝕率最高可達(dá)88.60%。本論文所提供的數(shù)據(jù)可以作為日后綠茶資源開發(fā)的實驗依據(jù)。此外，利用單因素與正交的方法研究化合物的緩蝕性可以為緩蝕的研究提供新思路。

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