Q235碳钢缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺的合成及其性能研究

2021-12-11四川轻化工大学化学工程学院王忠磊陈美静于海莲

内江科技 2021年11期

◇四川轻化工大学化学工程学院罗涛陈阳周翔王忠磊陈美静胡震于海莲

Q235碳钢材料因其具有优异的物理特性和价格低廉的优势，被广泛应用于各个领域，但由于生产的产品具有腐蚀性以及对Q235碳钢设备进行酸洗等原因，都会对其造成严重的腐蚀，因此需要对其做缓蚀处理，添加缓蚀剂是一种简单的、易于操作的、高效的抗腐蚀方法。本文以月桂酸和二乙醇胺为原料合成缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺，采用红外光谱对其定性分析，并采用失重法对其进行性能评价。当缓蚀剂用量为9.0 mL，缓蚀温度为40 ℃，缓蚀液pH 为1的盐酸腐蚀介质情况下，缓蚀剂的使用时间可达到12 h，对Q235碳钢的缓蚀率达到了91.56%，其可以有效地对Q235碳钢材料进行保护。

Q235碳钢材料因其具有优异的物理特性和价格低廉优势，近年来被广泛应用于石油、化工和天然气的生产和储运系统，到目前为止，也是其他材料难以替代的金属材料[1]。但是由于一些化工和石油天然气产品具有一定的腐蚀性，在其生产和储运过程中都会对由Q235碳钢制成的容器和管道带来腐蚀。据统计，每年因腐蚀带来的损失超过20000亿元，甚至超过了每年GDP的3%[2]，更严重的问题在于因腐蚀带来的危害对生产人员的健康威胁和环境的污染灾难，往往这些后果都是不可逆的[3-4]。还有就是，Q235碳钢设备需要定期进行酸洗，以便除掉其表面的锈蚀，降低其锈蚀程度和得到质量合格的产品，酸洗工艺变成了碳钢除锈的常用手段[5]，该工艺费用低廉，除锈率高，然而这些酸洗剂在使用过程中容易腐蚀到Q235碳钢金属基底，影响Q235碳钢的使用寿命[6]。一种简单的、易于操作的、高效的抗腐蚀方法就是向碳钢容器里面加入适量的有机缓蚀剂，减小或者消除对Q235碳钢制成的容器和管道的腐蚀[7-8]。目前虽然已经开发出一些高效的针对Q235碳钢保护的缓蚀剂，但这些缓蚀剂中大多数都对人体和环境均有较高的毒性[9]。基于此，本文旨在开发一种环境友好型缓蚀剂对Q235碳钢材料进行保护，并对其性能进行研究。

1 实验部分

1.1 实验仪器、材料与试剂

实验仪器：HH-ZK4型二列四孔恒温水浴锅（上海标和仪器有限公司），FA224型电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司），JJ-125W型电动搅拌器（江苏金怡仪器科技有限公司），101-1AB型电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）。

实验试剂：乙醇，丙酮，月桂酸，二乙醇胺，二甲苯，盐酸，均为分析纯。

实验材料：Q235碳钢的化学成份（wt%）：0.16%C、0.53% Mn、0.30% Si、0.045 %P、0.055%S、0.3 %Ni、0.3%Cu和98.31%Fe；砂纸。

1.2 实验方法

缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺的合成方法：首先按照摩尔比为1:2.5称取月桂酸与二乙醇胺，将其加入到三颈烧瓶中，再向其中加入少量的二甲苯（0.5～1.0 mL），然后在128 ℃～132 ℃之间反应5 h，获得缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺。

缓蚀剂的缓蚀性能考察方法：①用不同粗细的砂纸打磨钢片，使其表面光滑，再用丙酮和乙醇浸泡钢片除去表面的油渍，烘干后备用；②称取试片，编号，并记录质量，用耐腐蚀绳固定，悬挂在装有月桂酸二乙醇酰胺缓蚀剂和腐蚀介质的烧杯中，每只烧杯中放置三块试片。每块试片不能互相接触，以避免产生缝隙腐蚀。将已放好试片的烧杯放入恒温水浴锅中，恒温腐蚀一定时间；③将烧杯中试片取出，先用去离子水冲洗，再用硬橡皮擦，擦掉表面被腐蚀部分；④再将钢片放入丙酮中超声10 min，倒出丙酮，再倒入乙醇继续超声10 min；⑤最后将其取出，用电吹风吹干并称量（平行三次）。记录数据，计算缓蚀率。

2 结果与讨论

2.1 缓蚀剂的红外光谱分析

采用KBr涂片法，用傅里叶红外光谱仪对合成的月桂酸二乙醇酰胺进行定性分析，其红外光谱图如图1所示。

图1 缓蚀剂的红外光谱

由图1可知，3468 cm-1为分子内氢键的伸缩振动峰，2926 cm-1为脂肪族饱和烃中-CH3的伸缩振动吸收峰，2840 cm-1为脂肪族饱和烃中-CH2-的伸缩振动吸收峰，1458 cm-1为亚甲基的弯曲振动吸收峰，1380 cm-1为甲基弯曲振动吸收峰，1743cm-1为酰胺键中C=O的强吸收峰，1171 cm-1为C-O-C的吸收峰，1171 cm-1和1075 cm-1为酰胺键中C=O的弱吸收峰，875 cm-1为亚甲基中CH的面外弯曲吸收峰，725 cm-1为甲基中C-H的面外弯曲吸收峰，通过分析可知合成产物中含有月桂酸二乙醇酰胺的主要官能团，可以确定生成的产物为月桂酸二乙醇酰胺。另外，在3550 cm-1处无峰，表明无游离羧酸的-OH，即反应结束后月桂酸未过量，产物中无月桂酸存在。

2.2 缓蚀剂用量对Q235碳钢缓蚀效果的影响

在缓蚀温度为25 ℃，缓蚀时间为12 h，缓蚀液pH为1的盐酸腐蚀介质环境条件下，做缓蚀剂用量分别为4.5 mL、6.0 mL、7.5 mL、9.0 mL和10.5 mL五组实验，考察缓蚀剂的用量对Q235碳钢缓蚀效果的影响，其实验结果如图2所示。

图2 缓蚀剂用量对Q235碳钢缓蚀效果的影响

由图2可知，当缓蚀剂用量在最初增大阶段，Q235碳钢的缓蚀率升高得不是很明显，可能是由于添加的缓蚀剂浓度还不够大，以致于缓蚀剂形成的膜还不能够完全覆盖于碳钢表面，从而使得碳钢裸露区腐蚀严重，造成缓蚀率增大不是很明显，但是缓蚀率也达到了80%以上；当缓蚀剂用量从7.5 mL进一步增大到9.0 mL时，Q235碳钢的缓蚀率快速升高，最高达到了84.31%，此后再增大缓蚀剂用量，缓蚀率几乎不再增大了，说明缓蚀剂用量达到9.0 mL时，缓蚀剂已经在碳钢表面形成了一层有效的保护膜，考虑到经济成本因素，缓蚀剂用量选择9.0 mL为宜。

2.3 缓蚀温度对Q235碳钢缓蚀效果的影响

在缓蚀剂用量为9.0 mL，缓蚀时间为12 h，缓蚀液pH为1的盐酸腐蚀介质环境条件下，做缓蚀温度分别为20 ℃、30 ℃、40℃、50 ℃和60 ℃五组实验，考察缓蚀温度对Q235碳钢缓蚀效果的影响，其实验结果如图3所示。

图3 缓蚀温度对Q235碳钢缓蚀效果的影响

由图3可知，在盐酸腐蚀介质溶液中，随着缓蚀温度升高，Q235碳钢的缓蚀率不断升高，当温度达到40 ℃时，缓蚀率达到91.15%，但是进一步升高温度，Q235碳钢的缓蚀率反而降低了，这是因为随着缓蚀液的温度升高，缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺分子运动速率明显加快，与金属形成配位键的几率提高，吸附在Q235碳钢金属表面的缓蚀剂有效分子数增多，并在其表面开始有效吸附成膜，从而使得Q235碳钢缓蚀率逐渐升高。但是当缓蚀液温度高于40 ℃以后，获得的动能增大，缓蚀剂分子运动速率相应增大，但因为运动速率过快，使得部分配位键发生断裂，缓蚀剂又会从形成的有效吸附膜上发生解吸，脱附分子增多，从而形成的保护膜部分受到破坏，保护平衡被打破[10]，使得Q235碳钢缓蚀率下降，研究表明，研制的缓蚀剂使用温度不能高于40 ℃，否则，对Q235碳钢的缓蚀效果会降低。因此，缓蚀温度选择40 ℃为宜。

2.4 缓蚀液pH对Q235碳钢缓蚀效果的影响

在缓蚀剂用量为9.0 mL，缓蚀温度为40 ℃，缓蚀时间为12 h的盐酸腐蚀介质环境条件下，做缓蚀介质pH分别为1、3、5、7、9、11和13七组实验，考察缓蚀液pH对Q235碳钢缓蚀效果的影响，其实验结果如图4所示。

图4 缓蚀液pH对Q235碳钢缓蚀效果的影响

由图4可知，随着缓蚀液pH不断增大，Q235碳钢的缓蚀率先降低，再升高，最后再降低。这主要是应为开始腐蚀液pH较小时，缓蚀液中自由的H+较多，快速地在Q235碳钢金属表面发生腐蚀，形成一层致密的保护膜，使得Q235碳钢表面免遭进一步受到腐蚀，从而缓蚀率较高。当腐蚀液pH达到7时，腐蚀液介质变成了一个中性体系，对Q235碳钢的腐蚀性最小。当腐蚀液pH超过7以后，腐蚀液变成了一个碱性体系，也会对Q235碳钢形成腐蚀，pH越大，自由的-OH越多，碱性越强，从而腐蚀性更大，对Q235碳钢腐蚀越严重。从缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺实用角度考虑，其更适合在酸性环境中应用，对Q235碳钢保护才有意义。因此，缓蚀液pH选择1为宜。

2.5 缓蚀时间对Q235碳钢缓蚀效果的影响

在缓蚀剂用量为9.0 mL，缓蚀温度为40 ℃，缓蚀液pH 为1的盐酸腐蚀介质环境条件下，做缓蚀时间分别为24、48、72、96和120五组实验，考察缓蚀时间对Q235碳钢缓蚀效果的影响，其实验结果如图5所示。

图5 缓蚀时间对Q235碳钢缓蚀效果的影响

由图5可知，随着缓蚀剂在腐蚀液介质中使用时间增大，缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺对Q235碳钢缓蚀效果是不断降低的。当使用时间低于72 h时，缓蚀率维持在87%以上，但是使用时间超过72 h以后，缓蚀率快速降低，这主要是因为随着腐蚀反应时间的延长，缓蚀剂分子吸附速度逐渐减小，然而脱附速度增大，使得保护效率下降，缓蚀率快速下降。因此，缓蚀剂月桂酸二乙醇酰胺的使用时间控制在12 h为宜。