咪唑啉硫酸酯鹽ISES的合成及緩蝕性能研究

梅 平，鄒 華，施漢榮，艾俊哲

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

酸化是油田廣泛采用的解堵和增產(chǎn)措施[1]，但油田的設(shè)備和管線也因此受到了不同濃度或種類酸化體系的嚴(yán)重腐蝕。使用緩蝕劑是解決油田酸化解堵作業(yè)過程中腐蝕問題的最經(jīng)濟(jì)、有效的方法之一[2]。

咪唑啉類緩蝕劑是含有2個(gè)氮原子的五元雜環(huán)化合物，其母體結(jié)構(gòu)是咪唑(二氫代咪唑被命名為咪唑啉，其雜環(huán)大小與咪唑一致)。咪唑啉類緩蝕劑能夠在設(shè)備表面形成保護(hù)膜，減緩腐蝕速率，延長設(shè)備的使用壽命，具有低毒、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)[3～5]，廣泛應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)。

作者以油酸、N-(2-羥乙基)乙二胺為原料合成了1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉(HEAI)，并對其硫酸化后得到咪唑啉硫酸酯鹽(ISES)緩蝕劑；采用靜態(tài)掛片失重法研究了其緩蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

油酸、N-(2-羥乙基)乙二胺、二甲苯、氨基磺酸、尿素、鹽酸、無水乙醇、丙酮、氫氧化鈉、石油醚、六次甲基四胺。

恒溫磁力攪拌電熱套、真空干燥箱、電子天平、循環(huán)水式真空泵、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、電動(dòng)攪拌機(jī)、三用恒溫水箱、紅外光譜儀。

1.2 合成方法

1.2.1 1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉的合成

在接有分水器與冷凝管的三口燒瓶中，加入一定量的油酸和N-(2-羥乙基)乙二胺，并加入二甲苯作為攜水劑。電熱套加熱，同時(shí)磁力攪拌，升溫至140 ℃時(shí)開始回流有水生成，回流2 h后逐漸升溫到200 ℃，反應(yīng)2 h，待分水體積達(dá)到理論產(chǎn)水值后，結(jié)束反應(yīng)。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器減壓蒸出大部分溶劑，再在真空干燥箱中將產(chǎn)品中的殘余溶劑蒸干，得到深紅棕色液體即為中間體HEAI。反應(yīng)方程式如下：

1.2.2 1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽的合成

在燒瓶中加入HEAI、一定量的氨基磺酸，攪拌升溫至100 ℃，再加入一定量的尿素作為催化劑，攪拌均勻，95～100 ℃反應(yīng)1 h。反應(yīng)混合物逐漸呈膏狀、透明，最終得到透明的棕黃色膏狀物即為ISES。反應(yīng)方程式如下：

1.3 緩蝕性能評價(jià)

參照SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評價(jià)》[6]，采用靜態(tài)掛片失重法測定50 ℃下、N80鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的鹽酸中的腐蝕速率，并計(jì)算緩蝕率，據(jù)此評價(jià)中間產(chǎn)物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉(HEAI)和終產(chǎn)物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽(ISES)的緩蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜表征(圖1)

圖1中，2924.96 cm-1處為-CH3的伸縮振動(dòng)吸收峰；2854.22 cm-1處為-CH2-的伸縮振動(dòng)吸收峰；1608.76 cm-1處為-C=N-的伸縮振動(dòng)吸收峰，是咪唑啉環(huán)的特征吸收峰，說明分子中含有咪唑啉環(huán)；1650 cm-1附近有一個(gè)較弱的吸收峰， 為C=C的伸縮振動(dòng)吸收峰，表明了C=C雙鍵的存在；1453.72 cm-1處為-CH2-的反對稱彎曲振動(dòng)吸收峰；1230.68 cm-1處出現(xiàn)了S-O的吸收峰。上述數(shù)據(jù)與咪唑啉硫酸酯鹽的結(jié)構(gòu)相符合，說明該化合物確實(shí)為目標(biāo)產(chǎn)物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽。此外，3500～3100 cm-1附近出現(xiàn)一個(gè)中等強(qiáng)度的吸收峰，為胺類的吸收峰，說明產(chǎn)物中含有少量的N-(2-羥乙基)乙二胺。

圖1 產(chǎn)物的紅外光譜

2.2 緩蝕性能

腐蝕速率與緩蝕劑濃度關(guān)系曲線、緩蝕率與緩蝕劑濃度關(guān)系曲線見圖2。

圖2 15%鹽酸中不同濃度緩蝕劑對N80鋼的緩蝕性能

由圖2可以看出，當(dāng)溫度和鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著緩蝕劑濃度的增加，N80鋼的腐蝕速率逐漸減慢；ISES的緩蝕率變化比較平緩，而HEAI對N80的緩蝕率則逐漸上升；當(dāng)緩蝕劑濃度達(dá)到200 mg·L-1時(shí)，N80鋼的腐蝕速率和緩蝕劑的緩蝕率趨于穩(wěn)定，HEAI、ISES的腐蝕速率分別為3.800 g·m-2· h-1、1.169 g·m-2· h-1，緩蝕率分別91.02%、94.88%。

由圖2還可以看出，當(dāng)溫度、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)及緩蝕劑濃度一定，若緩蝕劑為中間體HEAI，N80鋼的腐蝕速率較快、緩蝕率較低；緩蝕劑為終產(chǎn)物ISES，N80鋼的腐蝕速率明顯更慢、緩蝕率也明顯增大。由此可見，終產(chǎn)物ISES的緩蝕性能明顯優(yōu)于中間體HEAI。

3 結(jié)論

(1)以油酸、N-(2-羥乙基)乙二胺、氨基磺酸為原料，采用兩步分水法合成了目標(biāo)產(chǎn)物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽(ISES)，并對其進(jìn)行了紅外光譜表征。

(2)采用靜態(tài)掛片失重法評價(jià)了1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉、1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽在50 ℃下、15%鹽酸中對N80鋼的緩蝕性能。結(jié)果表明，隨著緩蝕劑濃度的增加，N80鋼的腐蝕速率逐漸減慢、緩蝕率逐漸上升，且緩蝕劑的濃度達(dá)到200 mg·L-1時(shí)，N80鋼的腐蝕速率和緩蝕劑的緩蝕率趨于穩(wěn)定，HEAI和ISES的緩蝕率分別為91.02%、94.88%。ISES的緩蝕性能明顯優(yōu)于HEAI。

參考文獻(xiàn)：

[1] 梅平,陳武,劉華榮.油氣田緩蝕阻垢技術(shù)研究與應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2011:145-148.

[2] 梁成浩.現(xiàn)代腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社，2007:332-333.

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[4] Rafiquee M Z A，Khan Sadaf，Saxena Nidhi，et al.Investigation of some oleochemicals as green inhibitors on mild steel corrosion in sulfuric acid[J].Appl Electrochem，2009,39(8):1409-1417.

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[6] SY/T 5405-1996，酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評價(jià)[S].