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

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

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

咪唑啉類緩蝕劑是含有2個氮原子的五元雜環化合物，其母體結構是咪唑(二氫代咪唑被命名為咪唑啉，其雜環大小與咪唑一致)。咪唑啉類緩蝕劑能夠在設備表面形成保護膜，減緩腐蝕速率，延長設備的使用壽命，具有低毒、環保、高效等優點[3～5]，廣泛應用于石油天然氣工業。

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；采用靜態掛片失重法研究了其緩蝕性能。

1 實驗

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、循環水式真空泵、旋轉蒸發器、電動攪拌機、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，同時磁力攪拌，升溫至140 ℃時開始回流有水生成，回流2 h后逐漸升溫到200 ℃，反應2 h，待分水體積達到理論產水值后，結束反應。用旋轉蒸發器減壓蒸出大部分溶劑，再在真空干燥箱中將產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1 h。反應混合物逐漸呈膏狀、透明，最終得到透明的棕黃色膏狀物即為ISES。反應方程式如下：

1.3 緩蝕性能評價

參照SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價》[6]，采用靜態掛片失重法測定50 ℃下、N80鋼在質量分數為15%的鹽酸中的腐蝕速率，并計算緩蝕率，據此評價中間產物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉(HEAI)和終產物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽(ISES)的緩蝕性能。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜表征(圖1)

圖1中，2924.96 cm-1處為-CH3的伸縮振動吸收峰；2854.22 cm-1處為-CH2-的伸縮振動吸收峰；1608.76 cm-1處為-C=N-的伸縮振動吸收峰，是咪唑啉環的特征吸收峰，說明分子中含有咪唑啉環；1650 cm-1附近有一個較弱的吸收峰， 為C=C的伸縮振動吸收峰，表明了C=C雙鍵的存在；1453.72 cm-1處為-CH2-的反對稱彎曲振動吸收峰；1230.68 cm-1處出現了S-O的吸收峰。上述數據與咪唑啉硫酸酯鹽的結構相符合，說明該化合物確實為目標產物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽。此外，3500～3100 cm-1附近出現一個中等強度的吸收峰，為胺類的吸收峰，說明產物中含有少量的N-(2-羥乙基)乙二胺。

圖1 產物的紅外光譜

2.2 緩蝕性能

腐蝕速率與緩蝕劑濃度關系曲線、緩蝕率與緩蝕劑濃度關系曲線見圖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，當溫度和鹽酸質量分數一定時，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；當緩蝕劑濃度達到200 mg·L-1時，N80鋼的腐蝕速率和緩蝕劑的緩蝕率趨于穩定，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，當溫度、鹽酸質量分數及緩蝕劑濃度一定，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，終產物ISES的緩蝕性能明顯優于中間體HEAI。

3 結論

(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產物1-羥乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯鹽(ISES)，并對其進行了紅外光譜表征。

(2)采用靜態掛片失重法評價了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，且緩蝕劑的濃度達到200 mg·L-1時，N80鋼的腐蝕速率和緩蝕劑的緩蝕率趨于穩定，HEAI和ISES的緩蝕率分別為91.02%、94.88%。ISES的緩蝕性能明顯優于HEAI。

參考文獻：

[1] 梅平,陳武,劉華榮.油氣田緩蝕阻垢技術研究與應用[M].北京:石油工業出版社,2011:145-148.

[2] 梁成浩.現代腐蝕科學與防護技術[M].上海:華東理工大學出版社，2007:332-333.

[3] 于建輝,彭喬.咪唑啉型酸洗緩蝕劑的研究現狀[J].腐蝕與防護，2003,24(1):473-476.

[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.

[5] Shanbhag A V，Venkatesha T V，Prabhu R A，et al.Corrosion inhibition of mild steel in acidic medium using hydrazide derivatives[J].Appl Electrochem，2008，38(3):279-287.

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