苯胺在鹽酸中對碳鋼的緩蝕性能研究

李克華，蘭志威，楊冰冰，石東坡

(長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北荊州 434023)

鹽酸是應(yīng)用最廣泛的化學清洗劑，它溶垢能力強，速度快，滲氫量少，金屬的氫脆敏感性小，但對鐵有不同程度的腐蝕。保護金屬在酸洗過程免受或緩受腐蝕的最簡捷、經(jīng)濟和實用的方法之一，就是添加金屬緩蝕劑［1］。苯胺通常作為合成曼尼希堿緩蝕劑的重要原料之一，其本身也具有緩蝕作用。筆者以N80鋼為例，研究了苯胺在鹽酸體系下的緩蝕性能，探討苯胺對碳鋼腐蝕的緩蝕機理，為酸性體系下的金屬防腐提供指導。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

苯胺、鹽酸、無水乙醇、丙酮等，均為分析純。

有機合成裝置、腐蝕測定裝置、電子天平等。

1.2 實驗方法

1.2.1 失重法

在玻璃燒杯中加入添加苯胺的濃度為1 mol/L的鹽酸溶液，將鋼片懸于溶液中。燒杯在測試溫度下恒溫4 h，取出鋼片，去除腐蝕產(chǎn)物后水洗，用丙酮脫脂并用冷風吹干，用分析天平稱質(zhì)量。腐蝕速率的計算公式如下:

式中，v為腐蝕速率，g/(m2·h);m0為碳鋼片原質(zhì)量，g;m1為除去腐蝕產(chǎn)物后鋼片的質(zhì)量，g;S為暴露在酸洗液中的碳鋼片總面積，m2;t為腐蝕時間，h。

緩蝕效率的計算公式如下:

式中，η為緩蝕效率，%;υ0和υ1分別為不加和加入緩蝕劑時，鋼片在酸洗液中的腐蝕速率，g/(m2·h)。

1.2.2 電化學極化法

電化學實驗溶液是濃度為1.0 mol/L的鹽酸，測試儀器為辰華CHI660C電化學工作站，采用傳統(tǒng)的三電極體系［2］。參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，工作電極由N80鋼加工而成，工作面積為0.3 cm2，其余部分用環(huán)氧樹脂密封，測試溫度為20℃。極化曲線測試掃描范圍為相對開路電位－300～－600 mV，掃描速率5 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 苯胺加量及溫度對緩蝕效率的影響

采用失重法測得N80鋼片在酸洗液中的腐蝕速率，并計算苯胺的緩蝕效率。苯胺加量為0.1%～1.0%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，溫度為 20～50℃，結(jié)果如圖1所示。

圖1 苯胺加量及溫度對苯胺緩蝕效率的影響

苯胺加量為0.1%～0.7%時，苯胺的緩蝕作用隨加量的增加而增強;當苯胺加量大于0.7%時，苯胺的緩蝕效率趨于恒定值。溫度對苯胺的緩蝕作用的影響非常明顯，隨著溫度的升高，苯胺的緩蝕作用逐漸減弱，20℃時苯胺的緩蝕效率最大。在試驗范圍內(nèi)，當溫度為20℃、苯胺加量為0.7%時，苯胺的緩蝕性能最佳，其緩蝕效率達90.08%。

2.2 N80鋼的極化曲線

室溫下，不同苯胺加量時N80鋼的極化曲線如圖2所示。隨著苯胺的添加，N80鋼的腐蝕電流密度顯著減小，苯胺對N80鋼的腐蝕有明顯的抑制作用，其緩蝕效率隨著苯胺加量的增加而增大。N80鋼的自腐蝕電位并未隨苯胺的加入而發(fā)生明顯移動，可以判定苯胺屬于混合型緩蝕劑［3］。苯胺的緩蝕作用是因為在N80鋼的工作電極表面逐步形成完整致密的保護膜，阻止腐蝕介質(zhì)與鋼接觸，從而起到緩蝕作用。

圖2 不同苯胺加量下N80鋼的極化曲線

2.3 苯胺的緩蝕機理

2.3.1 苯胺在碳鋼表面的吸附規(guī)律

為了進一步了解苯胺的緩蝕機理，對濃度為1.0 mol/L的HCl溶液體系下苯胺在N80鋼表面的吸附規(guī)律進行探討。實驗溫度為40℃，苯胺加量為0.1%～1.0%。

Langmuir吸附等溫式如下所示:

式中，C為緩蝕劑的質(zhì)量濃度，g/L;θ為緩蝕劑在金屬表面的覆蓋度，%;K為Langmuir吸附平衡常數(shù)，L/g。

通常認為緩蝕率η近似等同于表面覆蓋率θ，將η=θ代入Langmuir吸附等溫式，結(jié)果表明Langmuir吸附等溫式與試驗結(jié)果較符合。

將Langmuir吸附等溫式變形后得到:

以C/θ為縱坐標，C為橫坐標作圖，結(jié)果如圖3所示。相關(guān)系數(shù)為0.999 5，說明苯胺在N80碳鋼上形成單分子層吸附，從而起到緩蝕作用［4］。

圖3 苯胺在N80鋼上的吸附等溫曲線

2.3.2 苯胺對腐蝕反應(yīng)活化能的影響

依據(jù) Arrhenius方程，金屬腐蝕速率可表示為:

式中，υcorr為腐蝕速率(由失重法計算)，g/(m2·h);R為摩爾氣體常量，J/(mol·k);T為熱力學溫度，K;Ea為表觀活化能，J/mol;A為指前因子。

以lnυcorr為縱坐標，1/T為橫坐標作圖，求出反應(yīng)表觀活化能與苯胺加量之間的關(guān)系，結(jié)果如表1所示。當苯胺的質(zhì)量分數(shù)從0增至1.0%時，Ea由 19.82 kJ/mol增至 54.86 kJ/mol。這表明隨著苯胺的加入，反應(yīng)的活化能增大，碳鋼的腐蝕反應(yīng)需要克服更高的能量障礙，從而降低了腐蝕速率，有效抑制了反應(yīng)的進行［5］。

表1 N80鋼在不同苯胺加量的1.0 mol/L HCl介質(zhì)中的Ea值

3 結(jié)論

1)苯胺可以作為一種鹽酸酸洗緩蝕劑。在濃度為1.0 mol/L的HCl溶液體系中，苯胺的緩蝕效率隨著苯胺加量的增加而增大，隨著溫度的升高而降低。20℃下苯胺加量為1.0%時，其緩蝕率可達91.04%;20℃下苯胺的最佳加量為0.7%，此時的緩蝕效率達90.08%。

2)苯胺以Langmuir吸附方式覆蓋碳鋼的裸露表面，逐步形成完整致密的保護膜，阻止腐蝕介質(zhì)與碳鋼接觸，起到緩蝕作用。同時苯胺的加入使得腐蝕反應(yīng)的活化能有所升高，碳鋼的腐蝕反應(yīng)需要克服更高的能量障礙，從而降低了腐蝕速率，有效抑制了腐蝕反應(yīng)的進行。

［1］楊昌炎，楊光宏，劉東，等.糠醛對碳鋼在鹽酸中的緩蝕性能研究［J］.林產(chǎn)化學與工業(yè)，2011，31(6):83 －86.

［2］曹楚南.腐蝕電化學原理［M］.3版.北京:化學工業(yè)出版社，2008:211－212.

［3］Ashassi－ Sorkhabi H，Majidi M R，Seyyedi K.Investigation of inhibition effect of some amino acids against steel corrosion in HCl solution［J］.Applied Surface Science，2004(225):176 －185.

［4］申慷尼，李克華，姜紅娟，等.新型硫脲類酸化緩蝕劑的合成與性能評價［J］.精細石油化工進展，2013，14(3):25 －28.

［5］李克華，吳蘭蘭.曼尼希堿緩蝕劑XJ合成及其對N80鋼的緩蝕性能［J］.油田化學，2013，30(3):434 －437.