一種咪唑基離子液體在硫酸介質中對碳鋼的緩蝕性能研究

余絨絨，楊 紅，吳彩霞,羅 成，李坤豪，郭 雷

(銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300)

鹽酸被廣泛應用于鍋爐及其它金屬設備化學清洗。但在酸洗過程中，金屬材料(比如碳鋼)往往會遭受不同程度的腐蝕，這不僅僅帶來了巨大的經濟損失，還會對環境造成嚴重的污染。近年來，表面涂層、添加緩蝕劑、電化學保護等諸多方法被廣泛開發應用到金屬防腐領域[1]。其中，添加緩蝕劑具有方便快捷、價格低廉等優點而備受人們青睞[2]。隨著國家對環保要求的不斷提升，一些有毒害的無機型緩蝕劑逐漸被限制使用，開發綠色環境友好型有機緩蝕劑是未來的發展方向。據調查，一些含有未配對電子元素、不飽和鍵或形成共軛體系的有機化合物可作為有效的緩蝕劑候選物，他們可在金屬表面通過物理化學吸附作用自組裝形成防腐膜層，阻擋腐蝕介質粒子的進攻，從而保護金屬[3]。離子液體具有電化學窗口寬、溶解性好、可使用溫度范圍廣等特點，可成為一種新型綠色化學緩蝕劑，尤其是離子液體自身的陰離子(如I-、Br-)在金屬表面的特性吸附作用可進一步增強其自身緩蝕性能[4]。本研究采用電化學測試手段，評價了一種咪唑基離子液體在硫酸介質中對碳鋼的緩蝕性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽購自于阿拉丁化學試劑有限公司。碳鋼試樣切割3cm×2cm×1cm的長方體作為工作電極。腐蝕介質為0.5 M H2SO4溶液，由濃度為98%的濃硫酸稀釋而成。碳鋼電極在進行測試前，依次通過200#、400#、600#、800#、1200#的砂紙打磨至光亮，隨后去離子水沖洗，在無水乙醇溶液中超聲清洗后，放在干燥器里備用。

1.2 電化學測試

電化學測試采用傳統三電極體系，在RST5000電化學工作站上進行。工作電極為碳鋼電極，輔助電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。首先進行開路電位測試，時間為5400秒，確保體系到達準穩態；其次進行交流阻抗測試，在開路電位上施加振幅為10 mV的正弦交流信號作為干擾信號，測定的頻率范圍為100kHz到10mHz，采用ZsimpWin軟件對阻抗數據進行擬合分析；最后進行塔菲爾極化曲線測試，測量范圍為開路電位±250 mV，掃描速度為1 mV/s，腐蝕電流密度由外推法獲得。

2 結果與討論

2.1 交流阻抗測試分析

圖1為碳鋼電極在0.5 M 硫酸溶液中添加不同濃度的1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽的Nyquist圖。由圖可以看出，緩蝕劑的加入顯著改變了阻抗反應，高頻部分為半橢圓形容抗弧，低頻部分為呈現出小的感抗弧，低頻下電極的腐蝕過程由腐蝕產物在電極表面的擴散以及粒子吸脫附過程所控制。隨著緩蝕劑濃度的增加，容抗弧的直徑也增大，這意味著高頻區腐蝕過程主要由電荷轉移步驟控制[5]。

圖2 EIS圖譜擬合采用的等效電路圖

根據阻抗譜圖的特征，采用圖2所描繪等效電路圖對阻抗數據進行擬合分析。其中，Rs為溶液電阻，Rct代表電荷轉移電阻，RL為感抗電阻，CPE為常相位角元件，可替代碳鋼表面的雙電層電容(Cdl)。雙電層電容和緩蝕效率可分別采用如下的計算公式獲得：

(1)

(2)

上式中，角頻率ω特指在阻抗譜中阻抗虛部最大時的角頻率，Rct,0和Rct分別為碳鋼電極在空白溶液和含緩蝕劑的溶液中的電荷轉移電阻。由表1可以看出，隨著緩蝕劑濃度不斷增加，Rct值逐漸變大，這意味著腐蝕反應的阻力變大，當緩蝕劑濃度為7mM時，緩蝕效率最佳為95.5%。我們也可以看出雙電層電容Cdl的值呈下降趨勢，這是因為隨著緩蝕劑分子在碳鋼/溶液界面的吸附，形成了吸附膜，從而致使了吸附層的介電常數減小或者雙電層厚度的增加[6]。

表1 碳鋼在未添加和添加不同濃度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽的0.5 M H2SO4溶液中的阻抗譜參數

2.2 塔菲爾數據分析

圖3為碳鋼電極在含有不同濃度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽的0.5 M H2SO4溶液中的動電位極化曲線。不難看出，與空白溶液相比，添加緩蝕劑后極化曲線整體下移，腐蝕電流密度明顯降低，表明緩蝕劑對腐蝕過程的陽極金屬溶解及陰極析氫反應均有抑制作用，且隨著緩蝕劑濃度的升高抑制作用增強。由表2數據可以看出，添加緩蝕劑前后陰極極化曲線呈現平行分布，陰極塔菲爾斜率(βc)值變化不大，這說明緩蝕劑的加入并沒有改變析氫過程的反應機制[7]。我們還可以看出，所研究的離子液體的加入使腐蝕電位的偏移值均小于85 mV，因為亦可判定其為混合抑制型緩蝕劑[8]。緩蝕效率的計算采用如下的公式：

(3)

其中，Icorr,0和Icorr分別為添加緩蝕劑前后碳鋼電極的腐蝕電流密度。由表2可以得出，當緩蝕劑濃度達到7 mM時，緩蝕效率最優為96.7%，這與交流阻抗測試結果基本一致。

圖3 碳鋼電極在含不同濃度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽的 0.5 M H2SO4溶液中的極化曲線

表2 碳鋼在未添加和添加不同濃度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽的0.5 M H2SO4溶液中的電化學參數

3 結論

研究了一種咪唑類離子液體在硫酸介質中對碳鋼電極的腐蝕抑制行為，現總結如下：

(1)1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽對碳鋼在0.5 M H2SO4介質中表現出優異的緩蝕效能，緩蝕效率隨緩蝕劑濃度的增加而增大，當緩蝕劑濃度為7 mM 時緩蝕效率可高達96.7%。

(2)1-十六烷基-3-甲基咪唑溴鹽對碳鋼電極陰、陽極過程均有顯著抑制作用，屬于混合型緩蝕劑。

(3)采用的交流阻抗測試及塔菲爾測試結果相吻合，證實了結論的可靠性。

(4)本研究對開發新型咪唑基離子液體緩蝕劑具有理論指導意義。