水溶性植物提取物緩蝕劑的研究進展

基金項目： 國家自然科學基金青年基金（項目編號：52004165）；沈陽理工大學引進高層次人才科學研究項目（項目編號：1010147000903）。

收稿日期： 2023-05-22

作者簡介： 李夢冉（2000-），女，遼寧省朝陽市人，碩士生，2025年畢業于沈陽理工大學化學工程專業，研究方向：金屬的腐蝕與防護。

通信作者： 周欣（1978-），女，副教授，博士，研究方向：金屬的腐蝕與防護。

摘""""" 要： 在一些惡劣的環境下，如潮濕環境、酸性或堿性環境、大氣腐蝕環境等，設備會因環境問題而發生不同程度的腐蝕。因此，關于設備的腐蝕防護就尤為重要。加入緩蝕劑就是一個很好的防腐蝕的辦法。近年來，對于緩蝕劑的研究已經成為研究熱點，除了關注緩蝕劑，還有效率等基本問題，由于如今社會對生態意識提高的重視，無毒無害易獲得的緩蝕劑也成為研究的關鍵。綠色緩蝕劑的應用成為現代社會防腐的重要途徑之一，它可以使腐蝕速度降低，提高設備的使用壽命并且價格低廉容易獲得。本文對植物型水溶性緩蝕劑進行介紹。

關" 鍵" 詞：腐蝕； 水溶性緩蝕劑； 植物化學物質； 綠色化學

中圖分類號：TG174.42"""" 文獻標識碼： A"""" 文章編號：" 1004-0935（2024）02-0265-04

金屬以及金屬合金能廣泛地應用于各種工業產品中，主要是因為它們有高強度、高耐磨性、低成本以及良好的可焊接性[1-4]。在日常生活中腐蝕幾乎是無處不在且腐蝕極易發生。從科學上說，材料與環境（腐蝕介質）相互作用從而導致材料被破壞生銹以及變質的現象，被叫做腐蝕。通過化學或者電化學反應所引起的破壞更為嚴重。腐蝕現象會有很大的危害，調查結果表明僅2014年一年，中國的腐蝕總成本在2.1億元左右，占當年GDP的3.34%，其中，與其他腐蝕相比，海洋腐蝕更嚴重，占了總腐蝕損失的30%左右。此外，國內外有大量的文物都因為腐蝕而遭到破壞；高鐵飛機等交通工具也會因為腐蝕問題而破壞引起事故。所以研究防護問題非常重要，目前的解決方法有使用耐蝕材料、水介質處理以及添加緩釋抑制劑等[5]。

1" 腐蝕

1.1" 腐蝕產生原因

在化工行業中，設備產生腐蝕的原因有很多種。比如設備本身材料的原因，一些材料雖有著良好的力學性能，但材料本身易發生腐蝕行為；其次化工生產中設備會接觸到很多化學物質，例如原油本身就含有氯化物，生產中發生水解反應，水解生成物會使設備發生腐蝕；化工生產中摩擦碰撞以及沖刷力也會導致設備發生物理腐蝕，使設備的承受能力變弱[6]。

1.2" 腐蝕機理

在不同的環境條件下（大氣、土壤、酸、堿等），設備產生腐蝕的原因也是不同的，其中最主要的還是電化學腐蝕，也會涉及一些其他的腐蝕，如局部和全面腐蝕等[7]。本文主要將電化學腐蝕進行簡單介紹。金屬表面與電解質發生電化學反應使得金屬表面遭到破壞的過程叫做金屬的電化學腐蝕，電化學腐蝕是金屬腐蝕的重要形式之一[8]。每個電化學腐蝕都會有陽級反應（氧化過程）和陰極反應（還原過程），并且金屬的電化學腐蝕過程可以是陰陽極獨立且同時進行。例如，在純水液壓支架中，純水中會溶解氧氣，因為實現純水介質與空氣百分百隔絕是幾乎不可能的，所以碳鋼就會在水中發生電化學腐蝕。其中：

陽極反應：

陰極反應：

在水中：

并且在氧化鐵腐蝕的同時，另一種腐蝕循環反應也在同時發生[9]。

2" 緩蝕劑

在長期對金屬防腐的研究中發現，人們發現將少量的某種物質加入腐蝕性介質中，可以有效地抑制金屬腐蝕，這些物質就叫緩蝕劑（也叫腐蝕抑制劑或阻蝕劑）。緩蝕抑制劑的應用極其廣泛，比如金屬材料防腐、水處理等多個領域，主要是因為運用添加緩蝕劑的方法操作簡單、成本低、不改變腐蝕介質且效果明顯等優點[10]。

2.1" 緩蝕劑分類

緩蝕劑的種類較多，作用機理非常復雜，并且某一緩蝕劑還可能會有其他功效，所以緩蝕劑可以通過不同方法進行分類。常見的分類方法有[11-12]：

1）按化學成分進行分類：無機緩蝕劑和有機緩蝕劑。

2）按電化學作用機理進行分類：陽極型緩蝕劑、陰極型緩蝕劑和混合型緩蝕劑。

3）按介質的pH值分類：酸性介質緩蝕劑、中性介質緩蝕劑和堿性介質緩蝕劑。

4）按被保護金屬分類：黑色金屬緩蝕劑、銅及銅合金緩蝕劑、鋁及鋁合金緩蝕劑等。

5）按物理狀態分類：水溶性緩蝕劑、油溶性緩蝕劑和氣相緩蝕劑。

6）按緩釋形成的保護膜進行分類：氧化膜型緩蝕劑、沉淀膜型緩蝕劑、吸附膜型緩蝕劑。

2.2" 水溶性緩蝕劑

本文主要介紹水溶性緩蝕抑制劑。在各種水溶液、潮濕的環境中，金屬非常容易產生腐蝕，因為可以在金屬的表面形成一層水膜，為電化學腐蝕提供了條件。這時水溶性緩蝕劑起到了至關重要的作用（水溶性緩蝕劑，即能溶于水的一類緩蝕抑制劑）。再加入某種水溶性緩蝕劑后，便可以起到減緩金屬腐蝕的作用。此外，水溶性緩蝕劑大多也可以在酸溶液以及堿溶液中對金屬起到良好的緩蝕作用。2.2.1" 水溶性緩蝕劑的緩釋機理

水溶性防腐蝕劑根據防銹的作用機理可分為三類：

1）金屬與緩蝕劑生成難溶的鹽類，緩蝕劑分子能與金屬上溶下來的金屬離子作用而生成難溶的鹽，沉積在金屬的表面，形成一層致密的保護層，阻止金屬的進一步溶解，從而使金屬與腐蝕介質隔離，免于銹蝕。如磷酸鹽、硅酸鹽等就屬于此類緩蝕劑。

2）金屬與緩蝕劑生成難溶性的絡合物覆蓋膜，這類緩蝕劑的分子中大多含有N、O、S等元素的雜環基團，它們能與金屬表面的金屬原子或金屬表面附近的金屬離子絡合，覆蓋在金屬的表面形成一層難溶的絡合物保護膜，抑制金屬的腐蝕。比如用苯駢三氮唑對銅的緩蝕。

3）金屬與緩蝕劑生成致密且不溶于水的氧化物薄膜，阻止金屬的陽極溶解，從而起到良好的防銹效果，也可能吸附在金屬表面的活性點，降低金屬表面的反應活性而起緩蝕作用。所以這類緩蝕劑又被叫做鈍化劑。在使用此類緩蝕劑時，應保證用量的充足，避免因用量不足導致未形成完整的保護膜，造成局部腐蝕。

2.3" 植物型緩蝕劑

大多數緩蝕劑都對金屬有著良好的緩蝕效果，但同時大多數工業緩蝕劑都是有毒有害且難以降解的。自提出“綠色化學”的概念后，植物型緩蝕劑成為重點研究對象，植物型緩蝕劑就是從各種植物成分的花、果實、種子中提取出有效物質，對相應的金屬材料起到緩釋防護的作用。這種緩蝕劑具備了安全、成本低、易獲得、用量少、無毒無害、緩蝕抑制性能好等優點[13-14]，已經得到了廣泛的應用。2.3.1" 植物型緩蝕劑的應用

目前植物環保型緩蝕劑已經應用于多種金屬材料。本文主要介紹此類緩蝕劑在酸性環境、CO2環境以及NaCl環境中的一些應用。

在酸性環境中，比如鹽酸（鹽酸常用于化學工業，是具有活性陰離子的具有腐蝕性的強酸，對一般的實用金屬材料都會造成腐蝕。氧化劑和溶解氧同時存在的情況下，腐蝕會加重[15-17]。

Raja[18]等在1 mol/L的HCl培養基中發現，從lstonia angustifolia var. latifolia中分離的吲哚生物堿對低碳鋼（MS）有緩蝕作用。采用動電位極化、阻抗譜、掃描電鏡（SEM）和傅里葉變換紅外（FTIR）等分析方法進行研究。結果表明，該提取物具有良好的緩蝕效果，濃度為3 ～ 5 mg/L時效果最好，緩蝕效率達到80%以上。極化測量表明，該緩蝕劑不改變陽極和陰極反應機理，是一種混合型緩蝕劑。兩種電化學方法的緩蝕效果一致，緩蝕劑的吸附遵循Langmuir等溫線。掃描電鏡研究很好地支持了緩蝕劑在金屬表面的吸附作用，而紅外光譜研究證明了吲哚類生物堿作為綠色緩蝕劑的存在，可以降低腐蝕速率。陳燕敏[19]等在研究中發現在銀杏葉、柚子皮以及香蕉皮中提取的物質以4∶4∶1復配后得到的緩蝕劑對Q235碳鋼有良好的緩蝕效果。復配后的緩蝕效果優于單一試劑的緩蝕效果。又進行試驗得出了在40 ℃，酸濃度為3%，投加質量濃度為

2.5 g/L時緩蝕率達92.3%。該復合緩蝕劑在碳鋼表面的吸附也符合Langmuir吸附等溫方程。Mounia Sahraoui[20]等采用動電位極化和電化學阻抗譜技術研究了石榴皮提取物在1.0 mol/L鹽酸溶液中對鋁合金的緩蝕作用。結果表明，萃取液的加入降低了鋁的腐蝕速率。抑制率隨萃取液濃度的增加而升高，隨溫度的升高而降低。萃取物表現為混合型緩蝕劑，按照Langmuir等溫線吸附在鋁表面。Wang Qihui

等[21]以蜈蚣葉（CMLE）為原料，采用熱水浸提冷凍干燥法制備蜈蚣葉提取物（CMLE）。通過動電位極化曲線（Tafel）、電化學阻抗譜（EIS）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電鏡（SEM）、量子化學（QC）計算和分子動力學模擬（MDS）研究了CMLE在1.0 mol/L HCl環境下對碳鋼的緩蝕性能和緩蝕機理。結果表明，CMLE在HCl環境中對碳鋼有著優異的緩蝕性能。在318 K條件下，質量濃度為500 mg/L的CMLE的最大緩蝕效率可達96.2%。Tafel結果表明，CMLE屬于混合型緩蝕劑，其在碳鋼表面的吸附符合Langmuir吸附等溫線模型。此外，通過QC計算和MDS驗證了CMLE的緩蝕機理。

在胡毓哲、樊保民等[22]的研究下發現榴蓮瓤皮/果核提取物（DPSE）中含有端羥基、氨基等基團。在0.5 mol/L H2SO4溶液中，DPSE對銅有著明顯的緩蝕作用，并且得到了DPSE是以化學吸附的方式附著在Cu的表面，可同時抑制銅在H2SO4溶液中腐蝕的陰、陽極過程，但屬于陰極抑制為主的混合型緩蝕劑。并且通過電化學實驗的方法得出當DPSE加入量為600 mg/L時，緩蝕率可達92.6%。Silva Markus Vinicius Leal da[23]等采用動電位極化（PDP）和電化學阻抗譜（EIS）測試方法，對0.5 mol·L？1 H2SO4中紫荊葉提取物（SCLE）對碳鋼的緩蝕效果進行了評價。結果表明，隨著葉提取物濃度的增加，由于陰極電流的減少和活性腐蝕部位的阻斷，抑制效率提高。用傅里葉變換紅外光譜證實了SCLE在碳鋼表面存在有機分子。采用Langmuir等溫線對合金表面的吸附進行了模擬。通過接觸角測量和掃描電鏡（SEM）也證實了SCLE存在時碳鋼酸腐蝕的減少。Policarpi Everton de Britto[24]等研究了在0.5 mol·L？1 H2SO4中，沙棗果殼提取物作為環保型低碳鋼緩蝕劑的性能。腐蝕數據由動電位極化和電化學阻抗實驗獲得。采用掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜和紫外可見分光光度法對樣品進行表面分析。果殼提取物的存在降低了鋼的腐蝕速率。抑制效率最高可達90%。抑制腐蝕過程的活化能比未抑制腐蝕過程提高了2.5倍。在鋼表面檢測到植物提取物中的有機分子。用Langmuir等溫線模擬了緩蝕劑膜的形成過程。果殼提取物具有緩蝕劑的作用，降低了析氫速率。

Danyliak[25]等通過電化學方法研究了在0.1% NaCl溶液中，天然多糖阿拉伯樹膠對09G2S鋼的緩蝕性能。結果表明，該緩蝕劑能夠減少腐蝕電流，并且在 2 g/L 的濃度下具有最大效率。電化學阻抗譜的結果與極化測量數據一致。通過使用掃描電子顯微鏡方法和EDX分析，研究了09G2S鋼的表面并確定其化學成分。結果表明，09G2S鋼在抑制液中保持后表面的碳氧含量由于阿拉伯膠濃度的升高而增加，增強了其作為緩蝕劑的防腐作用。

3" 結束語

目前環保植物型緩蝕劑已經應用于多個領域并取得了一定的研究成果。但還有很多問題需要去探究;比如，在植物型緩蝕劑中起作用的成分大多是推測而無法確定起作用的緩蝕成分；不確定許多此類緩蝕劑的緩蝕機理以及協同機理；綠色緩蝕劑的應用范圍相對單一，應探究更廣的領域的發展[26-27]。并且隨著“綠色化學”的興起以及對環境的保護，應該將重心置于此類緩釋抑制劑的研究與發展。

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Research Progress of Water-soluble Corrosion Inhibitors of Plant Extracts

LI Mengran， ZHOU Wenbin， ZHOU Xin

（Shenyang Ligong University， Shenyang Liaoning 110159， China）

Abstract：" In some harsh environment， such as wet environment， acidic or alkaline environment， atmospheric corrosion environment， equipments will be corroded to varying degrees due to environmental problems. Therefore， corrosion protection of equipment is particularly important. Adding corrosion inhibitors is a good way to prevent corrosion. In recent years， the research on corrosion inhibitors has become a research hotspot. In addition to paying attention to the basic issues such as the efficiency of corrosion inhibitors， non-toxic， harmless and easily available corrosion inhibitors have also become the key to research due to the increasing attention of today's society to ecological awareness. The application of green corrosion inhibitor has become one of the important ways to prevent corrosion in modern society. It can reduce the corrosion speed， improve the service life of equipment and is cheap and easy to obtain. In this paper， plant type water-soluble corrosion inhibitors were introduced.

Key words：" Corrosion; Water soluble corrosion inhibitor; Phytochemistry substances; Green chemistry