綠茶提取物作為酸洗緩蝕劑的性能研究

摘 要： 在眾多金屬防腐方法中，緩蝕劑具有用量少、效果明顯、方便經濟等優點，備受研究人員的關注，而近年來，植物提取物由于其來源廣泛，綠色環保等優勢更是研究熱點。使用超聲提取法從綠茶中提取活性物質作金屬酸洗緩蝕劑，采用了失重法探究了其在1mol·L-1HCl溶液中對碳鋼片的緩蝕作用，并通過單因素實驗和正交實驗（L9（33））探究不同溫度、不同時間和不同綠茶提取物濃度下對碳鋼片的緩蝕效率，為后續工作提供一定的數據支撐。通過實驗發現，在實驗溫度為30℃，作用時間為10h，緩蝕劑用量為0.16mg·mL-1時，具有良好的緩蝕效率，可以達到88.60%。最后通過紅外表征初步探討了其緩蝕機理。

關 鍵 詞：超聲提取； 綠茶； 緩蝕劑； 正交實驗

中圖分類號：TG174.42文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-1186-05

碳鋼作為一種重要的合金材料，由于價格低廉，具有良好的可塑性與加工性等優點在人類生產、生活中發揮著重要作用[1]。但是無論在哪個領域的應用中，碳鋼的腐蝕都無法避免，而腐蝕不僅會對工業設備等造成巨大損害，給經濟帶來損失，還會帶來重大生產安全事故隱患，對自然環境造成巨大影響[2]。

經過多年的研究，常見地減緩金屬腐蝕方法有：覆蓋層保護、電化學保護、緩蝕劑保護等。在眾多金屬緩蝕的方法中，緩蝕劑保護法[3]由于用量少，效果佳與種類多樣及利于修飾性強等優點備受研究人員的青睞。截至目前[4]，國內外已經發現了許多性能良好的金屬緩蝕劑，而近年來，植物提取物由于其來源廣泛，綠色環保等優勢更是研究熱點。經實驗研究，發現天然植物中存在許多如生物堿和黃酮等減緩腐蝕的有效活性物質成分，與有機合成緩蝕劑相比，植物緩蝕劑具有價格低廉，來源廣泛，可再生，無毒無污染等顯著優點，有著廣泛的應用前景[5]。

國家統計局網站數據顯示：2022年，中國茶葉產量達到335萬噸，占據全球茶葉市場的45%，而其中綠茶更是占比高達60%。茶葉在沖泡飲用過程中，溶入茶湯的成分是有限的物質，就算是用于速溶茶、茶飲料和功能成分產品生產的提取物也只占茶葉干重的30%。而對于經過加工的茶渣廢料，往往采取的方式是直接填埋，忽視了其中的價值。在國外已有將紅茶[6]，金針藤[7]、毛竹葉[8]等植物提取物進行緩蝕研究，國內也有對茶籽殼[9]、苦丁茶[10]，以及其他種類緩蝕劑[11]進行緩蝕性能研究的報道。但是在緩蝕領域中，人類追求高性能緩蝕劑的主題永不過時。

本文采用超聲輔助法提取綠茶緩蝕劑，不僅減少溶劑用量，縮短提取時間，還在一定程度上保持綠茶提取物的活性，實驗方法簡便，提取效率高[12]。通過失重法研究綠茶提取物的緩蝕性能，并利用單因素法、正交實驗法和紅外表征初步的探討和分析其在鹽酸溶液中對碳鋼的吸附行為及作用機制。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

綠茶，來源于四川省汶川縣。

95%乙醇、鹽酸、無水乙醇、丙酮，分析純，所用水為蒸餾水。

鋼片（10mm×10mm×1mm，Q235）。

1.2 實驗方法

1.2.1 超聲提取法

將材料綠茶烘干粉碎，過60目（250 μm）篩，采用超聲波技術，提升物質分子的運動頻率和速度，增強溶劑的穿透力，從而提高提取物的溶出速率。本文最終選取純度95%的乙醇作為溶劑，超聲功率為500W，溫度為60℃，超聲時間為2h，利用空化效應對茶葉進行超聲波提取[13]。

1.2.2 單因素法

在預實驗的基礎上，探討了緩蝕劑濃度、緩蝕溫度以及時間對緩蝕效率的影響。

1.2.3正交實驗法

根據單因素實驗結果，以碳鋼片的質量損失為指標，采用緩蝕時間（A）、緩蝕溫度（B）、緩蝕劑不同濃度（C）作為考察因素，選擇其中最具有代表性的三組數據（由實驗數據分析得），進行正交實驗方案。設計如表所示。

1.2.4失重法

將預先切割好的碳鋼片進行打磨拋光，在蒸餾水和無水乙醇洗凈烘干后用分析天平進行稱重，記錄碳鋼片的質量，再放入腐蝕介質中進行反應，最后將碳鋼片表面清洗干凈，烘干后再次稱重，最后兩次測量值差值不大于0.2mg。

1.2.5紅外表征法

使用傅里葉紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet iS20）對綠茶提取物和緩蝕產物進行表征，使用溴化鉀壓片，在波數4000～400cm-1掃描16次。

2 實驗結果與分析討論

利用公式對綠茶緩蝕劑的緩蝕效率進行計算[16]：

式中：η為—緩蝕效率，%；

Δm0—不含綠茶緩蝕劑的碳鋼片的平均失重，mg；

Δm—含綠茶緩蝕劑時的碳鋼片的平均失重，mg。

所有實驗平行3次。

2.1 單因素探究

2.1.1 綠茶緩蝕劑濃度對緩蝕效率的影響

準備6個150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，將各燒杯中分別加入0、10.0、12.0、14.0、16.0和18.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進行輔助溶解。將碳鋼片用細繩懸掛，浸沒在腐蝕介質中。將燒杯放入30℃的水浴鍋中反應6h，探究綠茶緩蝕劑濃度分別在100、120、140、160和180mg·L-1時對其緩蝕效率的影響。

如圖1所示，緩蝕劑的緩蝕效率會隨著綠茶緩蝕劑濃度的增加整體上呈現出上升的趨勢，以120mg·L-1為分界點，在濃度低于該點時，緩蝕效率增長幅度較大；當濃度高于該點時，變化幅度較小。在140mg·L-1時緩蝕效率達到一個最高點。結合相關文獻分析[13]，當緩蝕劑的濃度增大時，其中具有的緩蝕成分的含量增加，其緩蝕性能同樣增強，在質量濃度達到140mg·L-1及以上，綠茶緩蝕劑在碳鋼表面的吸附達到飽和，緩蝕性能達到穩定，此時的腐蝕速率和緩蝕效率趨于平衡。

2.1.2 緩蝕溫度對綠茶緩蝕劑緩蝕效率的影響

準備6個150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，各燒杯中均加入12.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進行輔助溶解。將碳鋼片用細繩懸掛，浸沒在腐蝕介質中。將AB兩組對應放入提前設置好溫度的水浴鍋中腐蝕6h，探究實驗水浴溫度分別在20、30、40、50和60℃時對緩蝕效率的影響。

由圖2可知，隨著反應溫度的升高，綠茶緩蝕劑的緩蝕效率呈現先上升后下降的趨勢，在溫度為30℃時達到最高點，此時綠茶緩蝕劑的緩蝕效率為87.79%。結合相關文獻分析[14]，升高溫度會使得緩蝕劑中的分子活性增強，在碳鋼片上的吸附能力增強。當溫度超過了一定條件，碳鋼片的腐蝕速率就開始大于緩蝕速率，緩蝕劑分子在碳鋼片上的吸附速度小于脫落速度，碳鋼片表面的吸附膜逐漸遭到破壞，導致緩蝕效果降低，所以溫度過高不利于綠茶緩蝕劑在碳鋼表面的吸附。

2.1.3 緩蝕時間對綠茶緩蝕劑緩蝕效率的影響

準備6個150mL潔凈干燥的燒杯，分別倒入100.00mL濃度為1mol·L-1的鹽酸溶液，將各燒杯中均加入12.0mg的綠茶緩蝕劑，利用超聲波進行輔助溶解。將碳鋼片用細繩懸掛，浸沒在鹽酸介質中。將AB兩組對應放入提前設置好溫度的水浴鍋中，探究實驗腐蝕時間分別在2、4、6、8和10h對緩蝕效率的影響。

由圖3可知，隨著時間的增加，綠茶緩蝕劑的緩蝕效率也在增加，最終緩蝕速率的增長幅度逐漸變小，緩蝕效率漸漸靠近88.0%。說明在2～10h的過程中，緩蝕劑分子逐漸在碳鋼片表面形成致密的吸附膜，減少了鹽酸介質與碳鋼片的接觸位點，緩蝕速率大于腐蝕速率[15]，結合本文數據發現，短時間的反應對綠茶緩蝕劑的緩蝕性能無多大影響。

2.2 正交實驗結果及驗證

2.2.1正交實驗結果

采用正交實驗法，以單因素實驗為依據，選取了影響緩蝕效率的最佳工藝參數：緩蝕溫度（A）、緩蝕時間（B）、緩蝕劑濃度（C），采用L9（33）正交實驗。結果及分析見表3。

從表2中的極差分析可知，對綠茶緩蝕劑的緩蝕效率的影響程度大小主要是緩蝕溫度>緩蝕劑濃度>緩蝕時間，也就是A>C>B；對A（緩蝕溫度），次序為A2>A1>A3；對B（緩蝕時間），次序為B3>B2>B1；對C（緩蝕劑濃度），次序為C3>C2>C1。所以A2B3C3是最佳緩蝕組合，即緩蝕溫度為30℃，緩蝕時間為10h，緩蝕濃度為160mg·L-1。

2.2.2驗證實驗

在使用超聲波長時間提取的工藝優化方案中，選擇最佳方案進行驗證實驗，即緩蝕溫度為30℃，緩蝕時間為10h，緩蝕劑濃度為160mg·L-1，平行做3次緩蝕實驗，如表4所示，得出綠茶緩蝕劑的緩蝕效率為88.51%，相對平均偏差為0.064%（＜0.1%），得出此最優方案具有可行性。

2.3 緩蝕機理研究

為了初步探究綠茶緩蝕機理，采用了傅里葉紅外光譜對綠茶提取物以及與金屬作用后的粉末進行了紅外表征，由圖4可以發現，綠茶提取物出峰位置較為典型，在3300cm-1左右有較多出峰說明綠茶提取物中具有較多的游離羥基，這可能是因為提取物中存在較多的茶多酚的緣由，也正是這個原因，其1600 cm-1和1470 cm-1附近出茶多酚環上的骨架變形振動，而與金屬作用后的，此兩處的振動峰變化較大，說明了游離羥基與碳骨架可能與金屬反應參與了配位成膜。

3 結論與展望

本實驗以綠茶為原料，利用超聲提取法制備了綠茶緩蝕劑，采用單因素法探討了緩蝕劑濃度、緩蝕劑溫度和緩蝕劑時間對綠茶緩蝕劑緩蝕作用的影響。經正交實驗設計，在30℃，10h，160mg·L-1的緩蝕劑濃度下，其緩蝕率最高可達88.60%。本論文所提供的數據可以作為日后綠茶資源開發的實驗依據。此外，利用單因素與正交的方法研究化合物的緩蝕性可以為緩蝕的研究提供新思路。

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