PASP/SG/BTA復(fù)合緩蝕劑對碳鋼的腐蝕抑制性能提升研究

中圖分類號：TQ317 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0027-04

Research on the improvement corrosion inhibition performance PASP/SG/BTA composite corrosion inhibitor on carbon steel

CHEN Zhenzhen，QI Beibei， CHEN Yanmin， ZHANG Hui，HAN Yifan，LI Jiameng （College ， ， ，）

Abstract：Carbon steel priles willdeposit onthe metal surfaceduring long-termuse，andtheyneed tobecleaned regularlywith pickling solution.Corrosion inhibitors areusuallyadded to inhibit thecorrosion the pickling solutionto the pipeline.In this paper，the effcts polyasparticacid（PASP），sodium gluconate（SG），benzotriazole （BTA）and their ternary compound systems on thecorrosion carbon steel in hydrochloric acid medium were tested by static weightloss method，and theefects massconcentration，temperatureand timeonthe performance composite corosion inhibitors were further explored.The results show thatthecorrosion inhibition efect PASP， SG andBTA alone is not ideal，and the performance is improved after compounding in a certain proportion. The best formula is c_PASP：c_SG：c_BTA=12.5：5：1 The corrosion inhibition rate is the highest at c complex=300 mg/L， T= （204號 ， t=12h ，reaching 95.12% ，which is higher than that single component 61.8% （PASP），30.24 % （SG） and 51.24% （BTA）.The analysis corrosion inhibition mechanism shows that the three single components are combined with the metal surface byphysical adsorption，while thecompositecorosion inhibitoris acombination chemical adsorption and physical adsorption.

Key words ： carbon steel;composite corrosion inhibitor;polyaspartic acid;sodium gluconate;benzotriazole

金屬尤其碳鋼是貫穿人類文明發(fā)展的重要物質(zhì)，其碳含量 （2.5%） 高于其他鋼型，極大地提高了金屬強(qiáng)度，成為眾多領(lǐng)域如建筑、航空、電力、海洋的理想選擇。但是，碳鋼在使用過程中會有垢沉積到表面，影響傳熱效率，需用酸洗液對其進(jìn)行定期清洗，而單一酸液又會對金屬造成腐蝕。另外，碳鋼與不銹鋼等其他材料相比，更易被氧化、腐蝕和銹蝕，致使表面破壞和損傷，嚴(yán)重影響金屬材料的性能和使用壽命[1-3]。因此，金屬防腐的重要性不言而喻。

常見的金屬防腐手段有緩蝕劑法、電化學(xué)法、金屬涂層法等[4-5]。其中，緩蝕劑法能夠憑借沉淀、吸附、絡(luò)合等機(jī)理在金屬表面成膜，延緩介質(zhì)對金屬的腐蝕，便捷有效[6-8]。磷酸鹽、鉻酸鹽等無機(jī)緩蝕劑因?qū)Νh(huán)境存在不良影響，其應(yīng)用已受到限制。有機(jī)緩蝕劑通常由C、H原子組成的非極性基團(tuán)和以電負(fù)性較大的O、N、S、P等原子為中心的極性基團(tuán)構(gòu)成，其能夠以化學(xué)鍵的形式與金屬表面結(jié)合，且穩(wěn)定性好。吳兆鍵等測試了BTA在 3% NaCl溶液中抑制銅腐蝕的效果。電化學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，銅的腐蝕電流密度 （ρ） 為 3.20× 10^-6A/cm² ，而加入BTA后 Δ，ρ 降至 1.26×10^-6A/cm² ，緩蝕效果優(yōu)異。

為響應(yīng)全球環(huán)護(hù)戰(zhàn)略，研制開發(fā)綠色緩蝕劑已成為金屬防腐領(lǐng)域的主要研究趨勢[10-I]。文獻(xiàn)報道[12-13]，聚天冬氨酸（PASP）生物降解性能優(yōu)異，對金屬腐蝕具有一定抑制作用，但單獨(dú)使用緩蝕率僅為57% （碳鋼）和 75% （銅），效果不佳。為提升緩蝕性能，郝曉秀等14將PASP與防銹紙涂料進(jìn)行了復(fù)配。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，基于PASP的氣相復(fù)合防銹紙對碳鋼的緩蝕效率明顯高于市售防銹紙。SG為工業(yè)中常用有機(jī)物，其分子同時含有羥基（一OH）和羧基（一COOH，可在鐵和低碳鋼表面形成緩蝕膜[1，還可經(jīng)普通生化處理迅速、完全降解，是一類高效無污染的綠色緩蝕劑。

基于以上分析，本文選用PASP、SG、BTA（結(jié)構(gòu)式如圖1所示）為原料，研究三種單組分及其復(fù)配物對鹽酸溶液中碳鋼的緩蝕性能，進(jìn)一步采用正交法設(shè)置不同復(fù)合配方，評價復(fù)合物抑制碳鋼腐蝕的效果，并探討影響因素，分析緩蝕作用機(jī)理。

1試驗(yàn)部分

1.1主要試劑與儀器

BTA和PASP（含量分別為 85% 和 40% ，常州市潤洋化工有限公司）；SG、鹽酸、丙酮、乙醇（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；試驗(yàn)用水均為去離子水。

EL204-IC電子分析天平（梅特勒-托利多儀器有限公司）；YCX-4恒溫水浴鍋（金壇市城西崢嶸實(shí)驗(yàn)化學(xué)儀器廠）；MNT991601電磨機(jī)（上海美耐特實(shí)業(yè)有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

將Q235碳鋼打磨至表面光亮，經(jīng)丙酮和無水乙 醇擦洗后冷風(fēng)吹干，干燥器內(nèi)靜置 4h ，分析天平稱量 試片，記錄初始質(zhì)量。試片懸掛于盛有待測溶液的燒 杯內(nèi)，保鮮膜密封，置于恒溫水浴鍋中。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后， 刷掉試片表面腐蝕產(chǎn)物，依次用酸洗溶液、去離子 水、堿洗溶液、去離子水沖洗，乙醇脫水，吹干后稱重。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)式（1）和（2）計算腐蝕率 X₁ 和緩蝕率 X₂ ：

式中： W 為試片質(zhì)量損失，g； W₀ 為酸洗空白試片質(zhì)量損失， g;A 為試片表面積， cm² D 為試片密度， g/cm³ ： T 為試驗(yàn)時間， h;8760 為與1年相當(dāng)?shù)男r數(shù)， h/a;10 與 1cm 相當(dāng)?shù)暮撩讛?shù)， mm/cm ： X₀ 為試片在空白試液中的腐蝕率， mm/a X₁ 為試片在加有緩蝕劑試液中的腐蝕率， mm/a

2 結(jié)果與分析

2.1 單組分緩蝕性能

在 0.5mol/L HCI溶液中分別加人不同質(zhì)量濃度的PASP、SG、BTA，測試6 0%24h 條件下3種單組分對碳鋼的緩蝕效果，如圖2所示。

圖1PASP、SG和BTA的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 MolecularstructureformulaPASP，SGandBTA

圖2碳鋼緩蝕率隨其質(zhì)量濃度的變化 Fig.2Variationcorrosioninhibitionrate carbonsteelwithitsmassconcentration

由圖2（a）可知，隨著PASP質(zhì)量濃度的增加，其對碳鋼的緩蝕能力先逐漸上升后趨于穩(wěn)定，于500mg/L 時達(dá)到最大值 61.80% ，這與文獻(xiàn)報道的63.50% 基本一致[。PASP中—COOH、—NH等極性基團(tuán)易吸附于金屬表面，提高金屬離子化過程的活化能，而一CH一等非極性基團(tuán)則遠(yuǎn)離金屬表面形成膜層，保護(hù)金屬不被腐蝕。圖2（b）顯示，SG抑制碳鋼腐蝕的效果隨其質(zhì)量濃度的增大逐漸變好，在 200mg/L 時緩蝕率達(dá)到最高值 30.24% ，繼續(xù)增大SG質(zhì)量濃度，緩蝕率反而下降。這可能是由于SG屬于吸附膜型緩蝕劑[，比CI離子更易吸附在金屬表面形成單分子層膜而抑制金屬腐蝕。但濃度過高時會發(fā)生協(xié)調(diào)吸附[18]，導(dǎo)致吸附膜產(chǎn)生空隙，形成膜層缺陷，使得溶液中的CI離子能夠穿過膜層去腐蝕碳鋼，造成緩蝕率下降。從圖2（c）可知，在 30～50mg/L 時，BTA對碳鋼的緩蝕率基本維持在 51% 左右，無明顯變化。相較于單組份SG的 30.24% ，BTA的緩蝕性能要好，但低于PASP的 61.80% 。

以上分析可知，3種單組分緩蝕劑在鹽酸溶液中抑制碳鋼腐蝕的效果均不夠理想，進(jìn)一步設(shè)計復(fù)配方案，借助組份間的協(xié)同作用提升緩蝕性能

2.2復(fù)合緩蝕劑的最佳比例

對PASP、SG和BTA進(jìn)行不同質(zhì)量濃度比例的設(shè)計，評價復(fù)合配方對碳鋼在 0.5mol/L HCl介質(zhì)中的緩蝕效果，如表1所示。

表1不同配方對碳鋼的緩蝕率

Tab.1 Corrosioninhibitionratecarbonsteelwith differentformulations

由表1可知，PASP、SG、BTA質(zhì)量濃度比為12.5：5：1 時，復(fù)合配方對碳鋼的緩蝕率最大，為 64.80% 均高于單組分 PASP（61.80% ） .SG（30.24% 和BTA（51.24% ）。復(fù)合配方1#至3#，PASP的比例逐漸加大，緩蝕率隨之增加，這與單組分PASP較小質(zhì)量濃度下的變化趨勢一致。配方3#至5#，繼續(xù)增大PASP配比，緩蝕率又呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是因?yàn)槠渲蠦TA的含量越來越低，與其他兩種組分間的協(xié)同效應(yīng)變?nèi)酢Ｒ虼耍x擇3#配方進(jìn)行之后的影響因素研究。

2.3復(fù)合緩蝕劑性能影響因素

2.3.1 質(zhì)量濃度的影響

以3#復(fù)合緩蝕劑為對象，在溫度為 60^°C 時間為24h 、腐蝕介質(zhì)為 0.5mol/L HCl的條件下，測試不同質(zhì)量濃度 100.200，300，400，500mg/L 對碳鋼的緩蝕率，如圖3所示。

圖3復(fù)合緩蝕劑質(zhì)量濃度對碳鋼緩蝕率的影響 Fig.3 Effect massconcentration composite inhibitor oncorrosioninhibition ratecarbon steel

由圖3可知，隨著復(fù)合緩蝕劑質(zhì)量濃度的增加，其抑制碳鋼腐蝕的性能先逐步提升， 300mg/L 時達(dá)最大值64.80% ，后又緩慢降低。這可能是因?yàn)榈陀?300mg/L 時，質(zhì)量濃度的增加促使復(fù)合緩蝕劑在碳鋼表面形成更加緊密均勻的吸附膜，而超過 300mg/L 后，過高的濃度會導(dǎo)致吸附過剩，引發(fā)結(jié)團(tuán)與膜層脫落[19]。

2.3.2 溫度的影響

復(fù)合緩蝕劑質(zhì)量濃度選取最佳值 300mg/L ，設(shè)置時間為 24h ，在 0.5mol/L HCI腐蝕介質(zhì)中分別測試20.40?60.80^°C 下的緩蝕性能，如圖4所示。

圖4溫度對復(fù)合緩蝕劑抑制碳鋼腐蝕性能的影響 Fig.4Effect temperature on corrosion inhibition performancecompositecorrosioninhibitor forcarbon steel

由圖4可知，隨著溫度的升高，緩蝕率逐漸降低，由 20% 的 88.84% 降至 80^qC 的 38.17% 。原因可能有以下兩點(diǎn)：（1）緩蝕劑分子在高溫下不穩(wěn)定，發(fā)生分解，致使藥效降低；（2）伴隨著溫度的升高，金屬表面膜層出現(xiàn)脫附現(xiàn)象[19-20]，覆蓋率下降，導(dǎo)致碳鋼腐蝕速度加快。因此，選擇 20% 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3.3 時間的影響

溫度和復(fù)合緩蝕劑質(zhì)量濃度均選取最佳值為20% 和 300mg/L ，在 0.5mol/L HCI腐蝕介質(zhì)中分別測試 6、12、24、48h 條件下該復(fù)合緩蝕劑對碳鋼的緩蝕性能，如圖5所示。

圖5時間對復(fù)合緩蝕劑抑制碳鋼腐蝕性能的影響 Fig.5Effect timeoncorrosioninhibitionperformance compositecorrosioninhibitorforcarbonsteel

由圖5可知，隨著時間的延長，緩蝕率先由6h的51.93% 增大至 12h 的 94.95% ，然后逐漸下降到 48h 的 52.91% 。這主要是因?yàn)槌跗诰徫g劑在金屬表面形成的膜層不夠緊致、穩(wěn)定，直至 12h 達(dá)到最佳，而時間過長，緩蝕劑在金屬表面形成的保護(hù)膜發(fā)生損壞，抑制碳鋼腐蝕的能力下降。

2.4 防腐機(jī)理

通常采用吉布斯自由能（ ΔG₀ ）判定緩蝕劑的吸附行為， |ΔG₀|lt;20kJ/mol 為物理吸附， |ΔG₀|gt;40kJ/mol"為化學(xué)吸附， 20kJ/mollt;|ΔG₀|lt;40kJ/mol 屬于混合型吸附。 ΔG₀ 由式（3）和（4）得到[21-22]：

式中： R 為氣體常數(shù) 8.314J/（mol?K） T 為熱力學(xué)溫度，K; K_ads 為吸附平衡常數(shù)； c 為緩蝕劑質(zhì)量濃度，mg/L θ 為膜層覆蓋率，可用緩蝕率 X₂ 表示。

利用Langmuir等溫吸附方程，以緩蝕劑質(zhì)量濃度 Ψ_c 為橫坐標(biāo)、 c/X₂ 為縱坐標(biāo)作圖并進(jìn)行擬合，如圖6所示。分析可知，PASP、SG、BTA的 ΔG₀ 分別為2.99，0.69，-15.31kJ/mol ，均屬于物理吸附；復(fù)合緩蝕劑的 ΔG₀ 為 -22.94kJ/mol ，其抑制碳鋼腐蝕的行為是化學(xué)吸附和物理吸附共同作用的結(jié)果。推測化學(xué)吸附為緩蝕劑分子中O、N等含有孤對電子的原子與金屬Fe發(fā)生了合反應(yīng)，提升了膜層的穩(wěn)定性。

3結(jié)語

三元復(fù)合緩蝕劑PASP/SG/BTA的最佳配方為CPASP c_SG ： c_BTA=12.5：5：1 ，抑制碳鋼腐蝕的效果均優(yōu)于三種單組分，意味著三者之間存在協(xié)同增效。該復(fù)合物在質(zhì)量濃度為 300mg/L， 溫度為 20% 、時間為12h時對碳鋼的緩蝕率高達(dá) 95.12% ，效果優(yōu)異。機(jī)理分析表明，三種單組份與碳鋼表面以物理吸附形式成膜，結(jié)合力相對較弱，故緩蝕性能不佳；而復(fù)合緩蝕劑PASP/SG/BTA與碳鋼之間除物理吸附外，還能夠借助緩蝕劑分子與金屬間的化學(xué)鍵增強(qiáng)膜層保護(hù)力，提升其對碳鋼的緩蝕性能，是化學(xué)吸附和物理吸附共同作用的結(jié)果。

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