Q235碳鋼緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺的合成及其性能研究

◇四川輕化工大學化學工程學院 羅 濤 陳 陽 周 翔 王忠磊 陳美靜 胡 震 于海蓮

Q235碳鋼材料因其具有優(yōu)異的物理特性和價格低廉的優(yōu)勢，被廣泛應用于各個領域，但由于生產的產品具有腐蝕性以及對Q235碳鋼設備進行酸洗等原因，都會對其造成嚴重的腐蝕，因此需要對其做緩蝕處理，添加緩蝕劑是一種簡單的、易于操作的、高效的抗腐蝕方法。本文以月桂酸和二乙醇胺為原料合成緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺，采用紅外光譜對其定性分析，并采用失重法對其進行性能評價。當緩蝕劑用量為9.0 mL，緩蝕溫度為40 ℃，緩蝕液pH 為1的鹽酸腐蝕介質情況下，緩蝕劑的使用時間可達到12 h，對Q235碳鋼的緩蝕率達到了91.56%，其可以有效地對Q235碳鋼材料進行保護。

Q235碳鋼材料因其具有優(yōu)異的物理特性和價格低廉優(yōu)勢，近年來被廣泛應用于石油、化工和天然氣的生產和儲運系統，到目前為止，也是其他材料難以替代的金屬材料[1]。但是由于一些化工和石油天然氣產品具有一定的腐蝕性，在其生產和儲運過程中都會對由Q235碳鋼制成的容器和管道帶來腐蝕。據統計，每年因腐蝕帶來的損失超過20000億元，甚至超過了每年GDP的3%[2]，更嚴重的問題在于因腐蝕帶來的危害對生產人員的健康威脅和環(huán)境的污染災難，往往這些后果都是不可逆的[3-4]。還有就是，Q235碳鋼設備需要定期進行酸洗，以便除掉其表面的銹蝕，降低其銹蝕程度和得到質量合格的產品，酸洗工藝變成了碳鋼除銹的常用手段[5]，該工藝費用低廉，除銹率高，然而這些酸洗劑在使用過程中容易腐蝕到Q235碳鋼金屬基底，影響Q235碳鋼的使用壽命[6]。一種簡單的、易于操作的、高效的抗腐蝕方法就是向碳鋼容器里面加入適量的有機緩蝕劑，減小或者消除對Q235碳鋼制成的容器和管道的腐蝕[7-8]。目前雖然已經開發(fā)出一些高效的針對Q235碳鋼保護的緩蝕劑，但這些緩蝕劑中大多數都對人體和環(huán)境均有較高的毒性[9]?；诖耍疚闹荚陂_發(fā)一種環(huán)境友好型緩蝕劑對Q235碳鋼材料進行保護，并對其性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器、材料與試劑

實驗儀器：HH-ZK4型二列四孔恒溫水浴鍋（上海標和儀器有限公司），FA224型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司），JJ-125W型電動攪拌器（江蘇金怡儀器科技有限公司），101-1AB型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）。

實驗試劑：乙醇，丙酮，月桂酸，二乙醇胺，二甲苯，鹽酸，均為分析純。

實驗材料：Q235碳鋼的化學成份（wt%）：0.16%C、0.53% Mn、0.30% Si、0.045 %P、0.055%S、0.3 %Ni、0.3%Cu和98.31%Fe；砂紙。

1.2 實驗方法

緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺的合成方法：首先按照摩爾比為1:2.5稱取月桂酸與二乙醇胺，將其加入到三頸燒瓶中，再向其中加入少量的二甲苯（0.5～1.0 mL），然后在128 ℃～132 ℃之間反應5 h，獲得緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺。

緩蝕劑的緩蝕性能考察方法：①用不同粗細的砂紙打磨鋼片，使其表面光滑，再用丙酮和乙醇浸泡鋼片除去表面的油漬，烘干后備用；②稱取試片，編號，并記錄質量，用耐腐蝕繩固定，懸掛在裝有月桂酸二乙醇酰胺緩蝕劑和腐蝕介質的燒杯中，每只燒杯中放置三塊試片。每塊試片不能互相接觸，以避免產生縫隙腐蝕。將已放好試片的燒杯放入恒溫水浴鍋中，恒溫腐蝕一定時間；③將燒杯中試片取出，先用去離子水沖洗，再用硬橡皮擦，擦掉表面被腐蝕部分；④再將鋼片放入丙酮中超聲10 min，倒出丙酮，再倒入乙醇繼續(xù)超聲10 min；⑤最后將其取出，用電吹風吹干并稱量（平行三次）。記錄數據，計算緩蝕率。

2 結果與討論

2.1 緩蝕劑的紅外光譜分析

采用KBr涂片法，用傅里葉紅外光譜儀對合成的月桂酸二乙醇酰胺進行定性分析，其紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 緩蝕劑的紅外光譜

由圖1可知，3468 cm-1為分子內氫鍵的伸縮振動峰，2926 cm-1為脂肪族飽和烴中-CH3的伸縮振動吸收峰，2840 cm-1為脂肪族飽和烴中-CH2-的伸縮振動吸收峰，1458 cm-1為亞甲基的彎曲振動吸收峰，1380 cm-1為甲基彎曲振動吸收峰，1743cm-1為酰胺鍵中C=O的強吸收峰，1171 cm-1為C-O-C的吸收峰，1171 cm-1和1075 cm-1為酰胺鍵中C=O的弱吸收峰，875 cm-1為亞甲基中CH的面外彎曲吸收峰，725 cm-1為甲基中C-H的面外彎曲吸收峰，通過分析可知合成產物中含有月桂酸二乙醇酰胺的主要官能團，可以確定生成的產物為月桂酸二乙醇酰胺。另外，在3550 cm-1處無峰，表明無游離羧酸的-OH，即反應結束后月桂酸未過量，產物中無月桂酸存在。

2.2 緩蝕劑用量對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

在緩蝕溫度為25 ℃，緩蝕時間為12 h，緩蝕液pH為1的鹽酸腐蝕介質環(huán)境條件下，做緩蝕劑用量分別為4.5 mL、6.0 mL、7.5 mL、9.0 mL和10.5 mL五組實驗，考察緩蝕劑的用量對Q235碳鋼緩蝕效果的影響，其實驗結果如圖2所示。

圖2 緩蝕劑用量對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

由圖2可知，當緩蝕劑用量在最初增大階段，Q235碳鋼的緩蝕率升高得不是很明顯，可能是由于添加的緩蝕劑濃度還不夠大，以致于緩蝕劑形成的膜還不能夠完全覆蓋于碳鋼表面，從而使得碳鋼裸露區(qū)腐蝕嚴重，造成緩蝕率增大不是很明顯，但是緩蝕率也達到了80%以上；當緩蝕劑用量從7.5 mL進一步增大到9.0 mL時，Q235碳鋼的緩蝕率快速升高，最高達到了84.31%，此后再增大緩蝕劑用量，緩蝕率幾乎不再增大了，說明緩蝕劑用量達到9.0 mL時，緩蝕劑已經在碳鋼表面形成了一層有效的保護膜，考慮到經濟成本因素，緩蝕劑用量選擇9.0 mL為宜。

2.3 緩蝕溫度對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

在緩蝕劑用量為9.0 mL，緩蝕時間為12 h，緩蝕液pH為1的鹽酸腐蝕介質環(huán)境條件下，做緩蝕溫度分別為20 ℃、30 ℃、40℃、50 ℃和60 ℃五組實驗，考察緩蝕溫度對Q235碳鋼緩蝕效果的影響，其實驗結果如圖3所示。

圖3 緩蝕溫度對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

由圖3可知，在鹽酸腐蝕介質溶液中，隨著緩蝕溫度升高，Q235碳鋼的緩蝕率不斷升高，當溫度達到40 ℃時，緩蝕率達到91.15%，但是進一步升高溫度，Q235碳鋼的緩蝕率反而降低了，這是因為隨著緩蝕液的溫度升高，緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺分子運動速率明顯加快，與金屬形成配位鍵的幾率提高，吸附在Q235碳鋼金屬表面的緩蝕劑有效分子數增多，并在其表面開始有效吸附成膜，從而使得Q235碳鋼緩蝕率逐漸升高。但是當緩蝕液溫度高于40 ℃以后，獲得的動能增大，緩蝕劑分子運動速率相應增大，但因為運動速率過快，使得部分配位鍵發(fā)生斷裂，緩蝕劑又會從形成的有效吸附膜上發(fā)生解吸，脫附分子增多，從而形成的保護膜部分受到破壞，保護平衡被打破[10]，使得Q235碳鋼緩蝕率下降，研究表明，研制的緩蝕劑使用溫度不能高于40 ℃，否則，對Q235碳鋼的緩蝕效果會降低。因此，緩蝕溫度選擇40 ℃為宜。

2.4 緩蝕液pH對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

在緩蝕劑用量為9.0 mL，緩蝕溫度為40 ℃，緩蝕時間為12 h的鹽酸腐蝕介質環(huán)境條件下，做緩蝕介質pH分別為1、3、5、7、9、11和13七組實驗，考察緩蝕液pH對Q235碳鋼緩蝕效果的影響，其實驗結果如圖4所示。

圖4 緩蝕液pH對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

由圖4可知，隨著緩蝕液pH不斷增大，Q235碳鋼的緩蝕率先降低，再升高，最后再降低。這主要是應為開始腐蝕液pH較小時，緩蝕液中自由的H+較多，快速地在Q235碳鋼金屬表面發(fā)生腐蝕，形成一層致密的保護膜，使得Q235碳鋼表面免遭進一步受到腐蝕，從而緩蝕率較高。當腐蝕液pH達到7時，腐蝕液介質變成了一個中性體系，對Q235碳鋼的腐蝕性最小。當腐蝕液pH超過7以后，腐蝕液變成了一個堿性體系，也會對Q235碳鋼形成腐蝕，pH越大，自由的-OH越多，堿性越強，從而腐蝕性更大，對Q235碳鋼腐蝕越嚴重。從緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺實用角度考慮，其更適合在酸性環(huán)境中應用，對Q235碳鋼保護才有意義。因此，緩蝕液pH選擇1為宜。

2.5 緩蝕時間對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

在緩蝕劑用量為9.0 mL，緩蝕溫度為40 ℃，緩蝕液pH 為1的鹽酸腐蝕介質環(huán)境條件下，做緩蝕時間分別為24、48、72、96和120五組實驗，考察緩蝕時間對Q235碳鋼緩蝕效果的影響，其實驗結果如圖5所示。

圖5 緩蝕時間對Q235碳鋼緩蝕效果的影響

由圖5可知，隨著緩蝕劑在腐蝕液介質中使用時間增大，緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺對Q235碳鋼緩蝕效果是不斷降低的。當使用時間低于72 h時，緩蝕率維持在87%以上，但是使用時間超過72 h以后，緩蝕率快速降低，這主要是因為隨著腐蝕反應時間的延長，緩蝕劑分子吸附速度逐漸減小，然而脫附速度增大，使得保護效率下降，緩蝕率快速下降。因此，緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺的使用時間控制在12 h為宜。

3 結論

以月桂酸和二乙醇胺為原料成功合成出緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺，在緩蝕劑用量為9.0 mL，緩蝕溫度為40 ℃，緩蝕液pH為1的鹽酸腐蝕介質環(huán)境下，緩蝕劑的最佳使用時間為12 h，此時對Q235碳鋼的緩蝕率達到91.56%，合成的緩蝕劑可以有效地對Q235碳鋼材料進行保護。