油菜葉提取物對(duì)金屬鋁的緩蝕作用

許雯婷，董清麗，何玉蘭，張曉晴

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與生命健康學(xué)院，合肥 230011）

鋁是生產(chǎn)生活中較為常見(jiàn)的一種活潑金屬，具有密度小、光潔度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在生活中存在諸多用途，例如航空航天、車輛機(jī)械、化學(xué)工業(yè)等[1]。鋁在空氣中易氧化形成一層氧化鋁薄膜，具有一定程度的耐腐蝕性能，但是在酸性環(huán)境中氧化鋁薄膜會(huì)發(fā)生破裂，進(jìn)而被腐蝕。鋁是一種兩性金屬，會(huì)被堿性介質(zhì)腐蝕[2]。緩蝕劑是一種加入到腐蝕介質(zhì)中能明顯抑制金屬腐蝕的化學(xué)物質(zhì)，只需少量或微量就能達(dá)到顯著的效果，因其具有普適性、成本低、工序簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在防腐技術(shù)中應(yīng)用較多[3]。化學(xué)品緩蝕劑具有較好的緩蝕性能、耐酸度、抗高溫的優(yōu)勢(shì)，在防腐技術(shù)中應(yīng)用最廣[4]?；瘜W(xué)品緩蝕劑存在毒性大、污染環(huán)境的局限性，因此從植物中提取并制備高效、環(huán)保、可降解的緩蝕劑已成為緩蝕劑領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

油菜屬十字花科蕓薹屬植物，在我國(guó)廣泛種植，其葉片中含有大量的黃酮類化合物、生物活性多糖以及其他有效成分，如酚酸類化合物、萜類內(nèi)酯、特種氨基酸、蒽醌類化合物等[5]。但目前關(guān)于其應(yīng)用主要集中在營(yíng)養(yǎng)成分的研究，而對(duì)其應(yīng)用于金屬緩蝕作用方面的研究鮮有報(bào)道。本研究采用失重法研究了油菜葉提取物對(duì)金屬鋁在酸性溶液以及堿性溶液的緩蝕作用，并擬合出吸附等溫式，討論了其吸附行為，為進(jìn)一步將油菜葉提取物作為酸性介質(zhì)和堿性介質(zhì)中的植物緩蝕劑的研發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋁片（上海亮柏貿(mào)易有限公司），規(guī)格20.0 mm×20.0 mm×0.50 mm，其中各化學(xué)元素組成及百分含量分別為Mn 1.0%～1.5%、Si 0.6%，Zn 0.1%、Cu 0.05%～0.2%、Fe 0.7%，其余元素為Al。鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）、無(wú)水乙醇（C2H5OH），純度均為分析純，均購(gòu)于上海振企化學(xué)試劑有限公司。

FTIR測(cè)試儀器為NICOLET iS10紅外光譜儀（美國(guó)Thermo Nicolet公司），將少量油菜葉提取物（RLE）粉末研磨均勻，加入KBr混合壓片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試所選擇的波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油菜葉提取物的制備及FTIR表征 將新鮮油菜葉分別用清水、蒸餾水清洗晾干水珠后剪碎放入大燒杯中，加入去離子水煮沸4 h后過(guò)濾，取濾液繼續(xù)煮沸濃縮至20 mL，將濃縮液在電熱鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃恒溫干燥12 h得棕黃色固體，研磨后將棕黃色粉末密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 失重法 將鋁片分別用400目、800目、1 200目、2 000目砂紙逐級(jí)打磨至鏡面光亮，先用蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌，再用蒸餾水清洗，置于干燥箱中烘干后密封保存?zhèn)溆?。然后分別在堿性和酸性環(huán)境中對(duì)RLE的緩蝕作用進(jìn)行失重試驗(yàn)。

堿性環(huán)境：將打磨好的鋁片用電子天平稱重后，分別全浸靜置于不含RLE，含0.125、0.250、0.375、0.500、0.625 g/L RLE的1 mol/L NaOH溶液中，恒溫25 ℃浸泡1.5 h后取出，蒸餾水沖洗后用無(wú)水乙醇去脂，吹干后稱重，得出鋁片腐蝕浸泡前后的質(zhì)量差（g）。

酸性環(huán)境：將打磨好的鋁片用電子天平稱重后，分別全浸靜置于不含RLE，含0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 g/L RLE的1 mol/L HCl溶液中，恒溫25 ℃浸泡1.5 h后取出，蒸餾水沖洗后用無(wú)水乙醇去脂，吹干后稱重，得出鋁片腐蝕浸泡前后的質(zhì)量差（g）。

1.2.3 腐蝕形貌觀察 堿性環(huán)境腐蝕形貌觀察：將鋁片表面預(yù)處理后，恒溫25 ℃分別浸于不含RLE，含0.125、0.625 g/L RLE的1 mol/L NaOH溶液中，浸泡1.5 h后取出立即用蒸餾水對(duì)鋁片表面進(jìn)行清洗除污，冷風(fēng)吹干后用顯微鏡對(duì)鋁片表面形貌進(jìn)行表征。

酸性環(huán)境腐蝕形貌觀察：將鋁片表面預(yù)處理后，恒溫25 ℃分別浸于不含RLE，含0.25、1.25 g/L RLE的1 mol/L HCl溶液中，浸泡1.5 h后取出立即用蒸餾水對(duì)鋁片表面進(jìn)行清洗除污，冷風(fēng)吹干后用顯微鏡對(duì)鋁片表面形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿性環(huán)境中RLE對(duì)鋁的緩蝕作用

2.1.1 失重法測(cè)試堿性環(huán)境中RLE對(duì)鋁的緩蝕作用 由表1可知，在1 mo/L NaOH溶液中，隨著緩蝕劑RLE濃度增加，緩蝕率ηw不斷增大，緩蝕效果不斷增強(qiáng)。當(dāng)RLE濃度為0.500 g/L時(shí)，緩蝕率超過(guò)90%。當(dāng)RLE濃度為0.625 g/L時(shí)，緩蝕率達(dá)到92.85%。綜上，RLE對(duì)1mo/L NaOH溶液中金屬鋁的腐蝕有明顯的抑制效果。

表1 1 mol/LNaOH溶液中不同濃度RLE對(duì)緩蝕率的影響

2.1.2 表面腐蝕形貌分析堿性環(huán)境中RLE對(duì)鋁的緩蝕作用 表面預(yù)處理后的鋁片，恒溫25 ℃在堿性環(huán)境中1.5 h后表面腐蝕形貌如圖1所示。由圖1a可知，在不含RLE的1 mo/L NaOH溶液中，鋁片試樣表面凹凸不平，表明發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕；由圖1b可知，在堿性溶液中加入0.125 g/L RLE后，鋁片表面變得平整，表明加入RLE后，由于緩蝕劑的存在，減緩了NaOH對(duì)鋁的腐蝕；由圖1c可知，加入RLE的濃度增加到0.625 g/L時(shí)，鋁片腐蝕程度更低，說(shuō)明堿性環(huán)境下，RLE對(duì)金屬鋁的緩蝕效率隨著濃度的增加而增大。

圖1 堿性溶液中鋁表面腐蝕形貌表征

2.2 酸性環(huán)境中RLE對(duì)鋁的緩蝕作用

2.2.1 失重法測(cè)試酸性環(huán)境中RLE對(duì)鋁的緩蝕作用 由表2可知，隨著緩蝕劑RLE濃度增加，緩蝕率ηw不斷增大，緩蝕效果不斷增強(qiáng)。當(dāng)RLE濃度為1.25 g/L時(shí)，緩蝕率超過(guò)90%。綜上，RLE對(duì)1mo/L HCl溶液中金屬鋁的腐蝕有明顯的抑制效果。

表2 1 mol/L HCl溶液中不同濃度RLE對(duì)緩蝕率的影響

2.2.2 表面腐蝕形貌分析酸性環(huán)境中RLE對(duì)鋁的緩蝕作用 表面預(yù)處理后的鋁片，恒溫25 ℃在酸性環(huán)境中1.5 h后腐蝕表面形貌如圖2所示。由圖2a可知，在不含RLE的1 mo/L HCl溶液中，鋁片試樣表面凹凸不平，表明發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕；由圖2b可知，在酸性溶液中加入0.25 g/L RLE后，鋁片表面變得平整，表明RLE對(duì)鋁在HCl溶液中的腐蝕抑制作用良好；由圖2c可知，加入RLE的濃度增加到1.25 g/L時(shí)后，鋁片腐蝕程度更低，說(shuō)明酸性環(huán)境下，RLE對(duì)金屬鋁的緩蝕效率隨著濃度的增大而增大。

圖2 酸性溶液中鋁表面腐蝕形貌表征

2.3 紅外光譜分析

由圖3可知，3 414.35 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)吸收寬峰，為羧基-COOH伸縮振動(dòng)和OH伸縮振動(dòng)2個(gè)峰的疊加；2 938.02 cm-1處為亞甲基-CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)[6]；1 616.05 cm-1處為強(qiáng)而尖的吸收峰對(duì)應(yīng)附近為C=O伸縮振動(dòng)[7]；1 383.67 cm-1處為C-H的各種面內(nèi)彎曲振動(dòng)[8]；1 077.05 cm-1處為C-O-C的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)[6]；1 000 cm-1以下的吸收峰為苯環(huán)或雜芳環(huán)的取代指紋區(qū)[9]。紅外分析結(jié)果表明，RLE中含有大量氧原子功能性基團(tuán)（-COOH、O-H、C=O、C-O），即油菜葉提取物中含有大量O原子，O原子的孤對(duì)電子可與Al的空p軌道發(fā)生配位作用而吸附在Al的表面，從而形成腐蝕抑制膜層，進(jìn)而有效抑制Al腐蝕，所以RLE在對(duì)Al腐蝕起到了良好的緩蝕作用[10]。

圖3 油菜葉提取物的紅外光譜

2.4 油菜葉提取物在鋁片表面的吸附模型

為探究RLE在鋁片表面的吸附作用，對(duì)失重法試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行吸附等溫式擬合，發(fā)現(xiàn)Langmuir吸附等溫式擬合線性相關(guān)最好，在堿性溶液中擬合結(jié)果如圖4所示，在酸性溶液中擬合結(jié)果如圖5所示，Langmuir吸附等溫線和吸附熱力學(xué)參數(shù)如表3所示。Langmuir吸附等溫式擬合公式為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能ΔGθ=-RT1n(1×103K) 。式中，c為RLE濃度（g/L）；K為吸附平衡常數(shù)（L/g）；θ為表面覆蓋度，可用緩蝕率ηw代替；R為氣體常數(shù)（8.314 KJ/mol）；T為熱力學(xué)溫度（K）[11]。

圖4 1 mol/L NaOH溶液中Langmuir吸附等溫線

圖5 1 mol/L HCl溶液中Langmuir吸附等溫線

表3 Langmuir吸附等溫線和吸附熱力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

油菜葉提取物（RLE）對(duì)HCl溶液或NaOH溶液中浸泡的金屬鋁具有明顯的緩蝕作用，緩蝕率隨著RLE濃度增加而增加，在NaOH溶液中RLE濃度為0.625 g/L時(shí)緩蝕率達(dá)到92.85%，在HCl溶液中RLE濃度為1.25 g/L時(shí)緩蝕率達(dá)到90.03%。在HCl溶液或NaOH溶液中，油菜葉提取物對(duì)金屬鋁的吸附均符合Langmuir吸附等溫方程，吸附過(guò)程為物理吸附和化學(xué)吸附相結(jié)合的吸附過(guò)程。