49刘瑞斌,辛剑等.新型咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀阻垢性能研究
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咪唑啉型缓蚀剂的合成及其缓蚀性能、机理的研究咪唑啉型缓蚀剂的合成及其缓蚀性能、机理的研究摘要:随着金属材料在工业生产和日常生活中的广泛使用,金属的腐蚀问题日益严重,因而对于防腐蚀技术的研究变得尤为重要。
本研究以咪唑啉型缓蚀剂为研究对象,通过合成、实验分析以及性能测试等方法,对其缓蚀性能和机理进行了深入研究,为金属材料的腐蚀防护提供了新的思路和方法。
1. 引言金属材料在各个行业中广泛应用,但受到腐蚀的威胁。
为了保护金属材料免受腐蚀的侵害,人们一直致力于寻找有效的缓蚀剂,其中咪唑啉型缓蚀剂因其良好的缓蚀性成为研究的热点。
2. 咪唑啉型缓蚀剂的合成本研究采用了溶液法,通过特定配比将苯胺、醋酸、甲醛等原料按一定比例混合并进行反应,最终得到咪唑啉型缓蚀剂。
合成过程中需要控制反应时间、温度等因素,以保证产物的纯度和良好的缓蚀性能。
3. 咪唑啉型缓蚀剂的性能测试通过扫描电子显微镜(SEM)和能量散射谱(EDS)等测试手段,对合成的咪唑啉型缓蚀剂进行了表面形貌和成分分析。
结果表明,所得到的咪唑啉型缓蚀剂表面均匀,成分纯净,并且具有一定的缓蚀性能。
4. 咪唑啉型缓蚀剂的缓蚀性能研究为了评价咪唑啉型缓蚀剂的缓蚀性能,选取常见的金属材料作为试验对象,通过电化学测试方法测量其腐蚀电位和极化电阻等参数。
实验结果表明,咪唑啉型缓蚀剂能够有效减缓金属的腐蚀速度,并且具有一定的缓蚀效果。
5. 咪唑啉型缓蚀剂的缓蚀机理研究通过红外光谱(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段对咪唑啉型缓蚀剂进行表征和分析,揭示出其缓蚀机理。
结果显示,咪唑啉型缓蚀剂在金属表面形成了一层致密的缓蚀膜,有效隔绝了金属与环境中的腐蚀介质的接触,从而起到了缓蚀的作用。
6. 结论本研究通过对咪唑啉型缓蚀剂的合成、性能测试和机理研究,验证了咪唑啉型缓蚀剂具有较好的缓蚀性能和机理。
因此,在金属材料的腐蚀防护中,咪唑啉型缓蚀剂具有广阔的应用前景,并为其他缓蚀剂的研究提供了新的思路和方法。
咪唑啉类缓蚀剂改性合成及性能研究咪唑啉类缓蚀剂改性合成及性能研究摘要:本文是关于咪唑啉类缓蚀剂改性合成及性能研究的综述。
随着工业的快速发展,在金属材料的使用过程中常常会受到腐蚀的影响。
因此,寻找优良的缓蚀剂用于保护金属材料的腐蚀成为研究的热点之一。
咪唑啉类化合物由于其优异的电子传输性质和缓蚀性能,已经成为了腐蚀化学研究的重要领域。
本文对咪唑啉类缓蚀剂的合成方法进行了综述,并对其在金属材料缓蚀方面的性能进行了研究。
关键词:咪唑啉类缓蚀剂;合成;性能研究1. 引言随着现代工业的飞速发展,各类金属材料广泛应用在航空、汽车、建筑等领域。
然而,金属在使用过程中往往会受到腐蚀的破坏,给材料的使用寿命和安全带来了不可忽视的问题。
为了延长金属材料的使用寿命和保障其安全可靠的性能,研究优良的缓蚀剂是至关重要的。
2. 咪唑啉类缓蚀剂的合成方法咪唑啉类化合物具有优异的电子传输性质和缓蚀性能,因此成为了目前研究的热点之一。
常见的合成咪唑啉类化合物的方法包括电化学合成法、化学合成法和生物合成法等。
其中,电化学合成法通过在电解质和阳极之间施加电压来合成咪唑啉类化合物,具有操作简便、高效率等优点;化学合成法则利用咪唑和其他化合物的反应来制备咪唑啉类缓蚀剂,该方法具有多样性和反应旺盛的特点;生物合成法通过微生物与底物的反应来生成咪唑啉类化合物,该方法对环境友好并且反应步骤相对简单。
3. 咪唑啉类缓蚀剂的性能研究咪唑啉类化合物有着良好的缓蚀性能,其缓蚀机理主要表现为对金属表面形成致密且稳定的保护膜,从而减少金属与腐蚀介质的接触,阻止了腐蚀反应的进行。
为了进一步提高咪唑啉类化合物的缓蚀性能,研究者还进行了不同方面的性能研究。
例如,研究了咪唑啉类缓蚀剂在不同腐蚀介质中的效果,以及改变其分子结构对缓蚀性能的影响等。
实验结果显示,咪唑啉类缓蚀剂在酸性和碱性介质中的缓蚀性能较好,且改变分子结构对其缓蚀性能具有显著影响。
4. 结论本文对咪唑啉类缓蚀剂的合成方法和性能进行了综述。
作者简介:刘忠运(1984-),男,湖北荆州人,硕士研究生,主要从事油田化学方面的研究工作。
(E-mail :liuzhongyun2006@ )收稿日期:2009-06-26第39卷第4期2009年8月精细化工中间体FINE CHEMICAL INTERMEDIATESVol.39No.4August 2009!!!!!!!!!!!!!!!!!!功能材料新型咪唑啉缓蚀剂的合成及其缓蚀性能研究刘忠运1,李莉娜2,张大椿1,吴大伟1(1.长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室,湖北荆州434023;2.天津理工大学化学化工学院,天津300384)摘要:合成了一种复合缓蚀剂YHX-4,研究了其在二氧化碳/硫化氢共存条件下的缓蚀性能。
研究表明,在n (油酸)∶n (二乙烯三胺)∶n (硫脲)∶n (氯化苄)=1∶1.4∶1∶1.2、成环反应最高温度220℃、成环时间8h ;季铵化反应温度90℃、时间3h 条件下可合成咪唑啉季铵盐缓蚀剂YHX-3,目标产物经红外表征。
将YHX-3与自制的4种物质:炔氧甲基烷基苄基季铵盐(HPOMAQ )、丁炔二醇(BOZ )、磷酸三乙酯(TEP )、增效剂SA 进行复配[m (YHX-3)∶m (BOZ )∶m (HPOMAQ )∶m (TEP )∶m (SA )=30∶8∶8∶3∶1]得缓蚀剂YHX-4,其在二氧化碳/硫化氢共存的腐蚀介质中静态缓蚀率大于92%,动态缓腐蚀率大于88%。
关键词:咪唑啉季铵盐;缓蚀剂;缓蚀率;合成中图分类号:TG174.42文献标识码:A文章编号:1009-9212(2009)04-0039-05Research on the Synthesis and Anti-corrosive Performance of Novel Imidazoline Corrosion Inhibitors LIU Zhong-yun 1,LI Li-na 2,ZHANG Da-chun 1,WU Da-wei 1(1.Key Laboratory of Oil and Gas Drilling and Production Engineering ,Yangtze University ,Jinzhou 434023,China ;2.Chemistry and Chemical Engineering College ,Tianjin University of Technology ,Tianjin 300384,China )Abstract :Compound YHX-4was prepared and its corrosion inhibition properties were studied under the CO 2/H 2S coexistence conditions.Results indicated that the optimum conditions for synthesizing imidazoline quaternary -ammonium -salts corrosion inhibitor (YHX -3)were :n (oleic acid )∶n (diethylenetriamine )∶n(thiourea )∶n (benzyl chloride )=1∶1.4∶1∶1.2,the cyclization reaction lasted for 8h at the highest temperatureof 220℃,and then quaternized for 3h at 90℃.The structure of the product was proved with infrared spectrum.Corrosion inhibitor YHX -4was then composed of YHX -3and other four self -made substances including HPOMAQ ,BOZ ,TEP and SA [m (YHX-3)∶m (BOZ )∶m (HPOMAQ )∶m (TEP )∶m (SA )=30∶8∶8∶3∶1].The efficiencies of its static and dynamic corrosion inhibition in the CO 2/H 2S medium were more than 92%and 88%,respectively.Key words :imidazoline quaternary-ammonium-salt ;corrosion inhibitor ;corrosion efficiency ;synthesis 1前言酸性气田开发过程中,井筒及地面管网腐蚀的防护是首要解决的众多问题之一[1~3]。
一种新型咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀性能研究郭文姝;程丽华;朱华平;许江兵;王慧;丛玉凤【摘要】为减少石油炼制过程中高酸原油对设备的腐蚀,不断优化加注缓蚀剂的缓蚀性能,实验通过低耗节能的曼尼希反应对加注的缓蚀剂进行改性,获得缓蚀性能优良的曼尼希碱型缓蚀剂.首先,以三乙烯四胺与脱氢松香酸为原料制得松香基咪唑啉衍生物缓蚀剂中间体(IMDO),再以亚磷酸对其进行曼尼希反应改性,制得一种松香基咪唑啉衍生物缓蚀剂(IMDOM),利用红外光谱对结构进行表征,以电化学法、动态失重法、能谱分析和扫描电子显微镜等方法分析缓蚀剂对10 #碳钢的缓蚀作用.结果表明:IMDO和IMDOM均为阳极型缓蚀剂,缓蚀剂的添加降低了腐蚀电流密度,使腐蚀速率减小,缓蚀剂取代水分子及其他腐蚀物质吸附于金属表面成膜,IMDOM的缓蚀性能优于IMDO;当缓蚀剂添加量为3 g/L时,IMDOM的缓蚀率为90.87%,IMDO缓蚀率为84.85%,点蚀程度大大降低,两者均满足Langmuir等温吸附方程,属于化学吸附.【期刊名称】《精细石油化工》【年(卷),期】2018(035)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】咪唑啉;缓蚀剂;脱氢松香酸【作者】郭文姝;程丽华;朱华平;许江兵;王慧;丛玉凤【作者单位】广东石油化工学院广东石油化工腐蚀与安全工程技术研究开发中心,广东茂名525000;辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001;广东石油化工学院广东石油化工腐蚀与安全工程技术研究开发中心,广东茂名525000;中国石油化工股份有限公司茂名分公司,广东茂名525000;中国石油化工股份有限公司茂名分公司,广东茂名525000;广东石油化工学院广东石油化工腐蚀与安全工程技术研究开发中心,广东茂名525000;辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TG174.42随着原油重质化程度的日益增加[1],高酸原油年产量占地球原油总量5%左右,年增长率为0.3%。
咪唑啉缓蚀剂的合成与缓蚀性能研究
雷良才;肖恺;沈愚;史向荣;于大勇;高延敏;杜元龙
【期刊名称】《腐蚀与防护》
【年(卷),期】2001(022)010
【摘要】利用环烷酸及二乙烯三胺为原料合成咪唑啉缓蚀剂,合成产品可按沸程分为5个组分,利用红外光谱分析对产品的结构作了定性分析,并通过失重实验和自制的局部腐蚀模拟探头对合成咪唑啉的缓蚀性能进行了表征.结果表明这5个组分都具有咪唑啉环结构,且均具有良好的缓蚀性能,当使用量为5/106时,对Q235钢在酸性介质中的缓蚀效率最高可达93.81%,此外由于高沸点组分的分子结构中疏水基团较大,缓蚀效率也较高.实验结果还表明该产品对局部腐蚀亦有很好的缓蚀作用.【总页数】4页(P420-423)
【作者】雷良才;肖恺;沈愚;史向荣;于大勇;高延敏;杜元龙
【作者单位】中国科学院金属研究所,;中国科学院金属研究所;抚顺石油学院应用化学系,;抚顺石油学院应用化学系,;抚顺石油学院应用化学系,;抚顺石油学院应用化学系,;中国科学院金属研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG174.42
【相关文献】
1.咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀性能研究 [J], 李军龙;徐星;邹莉菲
2.混合酸咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀性能研究 [J], 张勇;张颖;陆原;胡廷;张浩
3.1.4-二(1′-硫氰铵基乙基-2′-咪唑啉基)苯缓蚀剂的合成及其缓蚀性能的研究[J], 黄科程;袁斌;吕松;牛艳;区韵莹
4.咪唑啉缓蚀剂的合成及其缓蚀性能的研究 [J], 覃金凤;李燕
5.棉籽油咪唑啉缓蚀剂的合成与缓蚀性能研究 [J], 邹浩然;陈开天;杨军胜
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咪唑啉衍生物缓蚀剂的合成及其缓蚀性能研究摘要本文以脂肪酸(月桂酸、油酸)与多胺(二乙烯三胺)为原料,采用两次脱水法合成环状咪唑啉缓蚀剂。
通过静态失重法对合成的咪唑啉的缓蚀性能进行了评价,并探讨了缓蚀效率与PH值、缓蚀剂用量之间的关系。
实验结果表明,脂肪酸与多胺经160℃和200℃两次脱水反应,可成功合成脂肪酸基环状咪唑啉缓蚀剂;获得的咪唑啉缓蚀剂在加入量很小的情况下,缓蚀效率就可以达到70%以上。
此外腐蚀介质环境、缓蚀剂用量对缓蚀剂的缓蚀性能也均有影响。
当缓蚀剂的pH值为5~7时,缓蚀剂效果最佳。
缓蚀剂用量一般在加入2~3mL时,即可达到较好的缓蚀效果,随着缓蚀剂加入量的增加,缓蚀率变化不大,可见,缓蚀剂存在最佳用量。
咪唑啉类缓蚀剂是一种对腐蚀反应的阴极、阳极过程均有抑制作用的缓蚀剂,合成的缓蚀剂在应用过程中有时间效应,当时间超过13小时以上,其缓蚀效果明显下降。
关键词:缓蚀剂;咪唑啉;缓蚀效率ABSTRACTImidazoline was synthesized by two-step dehydration using fatty acid and polyamine (polyamine diethylenetriamine) as raw materials. Anti-corrosion rate was investigated by weight-losing method. The relations of anti-corrosion rate with pH value, concentration are also discussed in this paper.The results indicate that cycle configuration imidazoline can be synthesized by two-step dehydrating in the temperature of 160℃ and 200℃. Anti-corrosion rate of the corrosion inhibitor can achieve more than 70 percent only using few of it. Furthermore, the anti-corrosion rate of the imidazoline corrosion inhibitor is relative to the pH value and the proportion of the reactants. Adding in 2~3 mL of it, imidazoline inhibitor is a good inhibitor that can inhibit corrosion both in cathode and anode process. Corrosion inhibition effects decreased remarkably when using inhibitor beyond 13 hours.Keywords: corrosion inhibitor; imidazoline; corrosion rate目录第一章前言 (1)1. 咪唑啉型缓蚀剂的发展史 (1)2. 咪唑啉表面活性剂的合成 (2)3. 咪唑啉合成中的副产物 (4)4. 咪唑啉的水解 (5)5. 缓蚀剂作用研究方法的进展 (6)6. 本课题研究的目的、意义 (7)第二章咪唑啉缓蚀剂的实验材料和合成方法 (8)1. 试验仪器设备及材料 (8)2. 咪唑啉类缓蚀剂合成工艺流程 (9)3. 咪唑啉类缓蚀剂的合成及评价装置 (10)4. 咪唑啉的合成 (11)4.1 月桂基咪唑啉的合成 (11)4.2 油酸基咪唑啉的合成 (11)5. 咪唑啉类缓蚀剂的制备 (12)5.1 月桂基咪唑啉类缓蚀剂的制备 (12)5.2 油酸基咪唑啉类缓蚀剂的制备 (12)6. 性能检测方法 (12)6.1 腐蚀液和缓蚀液的配制 (12)6.2 缓蚀性能的测试. (12)第三章实验结果和分析 (14)1. 合成缓蚀剂的方程式及产物形态 (14)1.1 合成缓蚀剂的方程式 (14)1.2 合成的咪唑啉类缓蚀剂形态 (14)2. 挂片腐蚀形貌分析 (15)2.1 月桂基咪唑啉缓蚀剂的挂片腐蚀形貌对比 (15)2.2 油酸基咪唑啉缓蚀剂的挂片腐蚀形貌对比 (17)3. 缓蚀率曲线分析 (19)3.1 月桂酸与二乙烯三胺合成的缓蚀剂缓蚀率曲线分析 (19)3.2 油酸与二乙烯三胺合成的缓蚀剂缓蚀率曲线分析 (20)第四章缓蚀剂缓蚀机理探究与展望 (22)1. 缓蚀剂的合成与缓蚀效率评价 (22)2. 缓蚀剂缓蚀机理探究 (22)2.1 缓蚀剂的几种缓蚀理论 (22)2.2 咪唑啉缓蚀剂的作用机理 (23)3. 展望 (24)第五章结论 (26)第一章前言众所周知,金属腐蚀遍及国民经济和国防建设各部门,造成了巨大损失。
第28卷第3期辽宁石油化工大学学报Vo l.28No.3 2008年9月JO U RN A L O F L IA O NI NG U N IV ERSIT Y O F P ET RO LEU M&CHEM ICA L T ECH N OL O GY Sep.2008文章编号:1672-6952(2008)03-0004-04咪唑啉类缓蚀剂的合成及缓蚀性能研究李倩1,吕振波1,赵杉林1,孙廷秀2(1.辽宁石油化工大学,辽宁抚顺113001; 2.渤海船舶职业技术学院,辽宁葫芦岛125005)摘要:以油酸和二乙烯三胺为反应物、二甲苯为带水剂,制备了烷基咪唑啉类缓蚀剂,研究了该缓蚀剂的合成条件、分子结构与在锅炉水系统的缓蚀性能的关系。
结果表明,最佳的合成条件为酸/胺为1B1.4,带水剂体积占反应物总体积的20%,在145e左右回流,逐步升温至210e,回流8h,产物的收率为96.5%,烷基咪唑啉衍生物的用量为20mg/L时在锅炉水中对碳钢的缓蚀速率可达90%以上,缓蚀剂强烈地抑制了腐蚀的阳极溶解过程,对阴极去极化过程也有一定的抑制作用,可认为该缓蚀剂是碳钢的以阳极为主的混合性缓蚀剂。
该缓蚀剂抑制腐蚀的原因是在碳钢表面缓蚀剂吸附成膜,有效阻挡了钢表面与水的接触。
关键词:咪唑啉;缓蚀剂;合成条件;锅炉水中图分类号:T Q047.6文献标识码:APreparation and Performance Evaluation of Im idazoline Corrosion Inhibit or LI Qian1,L B Zhen-bo1,ZH AO Shan-lin1,SUN Ting-xiu2(1.L iaoning Univ er sity of Petr oleum&Chemical T echnology,Fushun L iaoning113001,P.R.China;2.Bohai ship buil ding V ocational Collage,H ul udao L iaoning125005,P.R.China)Receiv ed30M ay2008;r evised10J une2008;accep ted20J une2008Abstract:A n imidazo line co rr osio n inhibitor w as synthesized from diethylenetr iamine and oleic acid using dimethylbenzene as a water ca rr ying agent,and the synthet ic reaction conditions,mo lecular str ucture and co rro sion inhibiting capability to bo iler water system wer e st udied.Results sho w that the optimized parameter s fo r the sy nthesis is as fo llow s:the mo lar ratio of oleic acid to diethy lenetriam ine is1B1.4,the vo lume r atio o f dimethylbenzene t o reacting mix ture is1B5,temper ature is pr og rammed raised fr om145e to210e,the reflux time is8h.under the o ptimum co nditions,the y ield is up to96.5%, co rr osio n inhibit ion efficiencies on carbon steel is ov er90%w ith imidazoline der iv ative co ncent ration of20mg/L in bo iler so lutio ns.T he imidazoline derivativ e w as found to inhibit anode co rr osion reactio ns gr eat ly,and also to inhibit cathode cor ro sion to some ex tent,so it can be classified as a passivating ano dic-t ype co rr osion inhibito r.T he mechanism o f co rr osio n inhibition relies on the str ong abso rption of t he imizadoline on metal surfaces w hich can prevent meta l surface from contacting w ith w ater. Key words:Imidazo line;Cor ro sion inhibito r;Sy nthetic conditio ns;Bo iler solutionCo rr esponding author.T el.:+86-413-7325147;fax:+86-413-6860778;e-mail:x iaoqian0606@126.co m咪唑啉又称间二氮杂环戊烯,它的五元杂环中含有两个互为间位的氮原子及一个双键。
咪唑啉类缓蚀剂合成及缓蚀性能评价张广东;戴倩倩;刘建仪;周飞;赵宏利【摘要】合成了一种具有较好耐温和耐酸性能的咪唑啉季铵盐缓蚀剂,其最佳合成条件为:油酸、二乙烯三胺最佳配比为1∶1.2,酰化温度为160℃,酰化时间为3 h,环化温度为220℃,环化时间为4h,季铵化试剂氯化苄,咪唑啉中间体与氯化苄的最佳摩尔比为1∶1.2,季铵化反应温度为60℃,季铵化反应时间为3h.当缓蚀剂的加量为0.5%(质量分数),酸化温度为80 ℃,酸化时间为4h,酸液浓度为15%时,缓蚀率可以达到99.1%以上.%An more thermostable and acid-resistance imidazolium quaternary corrosion inhibitor was synthesized. The optimal synthesis condition were as follows: the molar ratio of oleic acid to diethylenetri-amine was 1: 1.2, acylation reaction temperature was 160 ℃, ac ylation time was 3 h; cyclization reaction temperature was 220 ℃, cyclization time was 4 h; benzyl chloride was selected as quaternization reagent and the molar ratio of benzyl chloride to imidazoline intermediate was 1.2: 1, quaterization temperature was 60 ℃, reaction time was 3 h. In 15% hydrochloric acid, when the mass fraction of the inhibitor was 0.5%, the corrosion rate was 99.1%, with acidification temperature 80 ℃ and time 4 h.【期刊名称】《应用化工》【年(卷),期】2013(042)002【总页数】5页(P200-204)【关键词】咪唑啉季铵盐;缓蚀剂;缓蚀效率;腐蚀【作者】张广东;戴倩倩;刘建仪;周飞;赵宏利【作者单位】“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室西南石油大学,四川成都610500;成都理工大学能源学院,四川成都610059;辽河油田分公司,辽宁盘锦124010;“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室西南石油大学,四川成都610500;辽河油田分公司,辽宁盘锦124010;西南油气田分公司,四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】TQ413.2国外研究缓蚀剂起步比较早,早在1949年,就有学者报道了有机含氮咪唑啉及其衍生物对CO2和H2S腐蚀具有很好的抑制作用[1]。
咪唑啉缓蚀剂的合成及其缓蚀性能的研究覃金凤;李燕【摘要】实验以二乙烯三胺和油酸甲酯为原料,经升温加热脱水制备出咪唑啉中间体,再对其进行冰醋酸的改性,合成了咪唑啉季铵盐缓蚀剂,增加了其水溶性.以静态失重法评价了咪唑啉中间体和季铵盐在1mol/L盐酸中的缓蚀效率,通过红外光谱仪表征咪唑啉类缓蚀剂的结构.试验表明,咪唑啉中间体作为缓蚀剂添加到腐蚀体系中,Q235碳钢的缓蚀率最高为96.50%,而经过冰醋酸改性后得到的咪唑啉季铵盐作缓蚀剂时,对金属材料的缓蚀率达到了98.2%.通过电化学极化曲线测试可知该咪唑啉类缓蚀剂为阴极型缓蚀剂.【期刊名称】《大众科技》【年(卷),期】2015(017)012【总页数】3页(P39-41)【关键词】咪唑啉;二乙烯三胺;季铵盐;缓蚀率【作者】覃金凤;李燕【作者单位】广西经正科技开发有限责任公司,广西南宁 530007;广西经正科技开发有限责任公司,广西南宁 530007【正文语种】中文【中图分类】TG17现代社会中,金属材料的用途非常广泛,金属的年产量也是以亿万吨计算,同时,金属的腐蚀现象也是普遍存在。
据统计每年因金属腐蚀造成的国民经济损失至少二百亿元[1],被腐蚀的金属随地丢弃,资源得不到充分利用且对环境造成污染。
缓解这现象最常见的方法主要是添加缓蚀剂,可以很明显地降低金属材料的腐蚀速率,增加材料的使用寿命,使能源得到充分利用[2]。
缓蚀剂是一种加入微量或少量可使金属材料在该介质中的腐蚀速度明显降低甚至为零,同时还不改变金属原本的物理、力学性能的化学物质[3]。
传统的缓蚀剂毒性较大,对环境伤害较大,而咪唑啉类缓蚀剂对环境毒性低,污染小,而且合成工艺简单,对设备要求低,具有很广阔的研究和应用前景。
咪唑啉缓蚀剂是一类含氮五元杂环化合物,广泛运用于石油、天然气工业生产、是一种环境友好型缓蚀剂[3]。
咪唑啉类缓蚀剂在盐酸介质中对碳钢等金属具有优良的缓蚀性能,具有使用操作简单、热稳定性好,毒性低、无刺激性气味等众多优点[4]。
新咪唑啉缓蚀剂的合成及性能表征张锐芝;刘裕彬;储召华【摘要】以菜籽油,二乙烯三胺为原料合成咪唑啉中间体,以丙烯酸甲酯为烷基化试剂、氯乙酸钠为季胺盐化试剂合成新型的咪唑啉缓蚀剂,并以不同浓度的硫酸溶液为介质研究其对钢样的缓释效率.实验结果表明:当硫酸的浓度为20%,缓蚀剂量为0.5%(v/v),浸泡时间为4h时,其缓释效率最好,达到了93.9%.【期刊名称】《江西化工》【年(卷),期】2010(000)002【总页数】5页(P10-14)【关键词】咪唑啉;缓蚀剂;合成;缓蚀率【作者】张锐芝;刘裕彬;储召华【作者单位】韩山师范学院化学系,广东,潮州,521041;韩山师范学院化学系,广东,潮州,521041;韩山师范学院化学系,广东,潮州,521041【正文语种】中文1 前言腐蚀给人类带来的损失是巨大的。
据有关资料统计,世界上每年因腐蚀而报废的金属材料和设备约相当于生产量的 20%以上,一些发达国家由于金属腐蚀而造成的经济损失大约占国民经济总产值的 2~4%。
随着全球工业的发展,腐蚀的问题日趋严重。
就世界范围来说,虽然控制污染的研究工作在同时进行,防腐技术措施在不断发展,使腐蚀问题得到了一些缓解,但总的来说,金属的腐蚀仍十分严重。
所以寻找新的缓蚀剂是非常必要的。
咪唑啉又称间二氮杂环戊烯,是含有两个互为间位的氮原子及一个双键的五元杂环化合物。
咪唑啉型缓蚀剂,一般由三部分组成:具有一个含氮的五元杂环,碳支链 R和杂环上与 N成键含有官能团的支链 R1 (一般为酰胺官能团,胺基官能团,羟基等)。
其结构为:咪唑啉类缓蚀剂在酸洗中被广泛使用,它对碳钢等金属在盐酸中有优良的缓释性能。
本实验在以菜籽油和二乙烯三胺为原料合成咪唑啉的基础上,并将合成的咪唑啉烷基化、季胺盐化,得到了一种缓蚀性能较好的缓蚀剂,并探索了该新型缓蚀剂的最佳应用条件。
2 实验部分2.1 主要试剂与仪器二乙烯三胺 (CP)、丙烯酸甲酯 (AR)、氯乙酸钠(AR)、食用菜籽油;硫酸(95%~98%)、丙酮(CP)、盐酸(36%)、钢样。
2010年第68卷化学学报V ol. 68, 2010第20期, 2051~2058 ACTA CHIMICA SINICA No. 20, 2051~2058* E-mail: dynamic_zh@, wyguo@; Tel.: 0546-8391592, 0546-8396319Received December 18, 2009; revised April 13, 2010; accepted June 24, 2010.2052化学学报V ol. 68, 2010Keywords imidazoline derivatives; corrosion inhibitor; quantum chemistry calculation; molecular dynam-ics simulation; electrochemical measurement油气田开发过程中广泛存在H2S和CO2, 它们溶于水后对钢质设备有极强的腐蚀性. 目前各油田最常用的防腐方法就是添加缓蚀剂, 既经济有效又不影响正常生产[1]. 近年来, 随着人们环保意识的增强, 研发新型高效、环境友好的缓蚀剂越来越受到重视[2~4]. 然而传统的缓蚀剂研制方法是建立在猜测和大量探索性实验的基础上的, 成本高、周期长, 工作带有一定的盲目性, 因此设计开发新型缓蚀剂迫切需要理论指导.随着计算机技术的进步以及量子化学计算方法的不断发展, 使得计算机辅助缓蚀剂设计成为可能[5~7]. 计算机辅助缓蚀剂分子设计的方法是以计算机为工具, 采用各种理论计算方法和分子图形模拟技术, 根据累积的大量有关缓蚀剂的结构和缓蚀效率的资料, 建立缓蚀剂的缓蚀效率与分子结构参数之间的定量构效关系(QSAR), 并据此设计出具有一定缓蚀性能的新缓蚀剂分子. 迄今为止, 有关缓蚀剂定量构效关系研究的报道仍然不多见, 但是定量构效关系研究在药物分子设计及环境化学领域取得了丰硕的成果. 课题组借助于QSAR 在药物分子研究领域的成功经验, 研究了油田常用咪唑啉衍生物缓蚀剂在H2S, CO2共存腐蚀环境中的定量构效关系, 并在此基础上设计了1-(2-氨基-硫脲乙基)-2-十一烷基咪唑啉、1-(2-甲基-硫脲乙基)-2-十一烷基咪唑啉、1-(2-苯基-硫脲乙基)-2-十一烷基咪唑啉三种新型缓蚀剂, 具体设计过程见文献[8]. Ramachandran等[5]研究了不同碳链长度的氨乙基咪唑啉在CO2腐蚀介质中的缓蚀行为, 研究发现, 碳链长度为15时缓蚀效率最高, 其值远大于链长为11时的情况. Duda等[6]研究的羧乙基咪唑啉对H2S腐蚀介质中的缓蚀行为也得到了类似的结果, 鉴于此, 作者对根据定量构效关系设计的三种缓蚀剂的链长进行了修正, 将碳链长度改为15, 缓蚀剂的缓蚀性能可能会有所改进.本文以修正后的三种新型咪唑啉衍生物缓蚀剂1-(2-氨基-硫脲乙基)-2-十五烷基咪唑啉、1-(2-甲基-硫脲乙基)-2-十五烷基咪唑啉、1-(2-苯基-硫脲乙基)-2-十五烷基咪唑啉为研究对象(见Table 1), 采用量子化学计算和分子动力学模拟相结合的方法, 从不同层次系统研究了缓蚀剂分子结构特征及缓蚀剂与金属表面的作用机制, 理论评价了其对金属的缓蚀作用, 并通过失重法及电化学极化曲线法对理论评价结果进行了验证.表1三种缓蚀剂分子的名称和结构Table 1 Names and conformations for three corrosion inhibi-torsIUPAC name Structure1-(2-Amido-thioureaethyl)-2-pentadecyl imidazolineA1-(2-Methyl-thioureaethyl)-2-pentadecyl imidazolineB1-(2-Phenyl-thioureaethyl)-2-pentadecyl imidazolineCR=CH2(CH2)13CH3.1 理论和实验方法1.1 量子化学计算所研究的3种咪唑啉衍生物分子的初始构型均由Material studio 4.0软件包[9]中Visualizer模块构建. 采用DMol3模块[10]中的GGA/BLYP方法, 在DND基组(双ζ数值基组, 在非氢原子上加极化d函数)水平上对上述化合物实施分子几何全优化计算, 并进行频率分析, 确保所得的结构均为势能面上的极小点(无虚频); 在同一基组水平上计算分子的前线轨道能量及轨道分布、偶极距和Fukui指数等, 用于分析缓蚀剂分子的活性和选择性.1.2 分子动力学模拟通过量子化学方法可以得到缓蚀剂微观结构方面的信息, 对缓蚀剂的反应活性进行分析. 但是, 缓蚀剂的缓蚀性能除自身反应性之外, 还与具体的腐蚀环境有关. 有机缓蚀剂对H2S, CO2腐蚀的缓蚀作用是发生在液相条件下的, 而溶剂的存在将直接影响缓蚀剂分子在金属表面的吸附行为, 进而影响缓蚀剂分子的缓蚀效率. 通过计算机模拟“缓蚀剂分子-溶液-腐蚀界面”体系达到平衡时的构型, 获取界面上的吸附能数据, 对于评价缓蚀剂性能的好坏具有重要的意义. 缓蚀剂分子在Fe 表面的吸附能可由Eq. (1)给出[11]:No. 20胡松青等:新型咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论与实验研究2053E adsorption =E total -(E molecule +E surface ) (1) 其中, E adsorption 为吸附能, E molecule 是孤立缓蚀剂分子的能量, E surface 是未吸附缓蚀剂分子时金属表面的能量, E total 是包含一个缓蚀剂分子和金属表面体系的总能量, 单位皆为kJ/mol.缓蚀剂与Fe 表面的相互作用采用分子动力学模拟(MD)方法. 选取Fe 晶体的(001)晶面为吸附表面, 构建一个从上至下的三层体系: 第一层为Fe 原子的表面体系, 厚度为11层, 共计1331个铁原子, 表面体积大小为3.1530 nm ×3.1530 nm ×1.5332 nm; 第二层为包含1个缓蚀剂分子和1000个H 2O 分子的水溶液体系(密度为1 g/cm 3); 第三层为包含500个H 2O 分子的纯水体系(密度为1 g/cm 3). 计算中“冻结”第一层和第三层体系中所有原子, 而中间层体系中的分子保持与金属表面自由相互作用. 选择Material studios 4.0中的PCFF 力场, 运用Smart minimizer 方法对体系进行优化. 动力学模拟由Discover 模块[9]完成, 采用NVT 恒定的正则系综, 模拟温度选298 K, 范德瓦尔斯和库仑相互作用采用Charge group 方法计算. 截断半径为15 Å, 时间步长为1 fs, 总模拟时间为500 ps, 每隔1000 fs 采集一次构型. 所有计算均在Pentium IV 计算机上完成. 1.3 失重法失重法实验参照国家标准GB10124-88执行, 选取尺寸为30 mm ×15 mm ×1 mm 的Q235钢试样, 将其表面用180 #, 380 #, 800 #, 1000 #, 1200 #, 2000 #水砂纸逐级打磨, 然后用去离子水冲洗试样表面, 再用丙酮、无水乙醇依次对试样进行脱脂并清洗, 用电子天平称重. 将处理的碳钢试样分别放置于含有不同浓度的三种缓蚀剂的腐蚀介质中, 所选腐蚀介质为H 2S (100 mg/L)和CO 2(饱和)共存的3% NaCl 溶液, 并以未添加任何缓蚀剂的腐蚀介质作为对照. 基本实验温度为298 K, 腐蚀时间72 h. 实验结束后将其表面腐蚀产物清理, 用电子天平称其质量, 用Eq. (2)计算缓蚀效率:IE =(W 0-W t )/W 0×100% (2)其中W 0和W t 分别为试样在未加和加入缓蚀剂实验后的质量改变量, 单位为mg. 为了尽量减小误差, 采用做平行实验求平均值的方法.1.4 极化曲线法 极化曲线测试在CHI660A 电化学工作站上进行, 测试采用三电极体系, 饱和甘汞电极为参比电极, 铂电极为辅助电极, Q235钢为工作电极. 将处理好的Q235钢片置于温度恒定的待测溶液中(含有和不含缓蚀剂), 待自腐蚀电位稳定后进行极化曲线测试. 极化曲线扫描起止电位为-700~-200 mV , 扫描速度为0.5 mV/s. 缓蚀效率的计算公式为:IE =(0corr I -I corr )/0corr I ×100% (3) 其中, 0corrI 为未加缓蚀剂时的腐蚀电流密度, I corr 为加有缓蚀剂条件下的腐蚀电流密度, 单位为µA•cm -2. 所用的测试溶液仍为H 2S (100 mg/L)和CO 2(饱和)共存的3% NaCl 溶液.2 结果与讨论2.1 量子化学计算根据前线轨道理论[12], 电子的跃迁是由反应物分子前线轨道之间的相互作用引起的, 前线轨道(如最高占有轨道HOMO 和最低空轨道LUMO)对化学反应起决定性作用. 在采用量子化学方法对分子几何全优化的基础上, 计算了分子的最高占据轨道能量E HOMO 、最低空轨道能量E LUMO 及最高占有轨道与最低空轨道的能隙差ΔE (E LUMO -E HOMO )等信息. 对分子的偶极距µ及分子总能量E T 进行了考虑, 偶极距µ是反映分子中电子分配的另一种方式, 是一个传统的讨论化学体系结构与反应的性质参量. 高的分子偶极距有助于缓蚀剂分子与金属表面的物理相互作用[13]. 根据软硬酸碱理论(HSAB)的定义, 在含有缓蚀剂的体系中, 金属和缓蚀剂分别可以看作是Lewis 酸和Lewis 碱, 分子的全局硬度η近似地等于(E LUMO -E HOMO )/2, 软度为其硬度的倒数[14]. 根据Pearson 的软硬酸碱定则[15], 硬酸优先与硬碱配位, 而软酸优先与软碱配位, 金属电极中的Fe 作为软酸, 会优先与作为软碱的缓蚀剂配位, 缓蚀剂的软度越大, 与Fe的配位越强. 以上参量都能提供分子反应行为的信息,全部列于表2, 咪唑啉衍生物的优化构型见图1所示.表2 三种咪唑啉衍生物缓蚀剂分子性质的DFT 计算结果Table 2 Molecular properties of three imidazoline derivatives calculated with DFT methodCompoundE T /eV E HOMO /eV E LUMO /eVΔE /eVη/eVµ/debyesA -40759.016 -4.275 -0.694 3.581 1.790 7.231B -40323.313 -4.293 -0.665 3.628 1.814 6.374 C-45540.250-4.202-1.539 2.664 1.332 8.2502054化 学 学 报 V ol. 68, 2010图1 A , B , C 三种缓蚀剂分子的优化几何构型及其前线轨道分布图Figure 1 Optimized structures of A , B and C inhibitor molecules as well as molecular orbital plots由前线轨道能量分析可知: 缓蚀剂分子的E HOMO 越大, E LUMO 与ΔE 越小, 缓蚀剂与金属表面的键合越牢固, 缓蚀性能也越好. 迄今已有大量研究[16~19]表明: 缓蚀效率随着缓蚀剂分子E HOMO 的提高, 以及HOMO 与LUMO 之间能隙差ΔE 的降低而增加. 本文三种咪唑啉衍生物的相关量子化学参数列于表 2, 与文献[19~21]中高效咪唑啉类缓蚀剂量化参数对比发现, 这三种新型化合物均具有较高的E HOMO 和较小的ΔE , 说明三种咪唑啉化合物极易通过参与金属的成键反应而对金属起到缓蚀作用. 另外, 在三种化合物中, C 具有最高的E HOMO 和最小的ΔE , 而且其分子总能量数值与偶极距µ也最大, 硬度最小(即软度最大), 这说明C 最易与金属成键, 且成键最牢固, 因此C 可能会具有最好的缓蚀性能. 综合前线轨道能量、分子总能量、全局硬度及偶极距分析可得三种缓蚀剂缓蚀性能的大小顺序为C >A >B .图1给出了三种咪唑啉缓蚀剂分子的前线轨道分布, 从图中可以看出, 其前线轨道都分布在咪唑环和亲水支链上, 烷基碳链对分子的整体反应活性基本不产生影响. 其中最高占有轨道主要分布在咪唑环上, 最低空轨道主要分布在亲水支链的极性官能团上, 说明缓蚀剂与金属表面发生吸附时主要是咪唑环和极性官能团起作用, 这种分布可使得缓蚀剂在金属表面形成多中心吸附, 即有利于金属表面空轨道接受缓蚀剂分子提供的电子形成配位键, 又有利于缓蚀剂分子利用其反键轨道接受来自金属表面的电子形成反馈键, 使缓蚀剂分子在金属表面的吸附更加稳定. 对于3种分子, 咪唑环和极性官能团的优先吸附使得具有疏水特性的烷基支链R 15在金属表面形成保护膜, 能有效阻碍溶液中H 2O, H +,3HCO -, HS -等腐蚀介质向金属表面扩散.上述前线轨道分布表明, 3种分子的活性区域主要分布在咪唑环和亲水支链上, 为进一步确定分子的反应活性位点, 表3给出了三种缓蚀剂中各原子Fukui 指数值. 该数值不仅可测定分子的反应活性和强弱, 同时还可以确定活性位点的亲电或亲核特性. 在外加势场()v r G一定的情况下, Fukui 函数()f r G 定义为电子密度()r ρG对电子数N 的一阶导数[22]:()()()v r r f r N ρ∂⎛⎞⎜⎟∂⎝⎠K GG =(4)应用有限差分近似, Fukui 函数()f r G可以表示 为[23]:()()()1i i i f r q N q N G +=+- (5)()()()1i i i f r q N q N G -=-- (6) 式中q i (N ), q i (N +1), q i (N -1)分别是分子为中性、阴离子和阳离子时, 分子中原子i 所带的电量; ()i f r G +和()i f r G -分别为亲核攻击指数和亲电攻击指数, 表示分子中原子i 得/失电子能力的强弱, 数值越大, 得/失电子能力越强.通过对Fukui 指数的分析可以发现: A , B , C 三种缓No. 20胡松青等:新型咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论与实验研究2055表3 三种缓蚀剂分子的Fukui 指数Table 3 Fukui index values for the three corrosion inhibitor moleculesCompound ()i f r G - ()i f r G +N(1) 0.130 N(8) 0.052N(3) 0.085 C(9) 0.141 S(10) 0.195 N(11) 0.043A— — S(10) 0.321 N(1) 0.162 N(8) 0.051N(3) 0.117 C(9) 0.143 S(10) 0.076 N(11) 0.049 B— — S(10) 0.298 N(1) 0.158 C(9) 0.093N(3) 0.117 S(10) 0.204 CS(10) 0.061 C(15) 0.058蚀剂分子的咪唑环上N(1)和N(3)原子的()i f r G -最大, 数值分别介于0.130~0.162和0.085~0.117之间, 表明这两个原子是最可能的亲电反应中心, 可向金属表面提供电子形成配位键; 而亲水支链上的C(9), S(10)原子的()i f r G +最大, 数值分别介于0.093~0.143和0.204~0.321之间, 表明这两种原子是最可能的亲核反应中心, 可接受来自金属表面的电子而形成反馈键. 除此之外,亲水支链上的S(10)原子的()i f r G -也较大, 特别是A 分子, 其值达0.195. 由此可见, 3种分子中S(10)是最活跃的原子, 即可得电子, 又可给电子. Fukui 指数的分析结果与上面的前线分子轨道分析结果是一致的. 2.2 分子动力学模拟对于平衡态的分子动力学模拟, 体系能否达到平衡至关重要. 体系的平衡必须是温度和能量同时达到平衡. 图2为A 分子在Fe(001)晶面上的温度和能量随时间的演化曲线. 由图2a 可见, 温度基本在(298±10) K 上下波动, 标准偏差在3%左右, 可以认为各体系已经达到温度平衡. 从平衡过程中所存的250帧轨迹看, 各体系能量波动亦渐趋平衡. 从图2b 可以看出, 300 ps 后体系能量波动平缓, 各帧能量偏差仅为0.5‰左右. 由此可见, A 分子在Fe(001)晶面上的吸附体系, 经分子动力学模拟确已达到平衡, 完全可以满足平衡态分子动力学模拟计算的要求, 因此后面的计算、分析结果是完全可靠的. 其它两种咪唑啉缓蚀剂分子与Fe(001)晶面的相互作用也可得到相同的结论.通过分子动力学模拟, 可以得到A , B , C 三种缓蚀剂分子在Fe(001)表面的平衡吸附构型(如图3所示). 从模拟过程中发现: 无论放在金属表面的缓蚀剂分子的初始构型如何(缓蚀剂分子垂直、倾斜或平行于Fe 表面), 分子的头部(咪唑环及亲水支链上的极性基团)由于较强图2 A 分子在Fe(001)上吸附的温度平衡曲线与能量波动曲线Figure 2 Temperature equilibrium curve and energy fluctuant curve of A molecule on Fe(001) surface的电荷转移作用, 总是优先吸附于金属表面. 体系达到平衡后, 缓蚀剂分子在其平衡位置附近做微小振动, 分子烷基长链以一定的倾角指向液相, 远离金属表面, 形成一层疏水膜, 能够阻碍溶液中H 2O, H +, 3HCO -, HS-等腐蚀介质向金属表面扩散, 达到阻碍或延缓腐蚀的目的.缓蚀剂分子与金属表面的结合强度是衡量其缓蚀性能的一个重要指标[20], 吸附能则是结合强度的最直接体现. 根据热力学原理, 引起溶液中某种粒子在界面层中吸附的根本原因是由于吸附过程伴随着体系自由能的降低, 即体系为放热过程, 吸附能必须为负值, 且吸附能绝对值越大说明分子与表面结合越稳定. 经分子动力学模拟, 得到A , B , C 三种缓蚀剂分子在溶剂条件下与Fe 表面体系的相互作用能——单分子吸附能, 如表4所示.分析表4数据可知: 三种缓蚀剂分子在溶剂条件下与Fe 表面的吸附能为负值, 意味着它们均可吸附于金属表面而具有一定的缓蚀能力. 且三种缓蚀剂的吸附能均大于H 2O 分子在Fe 表面的吸附能(H 2O 分子在Fe 表2056化学学报V ol. 68, 2010图3水溶液中A, B和C缓蚀剂分子在Fe(001)表面的平衡吸附构型Figure 3The equilibrium adsorption configurations on Fe(001) surface for molecules A, B and C in aqueous solution面的吸附能为-46.11 kJ•mol-1), 说明A, B, C与H2O分子相比能更稳定吸附在金属表面, 因此它们能驱替金属表面的水分子, 从而起到减缓腐蚀的作用. 吸附能越大, 说明缓蚀剂分子与Fe表面的相互作用越强, 更容易吸附于Fe表面, 那么缓蚀剂的缓蚀性能也越好. 模拟过程中发现, C分子具有最大的吸附能, 从理论上讲, C分子可能具有最大的缓蚀效率. 从单分子吸附能角度来看, 三种缓蚀剂分子的缓蚀效率大小顺序应为: C>A>B, 这个结论与上述量子化学计算的分析结果一致.以上分析结果表明, 所设计的三种新型咪唑啉缓蚀剂都具有较强的反应活性, 分子在Fe表面的吸附稳定性按C, A, B的顺序逐渐减弱. 作者随后将利用失重法及电化学测试方法对上述三种咪唑啉缓蚀剂对Q235钢的缓蚀作用进行验证.2.3 失重法实验结果室温下将处理好的Q235钢片试样浸入到含不同浓度咪唑啉缓蚀剂的H2S (100 mg/L)和CO2(饱和)共存的3% NaCl溶液中, 腐蚀时间为72 h, 缓蚀效率结果见图4所示. 由图4可以看出, 3种咪唑啉化合物对Q235钢片均有良好的缓蚀效果. 在所研究浓度范围内, 随着缓蚀剂浓度的增加, 缓蚀效率逐渐提高, 当浓度为100 mg/L时达到最高. 此时3种缓蚀剂的缓蚀效率都在87%以上, 其中C缓蚀剂的缓蚀效率已达到93.21%, 三者的大小关系为C>A>B, 失重法的实验结果与前面的理论分析一致. 事实上, 从图1给出的分子几何优化构型图可以看出, 3种缓蚀剂分子的结构骨架十分相似(区别仅在于亲水支链末端取代基的不同). C分子具有最好的缓蚀性能可以从分子中苯环的存在使其具有较大的空间构型进行解释. 与A, B分子相比, C分子具有较大的空间构型, 这样在发生化学吸附的过程中就会在金属表面形成较大的覆盖面积. 同时C分子中的苯环也可提供电子到Fe原子的d空轨道上来, 增强其在金属表面的作用强度, 使缓蚀性能得到提高.2.4 极化曲线由失重法实验结果可知, 3种缓蚀剂的缓蚀效率随着缓蚀剂浓度的增加而提高, 在20~100 mg/L范围内当浓度达到100 mg/L时缓蚀剂的缓蚀效率达到最大. 由此, 我们在进行极化曲线研究缓蚀剂缓蚀效率时将加入的缓蚀剂的浓度固定在100 mg/L. 图5为在含有3种咪唑啉缓蚀剂的H2S (100 mg/L)和CO2 (饱和)共存的3% NaCl溶液中Q235钢的动电位极化曲线. 与空白溶液相比, 缓蚀剂的加入使腐蚀电流(由Tafel外推法得到)显著降低, 表明3种缓蚀剂均有效地降低了H2S/CO2腐蚀. 同时从图中可以看出, 体系的自腐蚀电位负移, 缓蚀剂表4A, B, C三种缓蚀剂分子与Fe(001)面的吸附能Table 4 Adsorption energies between inhibitor molecules A, B, C with (001) face of FeCompound E molecule/(kJ•mol-1) E surface/(kJ•mol-1) E total/(kJ•mol-1) E adsorption/(kJ•mol-1)A 205.61 -642333.89 -642482.56 -354.28B 34.60 -642333.89 -642582.34 -283.05No. 20 胡松青等:新型咪唑啉缓蚀剂缓蚀性能的理论与实验研究2057图4失重法测得的A, B, C三种缓蚀剂在不同浓度下的缓蚀效率Figure 4Inhibition efficiency values obtained from weight loss measurements with various concentrations of inhibitor A, B and C图5 Q235钢在咪唑啉缓蚀剂A, B, C溶液中的极化曲线图Figure 5Polarization curve of Q235 steel in solutions of imi-dazoline inhibitors A, B and C表现为主要抑制阴极过程的混合型[24], 这是由于提高了析氢的过电位, 使氢离子在金属表面的还原反应受到阻碍造成的.极化曲线的各动力学参量及计算所得到的腐蚀电流密度和缓蚀效率值见表 5. 结果表明, 加入缓蚀剂后体系的腐蚀电流密度远小于未加缓蚀剂体系的腐蚀电流密度. 腐蚀电流密度的减小说明吸附的缓蚀剂降低了金属的腐蚀. 缓蚀剂的缓蚀效率由高到低依次为C>A >B, 与失重法结果一致, 进一步验证了前面理论分析结果.3 结论采用量子化学计算与分子动力学模拟相结合的方法, 对新设计的三种咪唑啉类缓蚀剂抑制H2S, CO2腐蚀表5 Q235钢在咪唑啉缓蚀剂A, B, C溶液中的极化曲线拟合参数Table 5Polarization simulative electrochemical parameters for the corrosion of Q235 steel in solutions of imidazoline inhibitors A, B and CCompound E corr/mV I corr/(µA•cm-2) IE/%空白-409 199.56 —A -454 22.69 88.63B -459 24.41 87.77C -482 17.48 91.24的缓蚀性能进行了理论研究, 并通过失重法和电化学极化曲线法进行了实验验证. 量子化学计算结果显示, A, B, C三种咪唑啉类缓蚀剂分子的反应活性主要分布在咪唑环和亲水支链上, 反应活性中心分别位于N(1), N(3), C(9), S(10)等原子处, 能在金属表面形成多中心吸附. 对前线轨道能量、总能量(E T)、偶极距(µ)、硬度(η)等反应活性指数分析表明, C分子具有最强的反应活性, A, B分子的反应活性依次减弱. 与金属界面发生吸附时, 分子上的咪唑环和亲水支链优先吸附, 烷基长链以一定的倾角远离金属表面, 形成一层疏水膜, 阻碍溶液中H2O, H+, 3HCO-, HS-等腐蚀介质向金属表面扩散, 达到阻碍或延缓腐蚀的目的; 吸附能数据表明分子在Fe表面的吸附稳定性按C, A, B的顺序逐渐减弱. 失重法和电化学极化曲线法实验结果显示, 三种缓蚀剂在H2S, CO2共存的腐蚀介质中对Q235钢均具有良好的缓蚀作用, 最高缓蚀效率都在87%以上. 三种新型缓蚀剂的缓蚀效率大小顺序为: C>A>B, 理论分析与实验结果相吻合, 同时也验证了本文采用理论方法进行缓蚀剂性能评价的合理性.References1Zhang, J.; Du, M.; Yu, H.-H.; Wang, N. 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新型咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀阻垢性能研究259新型咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀阻垢性能研究
刘瑞斌辛剑王慧龙
(大连理工大学化学系,大连,116024)
摘要:合成了一系列取代基咪唑啉衍生物,通过复配筛选得到新型咪唑啉缓蚀剂阻垢剂XW。
利用电化学和静态失重及阻垢实验评价了WL在油田污水中的缓蚀阻垢性能。
测试结果表明,该缓蚀剂具有很好的缓蚀及阻垢性能,并且成本低廉,适合金属在油田污水中的缓蚀阻垢。
关键词:咪唑啉,缓蚀,阻垢,油田污水
油田污水是油田二次回注水的重要来源。
由于油田污水矿化度和水温较高,对污水处理装置如管线,注水井,油田地面设备造成严重的腐蚀危害,任意排放则会严重污染环境,因此需要添加药剂以防止各种管材的腐蚀及结垢。
在诸多缓蚀剂中,咪唑啉类缓蚀剂具有较优越的缓蚀性能。
本工作合成了一系列不同取代基的咪唑啉缓蚀剂,将多种功能团引入同一个分子中,以增强缓蚀剂分子与金属表面的物理吸附和化学吸附作用,提高缓蚀性能,同时通过复配使其具有良好的防垢性能。
1 实验部分
1.1 咪唑啉衍生物的合成
本工作采用程序升温和真空法合并使用的方法合成咪唑啉化合物[1]。
在装有回流冷凝管、分水器并配有减压装置的250mL三口烧瓶中加入有机酸,在磁力搅拌下缓慢滴加一定比例的有机多胺和催化剂,升温并在氮气保护下进行反应,在130-200℃下反应6-8小时,冷却至室温得到产品。
由产物的IR光谱图(图1)可以看出,在1603cm-1处有吸收峰,这与文献[2]报道的咪唑啉环的特征吸收峰一致,表明合成的产物为咪唑啉化合物。
并与不同季胺化试剂进行季胺化反应,得到咪唑啉衍生物。
通过多组分、多种方案的复配研究得到了新型高效的咪唑啉缓蚀剂XW。
260
第十三届全国缓蚀剂学术讨论会论文集
1.3.2 阻垢性能评价
在阻垢实验中,将加入药剂的水样在60℃放置72h,滤去沉淀物,用EDTA滴定法测定Ca2+、Mg2+含量,计算防垢率[4]。
见表3。
1.3.3 电化学极化曲线测试
电化学极化曲线采用传统的三电极体系在CHI电化学在分析仪上进行,扫描速率为0.01V/s,极化范围为E corr±200mV。
新型咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀阻垢性能研究261
表2 不同缓蚀剂的缓蚀率
浓度缓蚀率外观
空白有黑膜,难除去
WL-1 40.43 有附着物,不太易除去,有点蚀
WL-2 63.91 有黑膜,部分难除去
WL-3 53.91 有附着物,易除去,有点蚀
WL-4 64.78 有附着物,金属变色,少量点蚀
WL-5 75.6 有附着物,易除去,金属光亮,少量点蚀
从表2中可以看出:WL-5对高矿化度、高含盐量、高Cl-含量的腐蚀水质具有良好的缓
蚀效果。
表3 WL-5在不同加药浓度下的缓蚀效果
药剂名称加药浓度(mg/L)腐蚀速度(mm/a)缓蚀率(%)
原水空白 0.055
WL-5 30 0.0201 73.1
WL-5 70 0.0186 79.6
WL-5 90 0.0102 85.7
WL-5 100 0.0082 86.6
WL-5 120 0.0068 89.1 WL-5是一种兼具有缓蚀和阻垢双重作用的药剂,它不但缓蚀效果优良,而且还具有良
好的阻垢效果。
表4是WL-5的阻垢实验数据。
表4 WL-5的阻垢实验数据
药剂加量(mg/L)阻垢率
5 68.7
10 80.4
20 84.6
30 86.8
40 89.8
从表3看到,随着WL-5加量增大,缓蚀率有一定程度的增加。
加入缓蚀剂后黑色膜变成
黑色斑状腐蚀,并随着缓蚀剂浓度的增大,黑斑逐渐减小,疏松,易于清除,介质底部红色
沉淀减少。
但即使加量增大到100mg/L,缓蚀率仍不很高。
这表明单一的WL-5作为该回注
污水的缓蚀剂效果不佳,不能有效地防止腐蚀的发生,应该和其它缓蚀剂复配,以增加其缓
蚀性能。
将WL-5与合成并筛选出的具有较好缓蚀性能的 DL和较好阻垢性能的 PL进行复
配,复配后的缓蚀阻垢效果列于表5。
第十三届全国缓蚀剂学术讨论会论文集
262 表5 WL-5与其它药剂配伍前后缓蚀、阻垢效果
药品及加药量
缓蚀率 阻垢率
外观 空白 乌黑膜,难除去 WL+NL-10 mg
92.6
89.7
有少量附着物,极易除去,
有点蚀
WL+XL-10mg 94.8 95.3 金属光亮,稍有点蚀 WL+MO-10mg 93.9 94.6
有极少量附着物,易除去,
但金属变色
WL+PL-10mg +DL-5mg
98.1 94.8 金属光亮,无点蚀
可以看到, WL 与PL 、DL 复配时缓蚀效果最好,缓蚀率达98.1%,比单独使用WL-5时的缓蚀阻垢率高得多,且钢片表面光亮,无显点蚀现象。
这表明 WL-5与PL ,DL 在缓蚀阻垢作用上有协同效应,缓蚀阻垢率随着药品添加量的增大而升高。
综合考虑效果和成本两种因素,经过正交试验得到合适药剂投加质量浓度为50mg/L时,无论模拟水还是现场水的阻垢率均在92%以上。
2 实验结果与讨论
2.1 实验结果与讨论
本实验介质pH=8.360,偏碱性,并且矿化度很高,特别Cl -的浓度高达10g/L 。
Cl -是侵蚀性阴离子,能促使碳钢腐蚀,特别是能诱使点腐蚀的发生。
介质中Q235钢片表面微阳极上铁发生氧化反应:Fe – 2e = Fe 2+ ;微阴极上去极剂溶解氧吸收电子,发生还原反应:O 2 + 2H 2O +4e = 4OH -。
并且 Fe 2+ 因发生 Fe 2++2 Cl -→ FeCl 2反应而加速溶解,且 Cl -的吸附,降低了 Fe 的腐蚀电位,又大大加速了Fe 的溶解,至使表面蚀点多而小.并且产物颗粒变粗,分布不均匀,疏松,沿表面打磨划痕局部堆积或。
腐蚀反应产物Fe 2+ 和OH -生成Fe(OH)2 。
Fe(OH)2 极不稳定,在水中溶解氧作用下迅速氧化成 Fe(OH)3或Fe 2O 3 ,沉积在容器底部[3]。
2.2 缓蚀阻垢机理探讨
咪唑啉分子中有多个吸附基团(-N-,-C=N-,-N=),长链烃基R 及亚甲基的推电子效应使氮原子上电子云密度加大,它与金属原子的配位作用增强,可牢牢吸附在钢铁表面。
烃基R及咪唑啉环上亚乙基 -CH 2CH 2 -的屏蔽疏水作用阻滞了溶解氧到达钢片表面,也阻滞了阴极和阳极腐蚀产物OH -、Fe 2+向外扩散,使钢铁的腐蚀作用降低。
PL 是磷酸盐,当实验回注污水样中同时加入WL-5和PL 时,加入缓蚀剂XW 后,腐蚀电位负移,阴、阳极极化曲线均大幅度向电流密度减小方向移动,见曲线1、2,表现出阴极控制为主。
说明WL-5复配物XW 比单一的WL-5有较好的缓蚀效果,WL-5与PL ,DL 之间确实有协同效应。
新型咪唑啉缓蚀剂的合成及缓蚀阻垢性能研究263
曲线1
曲线2
3 结论
(1)合成了一系列咪唑啉衍生物。
通过实验筛选出了较好缓蚀效果的缓蚀剂WL-5。
(2)对筛选出的缓蚀剂WL-5与其它物质进行了复配,实验表明, WL-5 与PL ,DL复配时,缓蚀效果和阻垢效果均较好。
80℃条件下,在投加质量浓度为50mg/L时,模拟水的阻垢率和缓蚀率均超过92%;表明该复配缓蚀阻垢剂对钙镁垢的形成和高矿化水的腐蚀有很好的抑制作用。
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参考文献
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