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        酸性溶液中雙子表面活性劑對金屬鋅的緩蝕性能

        2017-01-06 08:26:02趙地順李靜靜胡晶晶任培兵
        腐蝕與防護(hù) 2016年12期
        關(guān)鍵詞:鋅片雙子極化曲線

        劉 靜,趙地順,李靜靜,胡晶晶,任培兵,2

        (1. 河北科技大學(xué) 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,石家莊 050018; 2. 石家莊焦化集團(tuán)有限責(zé)任公司,石家莊 050031)

        酸性溶液中雙子表面活性劑對金屬鋅的緩蝕性能

        劉 靜1,趙地順1,李靜靜1,胡晶晶1,任培兵1,2

        (1. 河北科技大學(xué) 化學(xué)與制藥工程學(xué)院,石家莊 050018; 2. 石家莊焦化集團(tuán)有限責(zé)任公司,石家莊 050031)

        采用失重法和電化學(xué)方法研究了雙子表面活性劑在1 mol/L HCl溶液中對鋅的緩蝕性能,通過對吸附熱力學(xué)和腐蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算,探討了緩蝕機(jī)理。結(jié)果表明:[C12-4-C12im]Br2在鹽酸溶液中對鋅具有較好的緩蝕作用,是一種混合型緩蝕劑。緩蝕率隨著緩蝕劑加入量的增加而增大,隨著溫度的升高而減小。該緩蝕劑在鋅表面的吸附符合Langmuir吸附等溫式,吸附過程是自發(fā)的,同時(shí)兼有物理和化學(xué)吸附。

        雙子表面活性劑;緩蝕;吸附

        鋅在電化學(xué)序列中屬于低電位兩性金屬,在中性介質(zhì)中具有較高的穩(wěn)定性,在酸性介質(zhì)中會(huì)受到不同程度的腐蝕[1]。最初,對鋅緩蝕劑的研究主要集中在無機(jī)緩蝕劑方面[2],但其對鋅的緩蝕作用不理想,故研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)為有機(jī)緩蝕劑。研究發(fā)現(xiàn),含膦化合物[3]、吡啶季銨鹽[1]、吡唑衍生物[4]等在酸溶液中對鋅有良好的緩蝕作用。鋅用有機(jī)緩蝕劑根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為雜環(huán)化合物和表面活性劑[5]。

        Gemini(雙子)表面活性劑是一種新型表面活性劑,由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)表面活性劑相比具有較高的表面活性,可有效降低水的表面張力,較低的臨界膠束濃度等性能[6-8]。李俊等[9]介紹了Gemini表面活性劑在金屬防腐蝕方面的研究。本工作合成了一種雙子Gemini表面活性劑 [C12-4-C12im]Br2,通過失重法和電化學(xué)方法研究了其在1 mol/L HCl溶液中對鋅的緩蝕作用,探討了其在鋅表面的吸附行為,并對吸附熱力學(xué)和腐蝕動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析計(jì)算。

        1 試驗(yàn)

        1.1 [C12-4-C12im]Br2的合成

        在250 mL的三口瓶中加入0.1 mol NaBr和30 mL四氫呋喃,室溫下充分溶解,分批加入0.12 mol咪唑,不斷攪拌直至無氣體生成。在氮?dú)獗Wo(hù)下,緩慢滴加0.05 mol 1,4-二溴丁烷,在65 ℃下回流攪拌12 h。趁熱過濾出NaBr,并用四氫呋喃洗滌。濾液經(jīng)旋蒸后用蒸餾水重結(jié)晶,干燥后得到白色固體。取上述產(chǎn)物溶解在35 mL乙腈中,緩慢滴加0.1 mol 1-溴代十二烷,在80 ℃下反應(yīng)42 h,氮?dú)獗Wo(hù)。反應(yīng)結(jié)束后旋蒸,產(chǎn)品溶解在丙酮中,靜置出現(xiàn)白色晶體,重結(jié)晶5次后真空干燥,得白色固體,即為目標(biāo)產(chǎn)物[C12-4-C12im]Br2[10-12]。

        1.2 失重試驗(yàn)

        鋅片尺寸為20 mm×20 mm×1 mm,用砂紙拋光,依次用丙酮、去離子水、乙醇洗滌,烘干后稱量。在298.15~328.15 K條件下置入含有不同量[C12-4-C12im]Br2的100 mL的1 mol/L HCl中浸泡6 h。取出后依次用蒸餾水、丙酮、乙醇洗滌,烘干后稱量。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)測定3次。根據(jù)式(1)和式(2)[13]分別計(jì)算腐蝕速率v和緩蝕率η。

        式中:m1和m2分別為鋅片在溶液中浸泡前、后的質(zhì)量;S為鋅片的表面積;t為浸泡時(shí)間;vcorr和vcorr(inh)為鋅片浸泡在不含緩蝕劑和加有緩蝕劑溶液中的腐蝕速率。

        1.3 電化學(xué)方法

        電化學(xué)試驗(yàn)采用傳統(tǒng)的三電極體系。試驗(yàn)溫度為298.15 K,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為鉑電極,工作電極為鋅電極,文中電位若無特指,均相對于SCE。鋅電極按照失重法處理,工作面積為0.5 cm2,除工作面積外用環(huán)氧樹脂將鋅片與銅線密封。極化曲線掃描速率為0.01 V/s,掃描范圍-1.6~-0.6 V(相對于開路電位)。電化學(xué)阻抗譜頻率范圍為10-1~105Hz,交流信號幅值為5 mV。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 [C12-4-C12im]Br2結(jié)構(gòu)表征

        由圖1可見,3 140 cm-1附近為咪唑環(huán)上C-H伸縮振動(dòng)峰;2 952,2 820 cm-1附近為甲基、亞甲基伸縮振動(dòng)峰;1 595 cm-1附近為咪唑環(huán)中-C=N-伸縮振動(dòng)峰;1 477 cm-1附近為亞甲基上C-H彎曲振動(dòng)峰;1 192 cm-1附近為咪唑環(huán)上C-H彎曲振動(dòng)峰。1H-NMR(500 MHz,CDCl3)δH:10.281(s,2H),8.108(d,2H.j=6.0Hz),7.277(d,2H,j=9.5Hz),4.601(s,4H),4.268(t,4H,j=19.5Hz),2.212(s,4H),1.903(m,4H),1.326(m,36H),0.890 (t,6H,j=16.5Hz)。通過分析IR和1H-NMR譜圖數(shù)據(jù)[14],可知合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

        圖1 [C12-4-C12im]Br2的紅外譜圖Fig. 1 IR spectra of [C12-4-C12im]Br2

        2.2 失重法

        由表1和表2可見,在1 mol/LHCl溶液中添加不同濃度的[C12-4-C12im]Br2對鋅片具有良好的緩蝕作用。隨著[C12-4-C12im]Br2濃度的增加,鋅片的腐蝕速率下降,緩蝕率增大。這是因?yàn)閇C12-4-C12im]Br2吸附在鋅片表面,形成保護(hù)層,阻止了鋅片與腐蝕介質(zhì)的接觸,隨著[C12-4-C12im]Br2濃度的增加,形成的保護(hù)層更加緊密,可以更有效地保護(hù)鋅片。但是當(dāng)緩蝕劑濃度為5×10-4mol/L時(shí),繼續(xù)增加其濃度,緩蝕率變化不大,有可能是咪唑類雙子表面活性劑在溶液中形成膠束,影響其緩蝕效率[15]。隨著腐蝕介質(zhì)溫度的升高,吸附在鋅片表面的[C12-4-C12im]Br2分子會(huì)發(fā)生脫落,緩蝕率逐漸下降。

        表1不同溫度下鋅片在含有不同量[C12-4-C12im]Br2的1 mol/L HCl溶液中的腐蝕速率Tab. 1 Inhibition efficiency of zinc in 1 mol/L HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2 g/(m2·h)

        2.3 動(dòng)電位極化曲線

        由圖2可見,加入[C12-4-C12im]Br2后,陰、陽極的極化曲線都向低電流方向移動(dòng),腐蝕電位有小幅度變化。對極化曲線相關(guān)電化學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合,并按式(3)[16]計(jì)算緩蝕率,結(jié)果見表3。由表3可見,隨著[C12-4-C12im]Br2量的增大,βa逐漸增大,βc先增大后減小,Jcorr逐漸減小,緩蝕率逐漸增大。由此可知,[C12-4-C12im]Br2為混合型緩蝕劑,且極化曲線得到的緩蝕率變化趨勢與失重法得到的結(jié)果吻合。

        圖2 鋅片在含不同量[C12-4-C12im]Br2的1 mol/L HCl溶液中的極化曲線Fig. 2 Polarization curves of zinc in 1 mol/L HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2

        表3 極化曲線相關(guān)電化學(xué)參數(shù)擬合結(jié)果及鋅片在含不同量[C12-4-C12im]Br2的1 mol/LHCl溶液中的緩蝕率Tab. 3 Fitting results of polarization curves and inhibition effects of [C12-4-C12im]Br2 on zinc in 1 mol/L HCl solution %

        2.4 電化學(xué)阻抗譜圖

        由圖3可見,阻抗圖譜均為半圓形,半圓的直徑越大說明表面活性劑在鋅表面的吸附能力越強(qiáng),緩蝕率越高[17]。與空白體系相比,添加緩蝕劑后容抗弧直徑明顯增大,且隨著緩蝕劑濃度的增加而增大。同時(shí),由表4可見,電荷傳遞電阻Rct隨著緩蝕劑濃度的增加而增大。阻抗譜的等效電路擬合圖見圖4。緩蝕率根據(jù)公式(4)[18]計(jì)算:

        圖3 鋅片在含不同量[C12-4-C12im]Br2的1 mol/L HCl溶液中的Nyquist譜Fig. 3 Nyquist plots of zinc in 1 mol/L HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2

        表4 鋅片在含不同量[C12-4-C12im]Br2的1 mol/L HCl溶液中的阻抗擬合參數(shù)Tab. 4 Impedance data of zinc in 1 mol/L HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2

        圖4 阻抗譜等效電路圖Fig. 4 Equivalent circuit for EIS

        2.5 吸附熱力學(xué)

        根據(jù)失重試驗(yàn)數(shù)據(jù),假設(shè)[C12-4-C12im]Br2在鋅片表面的吸附符合Langmuir吸附等溫式,即:

        式中:c為緩蝕劑濃度;θ為表面覆蓋度,近似等于緩蝕率;K為吸附平衡常數(shù)。擬合曲線如圖5所示。由圖5可知,[C12-4-C12im]Br2在鋅片表面的吸附符合Langmuir吸附模型,即[C12-4-C12im]Br2在鋅片表面形成致密的單分子吸附層。根據(jù)直線斜率可求得K值。吸附過程中的吉布斯自由能按式(6)[19-20]計(jì)算:

        式中:R是氣體常數(shù);T是熱力學(xué)溫度(K);55.5是水在溶液中的濃度(mol/L)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,20 kJ/mol<|ΔG|<40 kJ/mol,說明[C12-4-C12im]Br2在鋅表面的吸附為物理和化學(xué)吸附共同作用。而且,ΔG為負(fù)值,說明[C12-4-C12im]Br2在鋅表面的吸附過程為自發(fā)的。吸附過程中的吸附熱和熵變可根據(jù)式(7)計(jì)算,以ΔG對T作圖,結(jié)果見圖6。通過斜率可知熵變ΔS,吸附熱ΔH由截距可知,結(jié)果列于表5。

        ΔH<0,說明[C12-4-C12im]Br2在鋅表面的吸附過程為放熱過程。ΔS>0,說明[C12-4-C12im]Br2吸附在鋅表面會(huì)增大體系的混亂程度[20]。

        圖5 [C12-4-C12im]Br2在鋅片表面的Langmuir吸附曲線Fig. 5Langmuir adsorption plots of [C12-4-C12im]Br2on the surface of zinc

        圖6 ΔG與T的關(guān)系曲線Fig. 6 The relationship between ΔG and T

        2.6 腐蝕動(dòng)力學(xué)

        金屬發(fā)生腐蝕反應(yīng)的難易程度可根據(jù)金屬表面

        表5 [C12-4-C12im]Br2在鋅片表面的吸附參數(shù)Tab. 5 Adsorption parameters of [C12-4-C12im]Br2 on the zinc surface %

        活化能大小來判斷,根據(jù)Arrhenius方程(8)及其變換式(9)[21]可計(jì)算出動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

        式中:v為腐蝕速率;Ea為表觀活化能;A為前因子。以lnv對1/T作圖,如圖7所示。根據(jù)直線斜率可計(jì)算出Ea。以ln(v/T)對1/T作圖,如圖8所示。根據(jù)直線斜率計(jì)算出活化焓 ,截距可計(jì)算出活化熵 。將所計(jì)算出的動(dòng)力學(xué)參數(shù)列于表6。

        圖7 含不同量[C12-4-C12im]Br2的HCl溶液中l(wèi)nv與1/T的關(guān)系曲線Fig. 7 Relationship between lnv and 1/T in HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2

        圖8 含不同量[C12-4-C12im]Br2的1mol/L HCl溶液中l(wèi)n(v/T)與1/T的關(guān)系曲線Fig. 8 Relationship between ln(v/T)and 1/T in 1mol/L HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2

        表6 鋅片在HCl溶液中腐蝕反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab. 6 The corrosion kinetic parameters of zinc in HCl solution containing different concentrations of [C12-4-C12im]Br2 %

        從表6可以看出,與空白體系相比,加入緩蝕劑后Ea變大,并且隨著緩蝕劑濃度的增加逐漸增大,表明緩蝕劑的加入減緩了鋅片的腐蝕?;罨师*>0,說明鋅片溶解是吸熱過程。加入緩蝕劑后活化熵ΔS*逐漸變大,說明腐蝕反應(yīng)越來越難進(jìn)行。

        3 結(jié)論

        (1) [C12-4-C12im]Br2在1 mol/L HCl中能有效抑制鋅的腐蝕,而且在研究范圍內(nèi)緩蝕率隨著緩蝕劑加入量的增加而增大,隨著腐蝕介質(zhì)溫度的升高而減小。

        (2) [C12-4-C12im]Br2是一種混合型緩蝕劑,通過物理和化學(xué)方式自發(fā)地吸附在鋅表面抑制其腐蝕,并且符合Langmuir吸附等溫式。

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        Inhibition Performance of Gemini Surfactant for Znic in Acid Medium

        LIU Jing1, ZHAO Di-shun1, LI Jing-jing1, HU Jing-jing1, REN Pei-bing1,2

        (1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China;2. Shijiazhuang Coking and Chemical Group Co., Ltd., Shijiazhuang 050031, China)

        The adsorption and corrosion inhibition of gemini surfactant ([C12-4-C12im]Br2) on zinc surface in 1mol/L HCl was investigated using weight loss method and electrochemical methods. The inhibition mechanism was discussed through analysis of the adsorption thermodynamics and corrosion kinetics. The results showed that [C12-4-C12im]Br2was a good inhibitor for zinc in 1 mol/L HCl, and the inhibition efficiency increased with increasing inhibitor concentration, while decreased with the increase in temperature of acid medium and [C12-4-C12im]Br2acted as a mixed-type inhibitor. The adsorption mechanism of the gemini surfactant on zinc surface was found to be fitted with Langmuir adsorption model.

        gemini surfactant; corrosion inhibition; adsorption

        2015-06-18

        國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21106032)

        趙地順(1945-),教授,從事綠色催化過程、清潔化工研究,0311-88632231,zhao_dsh@hebust.edu.cn

        10.11973/fsyfh-201612008

        TG174.42

        A

        1005-748X(2016)12-0983-05

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