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        Q235碳鋼緩蝕劑月桂酸二乙醇酰胺的合成及其性能研究

        2021-12-11 06:20:26四川輕化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院王忠磊陳美靜于海蓮
        內(nèi)江科技 2021年11期
        關(guān)鍵詞:碳鋼緩蝕劑酰胺

        ◇四川輕化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)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(yīng)用于各個領(lǐng)域,但由于生產(chǎn)的產(chǎn)品具有腐蝕性以及對Q235碳鋼設(shè)備進(jìn)行酸洗等原因,都會對其造成嚴(yán)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(jìn)行性能評價。當(dāng)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(zhì)情況下,緩蝕劑的使用時間可達(dá)到12 h,對Q235碳鋼的緩蝕率達(dá)到了91.56%,其可以有效地對Q235碳鋼材料進(jìn)行保護(hù)。

        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(yīng)用于石油、化工和天然氣的生產(chǎn)和儲運系統(tǒng),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(chǎn)品具有一定的腐蝕性,在其生產(chǎn)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(jù)統(tǒng)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(yán)重的問題在于因腐蝕帶來的危害對生產(chǎn)人員的健康威脅和環(huán)境的污染災(zāi)難,往往這些后果都是不可逆的[3-4]。還有就是,Q235碳鋼設(shè)備需要定期進(jìn)行酸洗,以便除掉其表面的銹蝕,降低其銹蝕程度和得到質(zhì)量合格的產(chǎn)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(jīng)開發(fā)出一些高效的針對Q235碳鋼保護(hù)的緩蝕劑,但這些緩蝕劑中大多數(shù)都對人體和環(huán)境均有較高的毒性[9]?;诖?,本文旨在開發(fā)一種環(huán)境友好型緩蝕劑對Q235碳鋼材料進(jìn)行保護(hù),并對其性能進(jìn)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(biāo)和儀器有限公司),F(xiàn)A224型電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)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(fēng)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(xué)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(yīng)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(xì)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(fēng)吹干并稱量(平行三次)。記錄數(shù)據(jù),計算緩蝕率。

        2 結(jié)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(jìn)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(nèi)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(chǎn)物中含有月桂酸二乙醇酰胺的主要官能團(tuán),可以確定生成的產(chǎn)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(yīng)結(jié)束后月桂酸未過量,產(chǎn)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(zhì)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(jié)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(dāng)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(yán)重,造成緩蝕率增大不是很明顯,但是緩蝕率也達(dá)到了80%以上;當(dāng)緩蝕劑用量從7.5 mL進(jìn)一步增大到9.0 mL時,Q235碳鋼的緩蝕率快速升高,最高達(dá)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(dá)到9.0 mL時,緩蝕劑已經(jīng)在碳鋼表面形成了一層有效的保護(hù)膜,考慮到經(jīng)濟(jì)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(zhì)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(jié)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(zhì)溶液中,隨著緩蝕溫度升高,Q235碳鋼的緩蝕率不斷升高,當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃時,緩蝕率達(dá)到91.15%,但是進(jìn)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(shù)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(dāng)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(yīng)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(hù)膜部分受到破壞,保護(hù)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(zhì)環(huán)境條件下,做緩蝕介質(zhì)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(jié)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(yīng)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(hù)膜,使得Q235碳鋼表面免遭進(jìn)一步受到腐蝕,從而緩蝕率較高。當(dāng)腐蝕液pH達(dá)到7時,腐蝕液介質(zhì)變成了一個中性體系,對Q235碳鋼的腐蝕性最小。當(dāng)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(yán)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(yīng)用,對Q235碳鋼保護(hù)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(zhì)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(jié)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(zhì)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(dāng)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(yīng)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(hù)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(jié)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(zhì)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(dá)到91.56%,合成的緩蝕劑可以有效地對Q235碳鋼材料進(jìn)行保護(hù)。

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