利用制药废弃物在1M HCl环境中实现低碳钢的可持续腐蚀减缓：ELT方法

《Hybrid Advances》：Sustainable Corrosion Mitigation of Mild Steel in 1M HCl Using Pharmaceutical Waste: The ELT Approach

过期拉贝塔洛尔（ELT）作为高效、低成本且环保的腐蚀抑制剂，在1M HCl环境中对 mild steel 表现优异，最佳抑制浓度为0.001M（303K），抑制效率达90.81%。通过电化学阻抗、电位动态极化、SEM/AFM及FTIR分析，证实ELT通过吸附形成保护层，抑制机制为混合型，影响阳极和阴极反应。研究验证了过期药物在工业防腐中的实用价值与可持续性。

　　在工业和日常生活中，金属材料的腐蚀问题一直是一个令人关注的挑战。根据相关研究，腐蚀不仅会降低设备的使用寿命，还可能导致严重的经济损失和安全隐患。特别是在酸性环境中，如1M的盐酸溶液中，金属如低碳钢的腐蚀速率往往显著提高，而如何有效抑制这种腐蚀行为成为研究的重点。近期的一项研究发现，一种常见的β受体阻断剂——拉贝洛尔（Labetalol）在过期后仍可作为有效的缓蚀剂使用，这为解决工业中腐蚀问题提供了一个新的思路，同时也为制药行业处理过期药品的环保问题提供了创新的解决方案。

拉贝洛尔原本是用于治疗高血压等疾病的药物，但研究者发现，其分子结构中含有多种异原子（如氮、氧和硫），这些异原子能够通过吸附作用形成一层保护膜，从而有效减少金属表面与腐蚀性介质之间的反应。这种特性使得过期的拉贝洛尔（Expired Labetalol Tablet, ELT）在某些条件下，能够表现出良好的缓蚀性能。研究显示，在1M盐酸溶液中，当ELT的浓度达到0.001M时，其缓蚀效率高达90.81%，显示出极高的应用潜力。此外，该研究还通过多种实验手段验证了ELT的缓蚀机制，包括重量损失法、电化学极化曲线、交流阻抗谱（EIS）以及扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等表面分析技术。

### 1. 材料与方法

研究使用的材料为低碳钢（Mild Steel, MS），其成分包括碳（C=0.1%）、硫（S=0.026%）、磷（P=0.06%）、锰（Mn=0.4%）和铁（Fe=99.414%）。为了进行实验，研究人员将MS样品切割成1.0×4.0×0.2 cm的尺寸，并将其浸入不同浓度的ELT溶液中。研究中使用了1M的盐酸溶液作为腐蚀性介质，而ELT的浓度范围从0.0000001M到0.001M。所有实验均在室温（303±1 K）下进行，持续时间为两小时。

重量损失法被用于评估ELT对MS腐蚀的抑制效果。通过测量样品在腐蚀性溶液中浸入前后的重量变化，研究人员能够计算出腐蚀速率（Corrosion Rate, CR）以及抑制效率（Inhibition Efficiency, IE）。此外，为了进一步分析ELT的吸附机制，研究者还采用了多种吸附等温线模型，如Temkin和Langmuir模型。通过这些模型，可以理解ELT分子在MS表面的吸附行为，以及其对腐蚀过程的影响。

电化学测试则提供了关于腐蚀动力学的更深入信息。研究中使用了电化学工作站（CHI 660A）进行极化曲线和交流阻抗谱（EIS）测试。极化曲线可以显示MS在不同浓度的ELT溶液中的腐蚀电流（Icorr）和极化电阻（LPR），从而判断ELT对腐蚀过程的抑制效果。交流阻抗谱则通过测量电化学系统的阻抗值（Z'和-Z"），揭示了MS表面形成保护层后的电化学行为。Nyquist图和Bode图被用来分析系统的电化学特性，包括电荷转移电阻（Rt）和双电层电容（Cdl）等参数。

### 2. 实验结果与讨论

#### 2.1 重量损失法

在本研究中，通过重量损失法得出的实验数据表明，随着ELT浓度的增加，MS的腐蚀速率显著下降，而抑制效率则相应提高。在0.001M的ELT浓度下，腐蚀速率从0.8386 mpy（mils per year）降至0.0770 mpy，抑制效率达到90.81%。这说明ELT在低浓度下就能有效抑制MS的腐蚀。值得注意的是，随着浓度的增加，表面覆盖率（θ）也随之上升，这表明ELT分子在MS表面的吸附行为逐渐增强，从而形成更厚的保护层。

#### 2.2 ELT浓度对腐蚀抑制的影响

进一步的实验结果显示，ELT在0.001M时表现出最佳的抑制效果，而当浓度超过这一值时，其抑制效率并未显著提升。这表明在特定浓度范围内，ELT能够达到其最佳的吸附效果，而更高的浓度可能不会带来额外的保护。研究者还观察到，随着ELT浓度的增加，腐蚀速率和抑制效率呈现出非线性的变化趋势，表明ELT分子在MS表面的吸附行为受到多种因素的影响。

#### 2.3 温度对腐蚀过程的影响

温度是影响腐蚀过程的重要因素之一。研究发现，随着温度的升高，MS的腐蚀速率也随之增加，而ELT的抑制效率则下降。在303K时，ELT的抑制效率为90.81%，而在333K时，这一数值降至35.71%。这表明，温度的升高可能影响ELT分子在MS表面的吸附能力，导致保护层的削弱。此外，温度的升高还会促进腐蚀性离子（如Cl?）的扩散，从而加剧腐蚀过程。

#### 2.4 吸附等温线分析

通过吸附等温线模型，研究者进一步揭示了ELT在MS表面的吸附机制。Temkin模型和Langmuir模型均适用于ELT的吸附行为，表明其可能以单层吸附或部分吸附的形式存在于MS表面。其中，Langmuir模型显示出更高的相关性（R2=0.999），这表明ELT在MS表面的吸附行为更接近于单层吸附。此外，研究还计算了吸附自由能（ΔG?_ads），发现其值在-20 kJ/mol至-27.49 kJ/mol之间，表明ELT分子可能通过物理吸附或化学吸附的方式与MS表面结合。

#### 2.5 电化学参数分析

电化学测试结果显示，ELT的加入显著提高了MS的极化电阻（LPR）并降低了腐蚀电流（Icorr）。在空白溶液（无ELT）中，LPR值为291 Ohm/cm2，而加入0.001M ELT后，LPR值上升至1156 Ohm/cm2。这表明ELT能够有效阻断腐蚀反应的进行，从而提高MS的耐腐蚀性能。同时，腐蚀电位（Ecorr）的变化也进一步支持了ELT作为混合型缓蚀剂的特性，即它同时影响阳极和阴极反应。

#### 2.6 交流阻抗谱（EIS）分析

交流阻抗谱分析显示，ELT的加入显著增加了系统的电荷转移电阻（Rt）并降低了双电层电容（Cdl）。这表明ELT在MS表面形成了有效的保护层，从而阻碍了腐蚀性离子的渗透。Nyquist图和Bode图的分析进一步揭示了ELT对MS腐蚀的抑制机制，表明其能够通过吸附作用改变MS表面的电化学行为，从而降低腐蚀速率。

#### 2.7 FTIR光谱分析

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析用于确定ELT分子在MS表面的吸附方式以及其与金属表面之间的相互作用。研究显示，ELT分子在MS表面的吸附可能导致某些化学键的形成，例如C-H、C-O和N-H等基团的频率变化。这些变化表明，ELT分子可能通过物理吸附或化学吸附的方式与MS表面结合，从而形成保护层。此外，FTIR光谱还揭示了ELT分子与MS表面之间可能存在的化学反应，如Fe-ELT复合物的形成。

#### 2.8 SEM与AFM分析

扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析进一步验证了ELT在MS表面形成的保护层。SEM图像显示，加入ELT后，MS表面的腐蚀痕迹显著减少，表面更加光滑。AFM分析则提供了关于表面粗糙度的详细数据，显示在ELT作用下，MS表面的粗糙度（如Sa、Rq等参数）显著降低，表明保护层的形成有效减缓了腐蚀过程。

#### 2.9 EDAX分析

能量色散X射线光谱（EDAX）分析用于确认ELT在MS表面的吸附情况以及其对金属元素分布的影响。研究发现，ELT的加入减少了Cl?在MS表面的浓度，同时增加了Fe和O的信号强度。这表明ELT分子可能通过吸附作用将Cl?从MS表面置换出来，从而减少其对腐蚀的促进作用。此外，EDAX还检测到了Fe-ELT复合物的存在，进一步支持了ELT的缓蚀机制。

### 3. 缓蚀机制分析

ELT作为混合型缓蚀剂，其作用机制涉及对阳极和阴极反应的共同抑制。在阳极反应中，ELT分子可能通过吸附作用减少Fe2?的溶解速率，从而降低金属的腐蚀速度。而在阴极反应中，ELT可能通过阻碍H?的还原反应，减少氢气的产生，从而抑制腐蚀过程。这种双重作用使得ELT能够有效减缓MS在酸性环境中的腐蚀。

此外，ELT的分子结构中含有多个异原子，这些异原子能够通过提供孤对电子，增强其与MS表面的相互作用。这种吸附行为不仅提高了ELT的缓蚀效率，还使得其能够在较低浓度下发挥显著的保护作用。同时，ELT的分子量较大，这有助于其在MS表面形成稳定的保护层，从而提高其在不同温度和浓度条件下的适用性。

### 4. 研究意义与应用前景

本研究的发现具有重要的实际意义。首先，过期药物的再利用为制药行业提供了一种环保且经济的解决方案。通过将过期的拉贝洛尔转化为缓蚀剂，不仅可以减少制药废料的处理成本，还能降低对环境的污染。其次，ELT作为缓蚀剂的应用为工业防腐领域带来了新的可能性，尤其是在酸性溶液处理（如酸洗）过程中，其高效、低成本的特性使其成为一种理想的替代材料。

此外，该研究还揭示了药物分子在金属表面的吸附机制，为未来开发新型缓蚀剂提供了理论依据。通过理解ELT与MS之间的相互作用，研究者可以进一步优化其配方，提高其在不同腐蚀环境中的适用性。例如，在高温或高浓度的酸性环境中，ELT的吸附行为可能需要调整，以确保其能够持续发挥缓蚀作用。

### 5. 结论

综上所述，过期的拉贝洛尔在特定条件下能够有效抑制低碳钢在1M盐酸溶液中的腐蚀。其缓蚀机制涉及吸附作用，通过形成保护层，降低腐蚀性离子的渗透和反应速率。研究还表明，ELT的缓蚀效率随着浓度的增加而提高，但在较高浓度下不再显著提升，这说明存在一个最佳的使用浓度范围。此外，温度的升高会削弱ELT的缓蚀效果，因此在实际应用中需要考虑环境温度的影响。

ELT的广泛应用潜力在于其成本低廉、易得性高以及环境友好性。通过将过期药物重新利用，不仅能够减少资源浪费，还能为工业领域提供一种可持续的解决方案。同时，该研究也为药物分子在材料科学领域的应用提供了新的思路，展示了化学和材料科学交叉研究的广阔前景。未来的研究可以进一步探索ELT在不同金属和腐蚀环境中的应用，以及其与其他缓蚀剂的协同作用，以期开发出更加高效和环保的防腐体系。