可再生来源的蓖麻油基防腐剂：针对1 M HCl介质对St-37碳钢的腐蚀抑制效果的电化学研究、理论建模及实验验证

《Journal of Molecular Liquids》：Renewable sourced castor oil based corrosion inhibitor: Electrochemical investigation, theoretical modeling and study of corrosion efficacy in St-37 carbon steel against 1?M HCl media

本研究以蓖麻油为原料，合成了一种高效可生物降解的缓蚀剂CTA，用于St37钢在1M HCl中的腐蚀防护。通过电化学阻抗谱、失重法和极化曲线分析，证实1000 ppm CTA在25℃下表现出95.25%的缓蚀效率，并具有混合型吸附机制。量子化学计算与分子动力学模拟揭示了其作用机理，为工业应用提供了环保替代方案。

　　本研究探讨了一种基于蓖麻油的新型生物可降解腐蚀抑制剂（CTA）在低碳钢（St37）在1 M HCl介质中的应用。蓖麻油作为一种低成本、易获取且可生物降解的资源，具有重要的环境友好特性。其结构中富含羟基和酯基，这些官能团使其在多种化学反应中表现出优异的活性和稳定性。研究通过实验手段、表面表征和理论分析，系统评估了CTA的腐蚀抑制性能，并验证了其在极端条件下的适用性。这些发现为开发适用于工业领域的高效、环保型腐蚀抑制剂提供了坚实的理论和实践基础。

腐蚀是金属和合金在化学或电化学作用下发生的不可逆降解过程。根据热力学原理，腐蚀是一种自然现象，所有金属在不同环境条件下都可能受到影响。由于腐蚀过程难以控制，其导致的环境和经济损失不容忽视。因此，金属加工行业广泛采用各种添加剂以防止金属的降解。特别是在金属加工过程中，使用强酸性介质进行清洗、脱脂和处理油井等操作时，金属与这些介质直接接触，从而增加了腐蚀的风险。为了应对这一问题，通常会在金属接触腐蚀性环境之前使用腐蚀抑制剂，以保护金属表面并延长其使用寿命。

在选择合适的腐蚀抑制剂时，需要考虑其对金属性能的影响以及对制造过程的整体效率。近年来，随着环保意识的增强，对无机腐蚀抑制剂的使用逐渐减少，而有机抑制剂因其生物可降解性和低毒性而受到关注。然而，有机抑制剂在合成和稳定性方面仍面临挑战。为了克服这些问题，研究者开始探索从植物油中提取的天然表面活性剂作为新型腐蚀抑制剂的原料。这些植物油不仅成本低廉、易于获取，而且在可持续发展和环保法规的背景下具有重要意义。

蓖麻油作为一种植物油，因其结构中富含羟基和酯基，表现出优异的表面活性和稳定性。这些特性使其成为合成腐蚀抑制剂的理想原料。此外，蓖麻油中含有的不饱和脂肪酸，如油酸和蓖麻油酸，具有更高的表面活性和更好的生物可降解性。这些脂肪酸的结构特征为开发新的生物可降解产品提供了可能，包括酯化、转酯化、酰胺化、环氧化等方法。研究还发现，蓖麻油的高蓖麻油酸含量（通常在85–95%之间）使其在腐蚀防护方面具有显著优势。蓖麻油酸的额外羟基增加了其极性，提供了有效的吸附位点，从而增强了其与金属表面的相互作用，并有助于形成稳定的保护膜。

为了进一步提升蓖麻油的腐蚀抑制性能，研究者尝试将其与三乙醇胺进行结合，以开发一种具有更高温度耐受性的新型腐蚀抑制剂。这种结合方式利用了蓖麻油中丰富的羟基和酯基，以及三乙醇胺的碱性特性，使得抑制剂能够在酸性环境中保持稳定。实验中，CTA的合成采用了酯化反应，其产率较高，表明该合成方法具有可行性。随后，研究通过多种实验手段评估了CTA在酸性介质中的腐蚀抑制性能，包括重量损失（WL）、电化学阻抗谱（EIS）和极化动力学（PDP）技术。这些方法分别从宏观和微观角度揭示了CTA对金属表面的保护效果。

在极端条件下，例如高温和高压，传统腐蚀抑制剂往往表现出性能下降和生物可降解性不足的问题。因此，开发能够在这些条件下保持高效性能的生物可降解抑制剂显得尤为重要。通过实验数据的分析，研究发现CTA在25°C时的腐蚀抑制效率达到95.25%和93.7%，表明其在酸性介质中具有优异的性能。此外，CTA在金属表面表现出混合型抑制作用，即同时发生化学吸附和物理吸附，从而形成更稳定的保护层。

为了进一步理解CTA的吸附机制和反应特性，研究还采用了量子化学计算方法，结合密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟（MD）进行分析。这些计算方法提供了关于CTA分子结构和吸附行为的深入见解，验证了其在金属表面的吸附能力和反应机制。研究结果表明，CTA的吸附行为与金属表面的化学性质密切相关，其在酸性介质中的稳定性得益于分子结构中的酯基和羟基。这些官能团不仅增强了CTA的极性，还提高了其与金属表面的相互作用力，从而形成有效的保护膜。

此外，研究还探讨了其他植物油基材料在腐蚀防护中的应用。例如，蓖麻油、棕榈油、棕榈仁油、葵花籽油和椰子油等植物油因其独特的化学结构和物理特性，被广泛用于合成表面活性剂。这些油类中的脂肪酸含量和结构特征决定了其在不同应用中的性能表现。其中，蓖麻油因其高含量的蓖麻油酸而成为最具潜力的腐蚀防护材料。蓖麻油酸的结构特征使其在酸性介质中表现出优异的吸附能力和稳定性，从而有效降低金属的腐蚀速率。

在实际应用中，蓖麻油基材料不仅被用于合成表面活性剂，还被用于开发其他类型的腐蚀抑制剂，如基于植物提取物的抑制剂、植物基聚合物如纤维素、壳聚糖和阿拉伯胶等。这些材料在不同工业领域中展现出广泛的应用前景，但其在极端条件下的性能仍需进一步优化。研究发现，CTA在高温条件下的腐蚀抑制效率也较高，这表明其在工业应用中具有较强的适应性。此外，CTA的混合型抑制作用使其在酸性介质中表现出更全面的保护效果，能够同时抑制阳极和阴极腐蚀过程。

为了验证CTA的吸附行为和反应机制，研究还采用了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）等表面表征技术。这些技术能够直观地展示CTA对金属表面的影响，包括其在酸性介质中的吸附情况和对金属表面结构的改变。实验结果表明，CTA在金属表面形成了一层稳定的保护膜，有效降低了腐蚀速率。此外，CTA的吸附行为符合Frumkin吸附模型，表明其在金属表面的吸附过程具有一定的规律性。

研究还探讨了CTA在不同浓度下的性能表现。通过实验数据的分析，研究发现CTA在1000 ppm浓度下的腐蚀抑制效率达到最高，分别为95.25%和93.7%。这表明CTA在酸性介质中的性能与其浓度密切相关，较高的浓度能够提供更有效的保护。此外，研究还比较了CTA与其他传统腐蚀抑制剂在高温条件下的性能表现，发现CTA在80°C时的腐蚀抑制效率仍保持较高水平，表明其在极端条件下的适用性。

在理论分析方面，研究采用量子化学计算方法，结合密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟（MD）对CTA的吸附行为和反应机制进行了深入探讨。这些计算方法提供了关于CTA分子结构和表面相互作用的详细信息，验证了其在金属表面的吸附能力和反应特性。研究结果表明，CTA的吸附行为与金属表面的化学性质密切相关，其在酸性介质中的稳定性得益于分子结构中的酯基和羟基。这些官能团不仅增强了CTA的极性，还提高了其与金属表面的相互作用力，从而形成有效的保护膜。

在实验过程中，研究采用了多种分析方法，包括重量损失（WL）、电化学阻抗谱（EIS）和极化动力学（PDP）技术，以评估CTA的腐蚀抑制性能。这些方法能够从不同角度揭示CTA对金属表面的保护效果，包括其在酸性介质中的吸附情况和对腐蚀过程的抑制能力。此外，研究还采用了扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDAX）等表面表征技术，以观察CTA对金属表面结构的影响。这些技术能够直观地展示CTA在金属表面的吸附情况和对表面形态的改变，从而验证其在腐蚀防护中的有效性。

研究结果表明，CTA在酸性介质中的腐蚀抑制性能显著优于传统抑制剂。这不仅得益于其生物可降解性和低毒性，还与其在金属表面的吸附能力和反应机制密切相关。CTA的混合型抑制作用使其能够同时抑制阳极和阴极腐蚀过程，从而形成更全面的保护。此外，CTA的吸附行为符合Frumkin吸附模型，表明其在金属表面的吸附过程具有一定的规律性。这些发现为开发适用于工业领域的高效、环保型腐蚀抑制剂提供了理论和实践基础。

在实际应用中，CTA的混合型抑制作用使其能够适应不同的腐蚀环境。这种特性使得CTA在工业应用中具有较强的适应性，能够有效降低金属的腐蚀速率。此外，CTA的生物可降解性和低毒性使其在环保方面具有优势，符合当前工业界对可持续发展和环保法规的要求。因此，CTA不仅是一种有效的腐蚀抑制剂，还是一种具有广阔应用前景的环保材料。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，系统评估了基于蓖麻油的新型腐蚀抑制剂CTA在酸性介质中的性能表现。研究结果表明，CTA在不同温度和浓度条件下均表现出优异的腐蚀抑制性能，其混合型抑制作用和稳定的吸附能力使其在工业应用中具有较大的潜力。此外，CTA的生物可降解性和低毒性使其在环保方面具有优势，符合当前工业界对可持续发展和环保法规的要求。这些发现为开发适用于工业领域的高效、环保型腐蚀抑制剂提供了坚实的理论和实践基础，同时也为未来的研究提供了新的方向。