利用协同抑制体系提高低碳钢在H?SO?中的高温耐腐蚀性

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Enhancing high-temperature corrosion resistance of mild steel in H 2SO 4 using synergistic inhibitor systems

本研究系统探究了Styphnolobium japonicum提取物（SE）、硫脲（TU）和十六烷基三甲基铵溴化物（CTAB）组成的STC体系对304K-343K下硫酸介质中碳钢的协同腐蚀抑制效应。实验表明，优化配比（SE 500 mg/L，TU 100 mg/L，CTAB 1000 mg/L）在313K时获得96.07%抑制效率，形成致密保护膜。但温度升高至343K时，膜结构劣化导致电荷转移电阻（Rct）下降28.6%，抑制效率降至89.32%。电化学分析证实STC为混合型抑制剂，同时抑制阳极溶解和阴极析氢。MSD和RDF分析揭示了化学吸附机制，SE中的酚羟基与金属表面Fe3?形成配位键，CTAB的季铵基团增强膜附着力，TU的硫原子补偿膜缺陷。研究结果为高温酸性环境中多功能复合缓蚀剂开发提供了理论依据。

　　本研究探讨了一种由日本槐提取物（SE）、硫脲（TU）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）组成的复合型缓蚀剂系统STC对在硫酸溶液中使用的低碳钢（MS）的协同缓蚀作用。研究团队发现，当SE、TU和CTAB的浓度分别为500 mg/L、100 mg/L和1000 mg/L时，该系统在313 K温度下表现出高达96.07%的缓蚀效率，并且在8小时浸泡后仍保持90.35%的缓蚀效果。这表明STC系统在高温环境下仍能保持较高的缓蚀性能，为解决高温腐蚀问题提供了新的思路。

在硫酸溶液中，STC系统能够促使在MS表面形成一层保护膜，这种保护膜显著提升了金属的电荷转移电阻（Rct），从而有效抑制了腐蚀反应的进行。然而，随着温度的升高，保护膜的稳定性受到影响，导致Rct值迅速下降，缓蚀效果也随之减弱。这一现象说明，虽然STC在较低温度下表现出良好的缓蚀性能，但在高温条件下仍需进一步优化以确保其长期有效性。Tafel分析进一步揭示了STC作为混合型缓蚀剂的作用机制，它不仅能够抑制阳极溶解反应，还能有效减缓阴极氢气析出反应，从而全面提高金属的抗腐蚀能力。

研究还通过径向分布函数（RDF）数据分析，确认了STC与MS之间的相互作用主要是通过化学吸附实现的。化学吸附意味着缓蚀剂分子能够与金属表面发生较强的化学键合，形成稳定的保护层，从而阻断腐蚀反应的路径。这一特性使得STC在高温条件下依然能够提供有效的缓蚀保护，相较于传统的物理吸附缓蚀剂，其作用更为持久和可靠。此外，研究团队利用均方根位移（MSD）方法，深入分析了H?O、H?O?和SO?2?在H?SO?溶液中的运动行为，进一步揭示了缓蚀剂在溶液中的动态分布及其对金属表面的保护机制。

在实际工业应用中，低碳钢因其良好的机械性能和成本效益，广泛应用于石油天然气开采与输送、建筑施工、汽车制造和航空航天等多个领域。然而，这些应用环境往往伴随着高温和酸性条件，这对低碳钢的耐腐蚀性提出了更高的要求。传统的缓蚀剂主要依赖于无机化合物如亚硝酸盐、钼酸盐和铬酸盐，以及含有氮、氧、磷和硫原子的有机化合物。尽管这些缓蚀剂在某些情况下表现出一定的效果，但它们普遍存在成本高、毒性大和制备过程复杂等问题，限制了其在实际工程中的广泛应用。

相比之下，由生物质提取物衍生的缓蚀剂因其来源广泛、成本低廉且环境友好，逐渐受到研究人员的关注。例如，某些研究已经证明，从植物中提取的天然化合物在特定条件下可以有效抑制金属的腐蚀。然而，这些缓蚀剂在高温环境下的性能往往不如传统缓蚀剂，尤其是在酸性溶液中，其缓蚀效果会显著下降。这主要是由于高温条件会加速缓蚀剂分子的分解或改变其在金属表面的吸附方式，导致保护膜的形成受到阻碍。因此，开发一种能够在高温条件下保持高效缓蚀性能的复合型缓蚀剂成为当前研究的重要方向。

为了克服单一缓蚀剂在高温条件下的局限性，研究团队提出了一种通过复合多种缓蚀剂来实现协同效应的方法。这种方法不仅能够提升缓蚀剂的整体性能，还能通过不同成分之间的相互作用增强其在高温环境下的稳定性。例如，Rani等人研究了AYW和KI在盐酸中的协同缓蚀作用，发现其在323 K时的缓蚀效率达到了91%。Shamsheeera等人则探讨了GG与Tween-80和Triton-X的协同作用，发现其在303 K时的缓蚀效率分别为97.13%和95.50%。Lin等人研究了十二烷基苯磺酸钠与核桃青皮提取物在硫酸中的协同缓蚀作用，结果显示在323 K时的缓蚀效率达到了87.9%。这些研究都表明，通过合理选择和组合不同的缓蚀剂成分，可以显著提升其在高温环境下的性能。

本研究中的STC系统由SE、TU和CTAB组成，其中SE来源于日本槐，这是一种广泛分布于东亚的落叶乔木，属于豆科植物。日本槐富含多种生物活性成分，如黄酮类、生物碱和多酚等，这些成分具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能。TU分子中含有硫原子，能够与金属表面的空轨道发生键合，从而抑制金属的腐蚀反应。CTAB则因其表面活性特性，能够增强缓蚀剂在水溶液中的溶解度，促进其在金属表面的均匀分布。通过将这三种成分结合在一起，STC系统不仅能够发挥各自的优势，还能通过协同作用形成更有效的保护膜，从而提高其在高温环境下的缓蚀性能。

为了系统评估STC系统的缓蚀效果，研究团队采用了多种实验方法，包括重量损失实验、电化学阻抗谱（EIS）测试、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析，以及RDF和MSD分析。重量损失实验用于测定金属在腐蚀环境中的质量变化，从而评估缓蚀剂的保护效果。EIS测试则通过测量金属表面的电化学阻抗来分析缓蚀剂对腐蚀反应的抑制作用。SEM和EDS分析用于观察金属表面的微观形貌和元素分布，从而验证保护膜的形成和结构。RDF和MSD分析则从分子动力学的角度出发，探讨缓蚀剂分子在溶液中的分布和运动行为，进一步揭示其在金属表面的吸附机制和保护作用。

研究结果表明，STC系统在高温条件下仍能保持较高的缓蚀效率，其保护膜的形成和稳定性优于单一缓蚀剂。这一发现对于提升低碳钢在高温酸性环境中的耐腐蚀性能具有重要意义。同时，STC系统的开发也为生物质提取物在工业缓蚀领域的应用提供了新的可能性，特别是在石油天然气开采和输送等高温环境下，传统缓蚀剂可能因高温而失效，而STC系统则展现出更强的适应性和可靠性。

此外，本研究还强调了在高温腐蚀环境中，单一缓蚀剂往往难以满足实际需求，因此需要通过复合和协同的方式提升其性能。这种思路不仅适用于STC系统，也可以推广到其他类型的缓蚀剂开发中。通过合理选择和组合不同的缓蚀剂成分，可以实现更全面的腐蚀防护，提高材料的使用寿命和安全性。特别是在当前工业对环保和可持续发展的高度重视下，基于天然生物质的缓蚀剂系统更具推广价值。

本研究的创新之处在于，它不仅验证了STC系统的协同缓蚀效果，还通过多种分析手段深入探讨了其作用机制。这为今后进一步优化和开发新型缓蚀剂提供了理论依据和技术支持。同时，研究团队还指出了当前在高温酸性环境中应用复合型缓蚀剂的研究仍较为有限，因此具有较大的发展空间。未来的研究可以进一步探索不同缓蚀剂组合的协同效应，以及如何通过调整成分比例和实验条件来提高其在高温环境下的性能。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，成功开发了一种能够在高温条件下保持高效缓蚀性能的复合型缓蚀剂系统STC。该系统不仅能够有效抑制低碳钢在硫酸溶液中的腐蚀，还具有成本低廉、环境友好的优势，为解决高温腐蚀问题提供了新的解决方案。同时，研究结果也为未来在高温酸性环境中应用生物质提取物作为缓蚀剂奠定了基础，具有重要的理论和实践意义。