了解硫酸环境中低碳钢的腐蚀现象以及利用经过伽马辐照处理的山药（Dioscorea rotundata）皮粉对其进行防护的方法

《Hygiene and Environmental Health Advances》：Understanding Mild Steel Corrosion in Sulpuric Acid Environment and It’s Protection using of Gamma-Irradiated Yam ( Dioscorea rotundata species) Peel Powder

γ-辐照木薯皮粉对低碳钢在0.5 M硫酸中的腐蚀抑制效果研究，采用物理（重量损失）和电化学（极化曲线、阻抗谱）方法。结果表明，辐照木薯皮粉在1.2 g/L时抑制率达93%，随时间延长抑制效率下降，温度升高抑制效果减弱，符合物理吸附机制，Langmuir等温模型拟合最佳。表面分析显示辐照增强其结构稳定性，EDX证实含氮磷杂原子吸附于钢表面形成保护层。

　　这项研究探讨了使用γ射线辐照的木薯皮粉（GIYPP）作为缓蚀剂，在0.5 M硫酸（H?SO?）环境中对低碳钢（mild steel）的腐蚀抑制效果。研究采用了物理和电化学技术相结合的方法，旨在全面评估GIYPP在不同浓度、时间和温度条件下的缓蚀性能。研究结果表明，GIYPP在特定条件下展现出显著的抗腐蚀特性，最高抑制效率可达93%，并且其效果受到多种因素的影响，如浓度、时间及温度。此外，研究还揭示了GIYPP在金属表面的吸附行为及其与腐蚀机制之间的关系，进一步确认了其作为环保型缓蚀剂的潜力。

### 研究背景与意义

金属和合金在精炼状态下具有独特的属性，包括物理、化学和机械性能，因此在多个行业中具有广泛应用，如工程、建筑、家用、汽车等。然而，金属在各种服务条件下会因腐蚀而逐渐退化，对人类生活、环境和经济造成严重影响。腐蚀不仅会缩短金属材料的使用寿命，还可能导致结构失效，增加安全风险。例如，1967年美国西弗吉尼亚州的Silver Bridge坍塌事件，就是由于腐蚀引起的应力腐蚀裂纹导致的，造成46人死亡。类似的案例还有2014年至2019年的Flint水危机，由于没有进行适当的腐蚀控制，导致铅从管道中渗出，对公共健康造成严重威胁。

酸性环境中的腐蚀问题尤为突出，因为酸性物质会加速金属的氧化反应，从而加剧腐蚀过程。例如，酸雨是由氮氧化物和硫氧化物在大气中形成的硝酸和硫酸，它们会腐蚀桥梁、建筑和文化遗迹，污染淡水生态系统，并释放有毒的铝离子和金属离子，影响动植物的生存环境。此外，地下储油罐和化学储罐在酸性环境中容易发生泄漏，造成土壤和地下水污染。

由于腐蚀造成的经济损失巨大，因此开发有效的腐蚀抑制策略变得尤为重要。根据研究，直接成本包括替换被腐蚀的部件、结构和消费品，以及进行腐蚀检测和控制的成本，如化学缓蚀剂、阴极保护、涂层等。间接成本则包括环境修复、停机时间和过度设计等。研究指出，腐蚀抑制剂的应用可以有效减少这些损失，并为金属材料提供更长的使用寿命。

在众多的腐蚀抑制剂中，天然有机材料因其成本低廉、安全、环保等优势受到广泛关注。例如，一些植物提取物，如银杏叶提取物、 Lawsonia 提取物、 Occimum viridis 叶提取物、 Telfaria occidentalis 提取物、 Azadirachta indica、 Silybum marianum 提取物、 Delonix regia 提取物、天然蜂蜜、 Opuntia Ficus Indica 提取物、 Sida acuta 叶和茎提取物、 Baphia nitida 叶提取物、 Henna 和 rosemary 提取物、 rosemary 油等都被研究用于金属表面的防腐蚀保护。此外，一些药物，如 Torsemide 和 Furosemide、2- Mercaptobenzothiazole、8-羟基喹啉和苯并噻唑，也被用于调节金属的腐蚀行为。还有一些水溶性聚合物和混合物，如阿拉伯胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酰胺等，也被用作金属保护材料。此外，一些染料，如靛蓝、亚甲基蓝等，也被报道具有缓蚀性能。

尽管已有大量材料被研究作为缓蚀剂，但其在不同环境中的适用性仍然存在挑战。一些材料可能因使用不当或缺乏特定的活性基团而无法发挥最佳效果。此外，对环境的忽视、材料的不当处理以及缺乏环保的加工方式也可能限制其实际应用。因此，研究者开始寻找对环境无害、高效、安全且易于获取的替代材料。木薯皮粉作为一种常见的农业废弃物，因其丰富的化学成分和潜在的抗腐蚀能力而被选为研究对象。通过γ射线辐照处理，可以提高其稳定性和延长使用寿命，使其成为一种具有广泛应用前景的缓蚀材料。

### 材料与方法

本研究使用了多种材料，包括低碳钢片、木薯皮、γ射线辐照设备、机械切割器、硫酸、乙醇、丙酮、砂纸和蒸馏水。低碳钢片首先被机械切割成2.5 x 2.5 x 0.5 cm尺寸的试样，然后使用砂纸进行打磨，接着用蒸馏水和乙醇进行清洗，最后用丙酮干燥并存放在干燥器中进行腐蚀实验。木薯皮则被清洗、剥皮后放入γ射线辐照设施中处理。该设施使用Co-60放射源，总活动约为5.5 x 101? Bq（≈170 kCi），并配备屏蔽室和水池用于安全存储。在辐照过程中，木薯皮试样被放置在辐照室内，与放射源保持6米距离，辐照时间为2小时，剂量率为120 kGy。辐照后的木薯皮试样被粉碎成粉末并存放在干燥器中用于后续实验。

实验方法包括重量损失法、电化学方法和表面形貌分析。在重量损失法中，试样被浸泡在不同浓度的H?SO?溶液中，浸泡时间为24、48、72、96和120小时。浸泡后，试样被取出、清洗、干燥并重新称重。实验在三重重复条件下进行，以确保结果的准确性和可重复性。此外，还进行了不同温度下的实验，以研究温度对腐蚀抑制效果的影响。电化学方法包括动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS），用于分析缓蚀剂对金属表面的保护效果。PDP测试使用了Princeton PAR-2273电化学池，包括参考电极、对电极和石墨棒。测试参数包括30分钟的稳态电位、±250 mV电位范围、0.333 mV/s扫描速率、±30℃温度条件、非搅拌电解质系统和空气条件。EIS测试则在100 kHz–0.1 Hz频率范围内进行，使用5 mV信号振幅扰动，并通过Zsimpwin软件进行数据分析。

### 实验结果与讨论

实验结果表明，木薯皮粉的浓度和浸泡时间对其缓蚀效果有显著影响。在24小时浸泡时间下，1.2 g/L的木薯皮粉表现出最高的抑制效率（93.34%），而在120小时浸泡时间下，抑制效率下降至74.3%。这表明随着时间的推移，缓蚀剂的吸附能力逐渐减弱，可能是由于金属表面的活性位点逐渐被覆盖，导致吸附强度下降。此外，实验还发现，随着时间的增加，材料的腐蚀率也逐渐降低，表明缓蚀剂的保护效果增强。然而，在温度升高的情况下，抑制效率下降，这表明缓蚀过程可能主要依赖于物理吸附。

为了进一步理解缓蚀剂的吸附机制，研究还使用了吸附等温模型进行分析，包括Langmuir、Temkin、Flory-Huggins和Freundlich模型。结果表明，Langmuir模型最符合实验数据，这说明吸附过程可能遵循单层吸附机制。此外，计算得到的Gibb's自由能（ΔG_ads）表明吸附过程是物理吸附，且具有自发性。ΔG_ads的负值表明吸附过程容易发生，而其绝对值小于-20 kJ/mol则表明吸附过程由物理作用主导。吸附常数K_c的值随着浸泡时间的增加而降低，这进一步支持了吸附强度随时间减弱的趋势。

为了研究温度对腐蚀过程的影响，实验还分析了不同温度（303 K至343 K）下木薯皮粉的缓蚀效果。结果表明，随着温度的升高，抑制效率下降，这可能与物理吸附的减弱有关。同时，实验还计算了活化能（E_a）和吸附热（Q_ads），进一步分析了温度对缓蚀过程的影响。活化能的值在使用缓蚀剂的情况下高于未使用缓蚀剂的情况，这表明缓蚀剂在金属表面形成了有效的保护层，从而延迟了腐蚀反应的发生。

### 电化学分析结果

电化学测试结果进一步验证了木薯皮粉的缓蚀性能。极化曲线显示，缓蚀剂的加入显著降低了腐蚀电流密度（I_corr），表明其对金属表面的保护作用。在1.2 g/L的缓蚀剂浓度下，I_corr值降至47.8 μA/cm2，抑制效率达到93.21%。此外，电化学阻抗谱（EIS）结果显示，缓蚀剂的加入增加了电荷转移电阻（R_ct），降低了双层电容（C_dl），这表明缓蚀剂在金属表面形成了稳定的保护膜。Nyquist图显示，随着缓蚀剂浓度的增加，阻抗图的半圆直径增大，进一步支持了缓蚀剂的有效性。

研究还发现，不同浓度的缓蚀剂对电化学参数有显著影响。例如，在1.2 g/L的缓蚀剂浓度下，R_ct值显著增加，表明金属表面的保护膜更加致密。同时，C_dl值降低，表明保护膜的厚度增加或电荷转移受到抑制。这些结果与重量损失法和吸附等温模型的分析结果一致，表明缓蚀剂在金属表面形成了有效的吸附层，从而减缓了腐蚀过程。

### 表面分析结果

表面形貌分析和FTIR光谱分析进一步揭示了木薯皮粉的缓蚀机制。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，使用缓蚀剂的金属表面形成了保护层，减少了腐蚀物质对金属的直接攻击。FTIR光谱分析表明，γ射线辐照处理改变了木薯皮粉的表面化学结构，但并未破坏其核心的木质纤维素架构。主要的官能团，如羟基（-OH）、甲基（-CH?）、亚甲基（-CH?-）和酯基（C=O）的振动模式在辐照前后有所变化，这表明辐照处理可能通过脱水和交联反应改变了木薯皮粉的化学性质。此外，EDX分析结果显示，缓蚀剂的加入导致金属表面出现氮和磷元素，这可能是由于缓蚀剂分子与金属表面的吸附作用。

### 缓蚀机制分析

研究进一步探讨了GIYPP的缓蚀机制。GIYPP的缓蚀作用主要依赖于其分子在金属表面的吸附行为。这些分子通过物理吸附机制，如静电相互作用和范德华力，与金属表面结合，形成保护层。该保护层能够阻挡腐蚀性离子，如H?和Cl?，从而减少金属的腐蚀。此外，γ射线辐照处理可能通过改变木薯皮粉的化学结构，使其更易于吸附，并增强其缓蚀能力。例如，辐照处理可能通过断裂某些官能团，如羟基，形成新的活性基团，从而提高其在金属表面的吸附能力。

与传统的天然缓蚀剂相比，GIYPP的缓蚀机制有所不同。传统的天然缓蚀剂通常依赖于物理吸附，而GIYPP则可能结合了物理吸附和化学吸附。这种双重机制可能使其在不同条件下表现出更稳定的缓蚀性能。此外，研究还发现，GIYPP的缓蚀效果随着浸泡时间的延长而增强，这表明其在金属表面的吸附过程具有一定的累积效应。

### 结论

综合上述实验结果，研究得出以下结论：木薯皮粉在特定条件下表现出良好的抗腐蚀性能，最高抑制效率可达93%。γ射线辐照处理显著提高了其稳定性，使其能够长期保存并用于未来的腐蚀控制。此外，研究发现，木薯皮粉的缓蚀效果受到浓度、时间和温度的影响，且主要依赖于物理吸附机制。电化学和表面分析结果进一步支持了这一结论，并表明GIYPP在金属表面形成了稳定的保护层。FTIR和EDX分析结果显示，γ射线辐照处理改变了木薯皮粉的表面化学结构，但并未破坏其核心的木质纤维素架构。因此，GIYPP作为一种天然、环保的缓蚀剂，具有广阔的应用前景，特别是在酸性环境中对金属材料的保护。