流动条件下咪唑啉季铵盐吸附-解吸行为与缓蚀效率的协同机制研究

为解决CO2腐蚀环境下油气管道缓蚀剂膜稳定性不足的问题，研究人员通过自制多相流循环系统结合分子动力学模拟，揭示了咪唑啉季铵盐（IQAS）在动态流动中的吸附-解吸规律。结果表明，IQAS通过物理吸附与化学络合双重机制形成保护膜，0.2 m/s流速下缓蚀效率达80.92%，但流速超过0.5 m/s时膜结构破坏。该研究为优化现场缓蚀剂应用提供了关键理论支撑。

　　

在能源运输领域，CO₂腐蚀如同隐形杀手，每年导致全球油气管道损失高达数十亿美元。传统缓蚀剂研究多聚焦静态环境，而实际管道中湍流冲击、剪切力变化等动态因素常使缓蚀剂"水土不服"。更棘手的是，现有研究多依赖搅拌模拟流动，难以还原真实工况下分子级吸附行为。这种理论与实践的脱节，使得现场缓蚀剂效率预测常如"盲人摸象"。

中国石油大学的研究团队直面这一挑战，将目光锁定在高效低毒的咪唑啉季铵盐（IQAS）上。通过独创的多相流循环装置与分子动力学模拟"双剑合璧"，首次揭示了流动条件下IQAS的膜形成与失效机制。研究发现，IQAS分子像"磁铁"般通过氮原子垂直吸附于金属表面，吸附能达-195.84 kJ/mol，这种物理-化学协同吸附在0.2 m/s流速时发挥最佳效果，缓蚀效率飙升至80.92%。但当流速超过0.5 m/s时，湍流化身"无形之手"，将保护膜撕开缺口，导致局部点蚀加剧。该成果发表于《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》，为动态腐蚀防护提供了里程碑式的理论框架。

关键技术包括：1）模拟CO₂饱和3% NaCl溶液的多相流循环系统；2）电化学阻抗谱（EIS）与线性极化电阻（LPR）联用；3）扫描电镜（SEM）结合能谱分析（EDS）表征膜形貌；4）Materials Studio软件分子动力学模拟铁表面吸附行为。

分子动力学模拟
构建四层模型体系揭示IQAS通过咪唑环氮原子垂直吸附的特征，计算显示其与铁表面的结合能显著高于水分子，形成竞争性吸附优势。

吸附机制
电化学测试证实IQAS同时抑制阴阳极反应，属于混合型缓蚀剂。接触角实验显示流速0.5 m/s时疏水角最大（98.6°），对应最致密的保护膜。

腐蚀抑制剂膜和腐蚀抑制效率
流循环实验发现临界流速现象：低于0.5 m/s时扩散主导成膜，高于0.5 m/s时剪切力导致膜破损。3D显微镜显示高流速下点蚀深度增加3倍，与SEM观察到的"蜂窝状"破损形貌吻合。

结论与讨论
该研究建立了"流速-吸附稳定性-缓蚀效率"的定量关系模型，指出现场应用应避免流速超过0.5 m/s的湍流区。分子模拟与实验的相互验证，为理性设计流动适应性缓蚀剂提供了新范式。特别值得注意的是，研究发现化学吸附虽能增强膜稳定性，但物理吸附层对流速变化更敏感，这一发现颠覆了传统认为化学吸附主导的观点。团队建议未来可通过引入硫、磷等强配位原子进一步提升化学吸附强度，以抵抗高流速剪切。这项研究不仅填补了动态腐蚀机理的认知空白，其研发的多相流测试系统更成为行业新标准。