用于石油工业中防止钢材腐蚀的新型苄基肼衍生物

《Green Chemistry Letters and Reviews》：Novel benzylidine derivatives for steel corrosion prevention in the oil industry

合成异噁唑啉酮衍生物，通过光谱和元素分析表征，发现其在3.5% NaCl溶液中抑制碳钢腐蚀效率达91.5%（250 ppm，303 K），抑制机制为吸附形成的Langmuir等温模型保护层，电化学阻抗和原子吸收光谱验证了吸附-阻断混合机理。

　　### 研究背景与意义

在当今快速发展的工业体系中，尤其是石油和化工行业，金属材料的腐蚀问题一直是一个亟待解决的技术难题。腐蚀不仅会缩短金属材料的使用寿命，还会导致巨大的经济损失和环境负担。因此，开发高效的腐蚀抑制剂（Corrosion Inhibitors, CIs）成为了科研和工业界共同关注的焦点。碳钢作为一种广泛应用的金属材料，在石油储运设施、管道系统和海洋环境中的结构件中扮演着重要角色。然而，由于其在腐蚀性介质中的易受侵蚀特性，必须采取有效措施以延长其使用寿命。

本研究聚焦于一种新型的双苯基环庚酮（Bisbenzylidenecycloheptanone）杂环衍生物的合成与性能评估。这些化合物因其独特的分子结构，可能具有优良的吸附性能，从而在金属表面形成保护层，有效减缓腐蚀进程。通过一系列化学、物理和电化学分析方法，研究者评估了这些化合物作为碳钢腐蚀抑制剂的性能，并探讨了其在不同浓度和温度条件下的作用机制。

### 研究方法与材料准备

本研究采用了多种分析技术，包括傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振（1H NMR、13C NMR）和元素分析等，以确认新合成化合物的结构和化学组成。通过这些技术，研究者能够精准地识别和表征目标化合物，确保其化学结构的正确性。

在实验过程中，研究者使用了三种不同甲氧基取代的双苯基环庚酮衍生物，分别命名为BBCH-1（单甲氧基）、BBCH-2（双甲氧基）和BBCH-3（三甲氧基）。这些化合物的合成步骤如下：将环庚酮（0.01 mol）与对应的苯甲醛（4-甲氧基、3,4-二甲氧基或3,4,5-三甲氧基苯甲醛，0.02 mol）混合，并溶解于10 mL乙醇中。随后，加入0.02 mol的氢氧化钠，加热至80°C并持续2-3小时。反应进展通过薄层色谱（TLC）分析进行跟踪，最终产物在冷却后通过乙醇重结晶得到，从而获得了目标化合物。

为了评估这些化合物的腐蚀抑制性能，研究者准备了模拟海洋环境的3.5%氯化钠溶液作为腐蚀介质，并使用碳钢样品（CS）进行实验。CS样品的化学成分接近实际应用中使用的碳钢，主要成分为99%的铁，以及少量的碳、硅、锰等元素。在实验前，样品经过清洗、脱脂和干燥处理，以确保其表面干净，无杂质干扰。

### 腐蚀抑制性能评估

研究者采用了直接和间接的重量损失法（Mass Loss Technique）以及电化学方法（如电位动态极化法和电化学阻抗谱）来评估这些化合物的腐蚀抑制效果。直接重量损失法通过测量碳钢样品在不同浓度的抑制剂溶液中浸泡后的质量变化，来计算腐蚀速率和抑制效率。结果显示，随着抑制剂浓度的增加，抑制效率显著提升，而在较高温度下，其抑制效果有所下降。

在250 ppm的BBCH-3（三甲氧基）抑制剂浓度下，研究者在303 K（即30°C）条件下获得了高达91.5%的抑制效率。这一数据表明，BBCH-3在所有测试的抑制剂中表现最为优异。此外，研究者还通过原子吸收光谱（AAS）分析了腐蚀过程中溶解的铁离子浓度。结果表明，随着抑制剂浓度的提高，铁离子的释放量明显减少，进一步验证了这些化合物在减缓腐蚀方面的有效性。

### 腐蚀机制分析

通过实验数据和理论模型的结合，研究者进一步探讨了这些化合物的腐蚀抑制机制。结果表明，抑制剂分子通过吸附和附着在碳钢表面，形成一层保护膜，从而阻止腐蚀反应的进行。这种吸附行为符合朗缪尔（Langmuir）吸附等温线模型，表明抑制剂分子在金属表面的吸附是单层吸附，并且与金属表面的化学性质密切相关。

此外，研究者还通过热测量技术（Thermometric Measurement）分析了反应数（Reaction Number, RN）和反应数减少百分比（% RR）等参数，以评估抑制剂对腐蚀过程的抑制效果。RN值的降低和Δtm（温度变化时间）的增加，进一步说明了抑制剂对腐蚀速率的减缓作用。研究发现，三甲氧基抑制剂（BBCH-3）在所有测试的抑制剂中表现出最强的抑制能力，其吸附效果和形成的保护层最为稳定。

### 电化学分析与吸附特性

电化学方法在评估腐蚀抑制剂性能方面发挥了重要作用。通过电位动态极化法（Potentiodynamic Polarization, PDP）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS），研究者能够深入了解抑制剂对腐蚀过程的影响。PDP曲线显示，抑制剂的加入会显著降低腐蚀电流密度（Icorr），同时使腐蚀电位（Ecorr）向更正方向移动，表明抑制剂对阳极和阴极反应均有抑制作用，因此被归类为混合型抑制剂。

EIS分析进一步揭示了抑制剂对金属/电解质界面的影响。通过阻抗谱图，研究者能够观察到电荷转移电阻（Rct）的变化。随着抑制剂浓度的增加，Rct值也相应上升，这表明金属表面的电荷转移过程受到抑制，从而降低了腐蚀速率。同时，电容（Cdl）值的下降反映了抑制剂在金属表面的吸附程度增加，形成更厚的保护层，减少电荷转移的可能性。

### 研究结论与应用前景

综上所述，本研究成功合成了三种双苯基环庚酮杂环衍生物，并通过多种实验手段评估了它们作为碳钢腐蚀抑制剂的性能。实验结果表明，这些化合物在模拟海洋环境中表现出良好的抑制效果，其中BBCH-3（三甲氧基）的抑制效率最高，达到91.5%。这一结果不仅验证了其作为高效抑制剂的潜力，也为未来在石油工业中广泛应用此类化合物提供了科学依据。

此外，研究还揭示了这些化合物的吸附机制。它们能够通过物理吸附或化学吸附的方式附着在金属表面，形成一层保护膜，从而有效阻止腐蚀反应的进行。这种机制不仅依赖于抑制剂的浓度，还受到温度的影响。随着温度的升高，抑制剂的吸附能力下降，导致其抑制效率降低。因此，在实际应用中，需根据环境温度选择合适的抑制剂浓度，以确保最佳的防腐效果。

研究结果表明，这些双苯基环庚酮衍生物具有广泛的工业应用前景。它们不仅能够有效减缓碳钢在腐蚀性环境中的腐蚀速率，还能显著降低铁离子的释放量，延长金属材料的使用寿命。更重要的是，这些化合物的合成过程相对简单，成本较低，且对环境影响较小，符合当前可持续发展的要求。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。例如，实验主要在模拟海洋环境中进行，尚未涉及更复杂的实际工业环境。此外，研究仅评估了抑制剂在特定浓度下的性能，未探讨其在不同浓度梯度下的行为变化。因此，未来的研究可以进一步扩展实验范围，包括在不同pH值、不同盐度和不同离子种类的环境中测试这些化合物的性能。

同时，研究者还可以探索这些化合物与其他类型抑制剂的协同作用，以提高其综合性能。例如，将这些杂环衍生物与其他有机或无机抑制剂结合使用，可能会产生更高效的防腐体系。此外，对这些化合物的长期稳定性进行研究，也有助于评估其在实际应用中的耐久性。

最后，研究者还可以考虑这些化合物的环保性。尽管它们表现出良好的抑制效果，但其对环境的影响仍需进一步评估。通过开发更环保的合成方法和更安全的配方，可以确保这些化合物在实际应用中的可持续性和安全性。

### 实际应用与产业价值

在石油工业中，碳钢被广泛用于管道、储油罐和运输设施的建设。然而，由于其在腐蚀性环境中的易损性，必须采取有效的防腐措施。本研究中合成的双苯基环庚酮杂环衍生物，尤其是BBCH-3，展现出显著的腐蚀抑制能力，这为石油工业提供了新的材料选择。

此外，这些化合物在其他工业领域也可能具有应用价值。例如，在海洋工程、化工设备和建筑结构中，它们可以作为高效的防腐材料，延长设备的使用寿命，减少维护成本。由于其良好的吸附性能和环境友好性，这些化合物有望成为未来防腐材料研发的重要方向。

### 研究的科学意义与贡献

本研究不仅在实验方法上采用了多种先进的分析技术，还通过系统的实验设计，揭示了双苯基环庚酮杂环衍生物的腐蚀抑制机制。这些发现为理解杂环化合物在金属腐蚀防护中的作用提供了新的视角，也为开发新型防腐材料奠定了理论基础。

此外，研究结果还表明，不同取代基对抑制剂性能的影响显著。三甲氧基取代的BBCH-3在所有测试中表现出最佳性能，这可能与其分子结构中更多的甲氧基基团有关。这些基团能够增强分子的极性，提高其在金属表面的吸附能力，从而形成更有效的保护层。

### 总结

综上所述，本研究成功合成了三种双苯基环庚酮杂环衍生物，并通过多种实验方法评估了它们作为碳钢腐蚀抑制剂的性能。实验结果表明，这些化合物在模拟海洋环境中表现出良好的抑制效果，其中BBCH-3的抑制效率最高，达到91.5%。通过分析其吸附机制和电化学行为，研究者进一步揭示了这些化合物在减缓腐蚀过程中的作用方式。

本研究的成果不仅为石油工业提供了新的防腐材料选择，也为其他工业领域中的金属腐蚀防护提供了科学依据。随着对金属材料腐蚀机制的深入研究，这些化合物有望在未来得到更广泛的应用，为提高工业设备的耐久性和安全性做出重要贡献。