兩種含氮有機衍生物對N80鋼的緩蝕作用研究

彭為威 冉洪順 殷劉紅 陳燦

摘? ?要：本實驗采用肉桂醛、水合肼、以及苯并咪唑（Benzimidazole）、苯并三氮唑（BTA）等仲胺為原料，采用三組分“一鍋法”Mannich反應來制備曼尼希堿化合物，并通過掛片失重法，在稀鹽酸（體積比1∶2）溶液介質中，研究不同含氮有機衍生物對N80碳鋼片的緩蝕行為。

關鍵詞：曼尼希堿;緩蝕;N80鋼;失重法

苯并咪唑（Benzimidazole）與苯并三氮唑（BTA）是一類重要的雜環(huán)化合物，分子中含均有一個仲胺基，具有很高分子活性，是目前制備藥物重要的原料。兩者均具有在酸性環(huán)境下以低濃度存在防止和緩蝕金屬腐蝕的效果，因此，研究兩者衍生物緩蝕效果的差異。

Mannich反應也稱安甲基化反應，是一德國化學家Carl Ulvich Franz Mannich的名字命名而來。Mannich反應是3種組分的不對稱縮合反應，一般是含有活潑氫原子的酮，伯胺及仲胺反應生成β-胺基酮的反應。Mannich反應的產(chǎn)物主要應用于緩蝕劑、醫(yī)學和高分子等精細化工產(chǎn)品。

1? ? 實驗內(nèi)容

1.1? 曼尼希堿產(chǎn)品的制備

準備兩套恒溫水浴加熱裝置（電磁攪拌恒溫水浴鍋，球形冷凝管，磁石，三頸燒瓶），標號為A組，B組。A組依次加入一定量的甲苯（化學純），肉桂醛（化學純），水合肼（80%），苯并咪唑（分析純），B組也依次加入甲苯（化學純），肉桂醛（化學純），水合肼（80%），苯并三氮唑（分析純）。A、B兩組在66.15 ℃下水浴加熱并攪拌2 h后呈現(xiàn)出透明液體。兩組換成電熱套加熱并回流分水1 h后。冷卻結晶，減壓抽濾，在110.15 ℃，低風速的干燥箱中干燥到A、B兩組曼尼希堿產(chǎn)品，收集至棕色試劑瓶中待用。

1.2? 曼尼希堿產(chǎn)品的評價

根據(jù)SY/T 5405—1996《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》中的靜態(tài)失重法評價曼尼希堿產(chǎn)品的緩蝕性能。步驟如下：將濃鹽酸（ρ=1.19 g/mL）與水按體積比為1∶2稀釋足夠的量，冷卻待用;研磨上述產(chǎn)品，稱取約1.000 0 g與稀鹽酸溶液配成1 L溶液，濃度為3.77 mmol/L，將溶液分別盛入帶有玻璃塞的磨口錐形瓶（200 mL）中，分別放入30.15 ℃，40.15 ℃，50.15 ℃，60.15 ℃的水浴鍋中預熱;用400目砂紙將N80鋼片打磨干凈后，用無水乙醇洗凈，烘干稱重，記為M0。將N80鋼片懸掛浸沒在含曼尼希堿的稀鹽酸溶液中1 h后，用無水乙醇洗凈后烘干稱重，記為M1;計算N80鋼片在鹽酸溶液（1∶2）中質量差，根據(jù)（1）和（2）式計算腐蝕速率和緩蝕率來評價兩組產(chǎn)品的緩蝕性能。

（1）

（1）式中：v—腐蝕速率，g/（m2·h）;M0—腐蝕前N80鋼片的質量，g;M1—腐蝕后N80鋼片的質量，g;S—N80鋼片的表面積，m2;T—腐蝕時間，h。

（2）

（2）式中：μ—緩蝕率，%;v0—未加緩蝕劑的腐蝕速率，g/（m2·h）;v—加緩蝕劑的腐蝕速率，g/（m2·h）。

2? ? 實驗結果

2.1? 溫度對緩蝕作用的影響

圖1是苯并三氮唑衍生物組，苯并咪唑衍生物組及未加緩蝕劑的空白組3組實驗在30.15 ℃，40.15 ℃，50.15 ℃，60.15 ℃的緩蝕劑濃度為3.77 mmol/L稀鹽酸（1∶2）環(huán)境介質的腐蝕速率及緩蝕率的比較。

溫度在30.15 ℃時，苯并三氮唑衍生物，苯并咪唑的腐蝕速率分別為1.582 7 g/（m2·h），4.681 5 g/（m2·h），兩者相差3.098 5 g/（m2·h），均小于空白組腐蝕速率10.312 5 g/（m2·h）。隨著溫度的上升，腐蝕速率也會隨著增加，兩者腐蝕速率差異也隨之增加，在60.15 ℃時，苯并三氮唑衍生物腐蝕速率為49.866 3 g/（m2·h），低于苯并咪唑的61.744 7 g/（m2·h）。溫度在30.15 ℃時，苯并三氮唑衍生物的緩蝕率達到84.67%，苯并咪唑衍生物卻只有54.64%，隨著溫度的升高，緩蝕率隨之下降，在60.15 ℃時，苯并三氮唑衍生物的緩蝕率下降到了33.08%，苯并咪唑衍生物的緩蝕率下降到了17.14%。

2.2? 腐蝕反應的動力學分析

N80碳鋼在30.15～60.15 ℃溫度范圍內(nèi)的腐蝕反應過程是一種Arrhenius 反應，反應速率可以用阿倫尼烏斯公式（式3）表示;以1 000/T為橫坐標，lnv為縱坐標，根據(jù)苯并三氮唑衍生物，苯并咪唑衍生物及未加緩蝕劑的空白組的數(shù)據(jù)進行作圖（見圖2）;通過圖2可以得到苯并三氮唑衍生物組，苯并咪唑衍生物組及未加緩蝕劑的空白組的復相關系數(shù)分別為0.999 6、0.999 6、0.997 4，都接近1。通過式（3）計算，苯并三氮唑衍生物組的表觀活化能Ea=3.89 J/mol，苯并咪唑衍生物組的表觀活化能Ea=3.41 J/mol及未加緩蝕劑的空白組的表觀活化能Ea=2.70 J/mol。在化學反應中，表觀活化能Ea越高，化學反應阻力越大，反應速率越慢，通過比較，兩組衍生物的Ea高于空白組，且苯并三氮唑衍生物組的表觀活化能Ea略高于苯并咪唑衍生物組的表觀活化能Ea。

（3）

（3）式中：v—腐蝕速率，%;R—摩爾氣體常量;T—熱力學溫度;Ea—表觀活化能;A—指前因子。

3? ? 實驗結論

在緩蝕劑濃度為3.8 mmol/L的稀鹽酸（體積比1∶2）溶液介質中，苯并三氮唑衍生物，苯并咪唑衍生物均具有緩蝕效果，但苯并三氮唑衍生物緩蝕效果優(yōu)于苯并咪唑衍生物。溫度在30.15 ℃時，苯并三氮唑衍生物緩蝕率最高，達到了84.67%，緩蝕劑幾乎覆蓋N80鋼片，且能有限的防護N80鋼片被酸性溶液腐蝕。同理，在實際應用方面，室溫酸性環(huán)境下優(yōu)先選用苯并三氮唑衍生物。隨著溫度升高緩蝕率隨之下降，苯并三氮唑衍生物的緩蝕率下降到了33.08%，苯并咪唑衍生物的緩蝕率下降到了17.14%，此時，緩蝕效果極差。這表明，溫度會減弱緩蝕劑緩蝕效果，加強鹽酸對鋼片腐蝕，達不到預期緩蝕效果，在應用方面，苯并三氮唑衍生物緩蝕劑不適合高溫環(huán)境。

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