鹽酸中BMAT對N80鋼的緩蝕作用研究

冉洪順 彭為威 殷劉紅

摘 要：本文以苯甲醛、苯胺、苯并咪唑為原料，采用三組分“一鍋法”Mannich反應來制備苯并咪唑類化合物（BMAT），并通過掛片失重法研究了BMAT在1：2的鹽酸介質溶液中對N80碳鋼掛片的緩蝕行為。研究結果表明：加入BMAT可減弱鹽酸對N80碳鋼掛片的腐蝕，在32℃，BMAT濃度為0.75 mmol/L時，緩蝕率可達到88.92%。

關鍵詞：苯并咪唑；N80鋼：緩蝕；失重法

苯并咪唑是一種雜環化合物，分子中含有兩個N，在酸性介質中能以適當的濃度和形態存在并防止或減緩金屬的腐蝕。由于苯并咪唑具有減弱金屬被酸性介質腐蝕的效果，因此，在金屬腐蝕與防護領域里BMAT對金屬緩蝕作用的研究也十分活躍。

掛片失重法多被應用于金屬腐蝕與防護的研究領域中，其原理是將掛片置于一定濃度且能腐蝕金屬的介質中，在一定時間后取出掛片測量其損失質量，并根據質量差計算腐蝕速率。本實驗通過在不同溫度的鹽酸介質中加入不同質量的BMAT，并采取掛片失重法研究了不同濃度的BMAT在不同溫度的鹽酸介質中對N80的緩蝕作用，并討論了BMAT在N80上的吸附行為以及對腐蝕動力學的影響。BMAT的合成方程式如下：

1 實驗

1.1苯并咪唑類化合物的合成

向配有電磁攪拌恒溫水浴鍋、球型回流冷凝管、磁石的三頸燒瓶中，依次加入一定量的苯并咪唑、甲苯、苯甲醛、苯胺，在62℃下水浴并攪拌1-2h后呈現一種淺橙色透明液體，然后換成電熱套加熱，回流分水2h，得到淡黃色透明液體，其中有效成分為BMAT。將溶液靜置冷卻，待晶體析出沉淀后采用減壓抽濾得到產品，干燥后收集于棕色試劑瓶中待用。

1.2腐蝕評價方法

參照SY/T 5405-1996《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》中的靜態失重法評價BMAT的緩蝕性能。評價步驟：分別配置一定濃度的鹽酸（1：2），含不同濃度緩蝕劑的鹽酸溶液作為腐蝕介質，用400目的砂紙將N80鋼片打磨光滑后，用無水乙醇洗凈，吹干稱重，保存于干燥器中待用。將N80碳鋼掛片分別置入32℃、42℃、52℃、62℃下含不同濃度緩蝕劑BMAT的鹽酸介質中，1h后取出掛片，用棉球擦洗，無水乙醇擦拭，吹干后稱量掛片在1：2鹽酸介質中損失的質量。最后通過式（1）和式（2）所計算得到的腐蝕速率和緩蝕率來評價BMAT的緩蝕性能。

式（1）中，v為腐蝕速率[g/ （m2·h）]，W0和W分別為腐蝕前和腐蝕后的掛片質量（g），S為掛片表面積（m-2），t為腐蝕時間（h）。

式（2）中，η為緩蝕率，v0和v分別為未加緩蝕劑以用加入緩蝕劑后的腐蝕速率。

2 結果與討論

2.1緩蝕劑濃度對緩蝕效果的影響

圖1是在溫度為32℃、42℃，鹽酸濃度為l：2條件下，未加緩蝕劑和加入不同質量緩蝕劑對N80的腐蝕情況，通過式（1）和式（2）可計算出腐蝕速率和緩蝕速率。從圖l可見，當緩蝕劑濃度為0.08 mmol/L時，溫度為32℃條件下，腐蝕速率從未加緩蝕劑時的5904.41 g/（m2·h）下降到了3551.47 g/（m2·h），這時的緩蝕率為39.85%；而當緩蝕劑濃度為0.75 mmol/L時，溫度為42℃條件下，腐蝕速率則下降到了654.41 g/（m2·h），這時的緩蝕率為88.92%。同一溫度下，繼續增大緩蝕劑濃度時，腐蝕速率隨之下降，緩蝕率上升。當緩蝕劑濃度達到2.51 mmol/L時，緩蝕率為91.66%，在此基礎上繼續將緩蝕劑濃度提高到3.5 mmol/L時，緩蝕率也繼續上升，但上升的趨勢己明顯變緩。這表明當緩蝕劑濃度為0.75 mmol/L時，N80表面己基本被BMAT覆蓋。

2.2鹽酸介質溫度對緩蝕效果的影響

在32℃、42℃、52℃、62℃下，分別放入裝有鹽酸濃度為15%、緩蝕劑濃度為0.75 mmol/L的磨口錐形瓶進行恒溫水浴，將處理好的N80懸空置入鹽酸介質后蓋上瓶塞，1h后取出N80，擦洗、吹干、稱重后通過式（1）和式（2）計算出相應的腐蝕速率和緩蝕率（見圖2）。從圖3可見，隨著溫度的升高，腐蝕速率曲線明顯上升，未加緩蝕劑的腐蝕速率曲線位置也明顯高于緩蝕劑質量濃度為0.75 mmol/L的腐蝕速率曲線。其中32℃時的腐蝕速率為5904.41 g/（m2·h），而當溫度達到62℃時，腐蝕速率上升到了36147.06 g/（m2·h），這表明溫度對腐蝕速率曲線走勢影響極大，隨著溫度的升高，會加強鹽酸介質溶液對N80的腐蝕作用。當鹽酸介質溶液中的緩蝕劑濃度為0.75 mmol/L時，腐蝕速率曲線位置明顯下降，曲線走勢也明顯平緩。這表明在鹽酸介質溶液中加入定量緩蝕劑會明顯降低溫度升高對腐蝕速率帶來的影響。

2.3緩蝕劑對腐蝕反應動力學的影響

N80在32～62℃溫度范圍內的腐蝕反應過程可以認為是一種經典的Arrhenius反應過程，反應速率可用下式表示：

式中：Ea為表觀活化能，A為指前因子，v為腐蝕速率，R為摩爾氣體常量：T為熱力學溫度。將式（3）兩邊取對數，以1nv為縱坐標，100～T為橫坐標，選擇加入緩蝕劑0.75 mmol/L和未加緩蝕劑兩組數據作為對照，將1nv和1OOO/T計算出的數據點進行線性擬合，就可得到相應的趨勢線方程。再由趨勢線方程斜率和截距可分別計算出腐蝕反應的Ea和A。通過圖3可以看出空白組和添加0.75 mmol/L緩蝕劑線性擬合的復相關系數分別為0.9573和0.9975都接近于l。通過式（3）計算得出，空白組下的表觀活化能Ea=54.46 kJ/mol，添加0.75 mmol/L緩蝕劑時的表觀活化能Ea=106.68 kJ/mol。在化學反應過程中，Ea越高，表明化學反應阻力越大，反應速率越慢，加入0.75 mmol/L緩蝕劑的Ea明顯高于空白組，此時緩蝕劑提高了腐蝕反應過程的活化能，腐蝕不易進行，N80表面吸附的緩蝕劑阻礙了反應的進行，起到了一定的緩蝕作用。

3 結語

（1）在32℃下，緩蝕劑濃度為0.75 mmol/L時，緩蝕劑BMAT在鹽酸介質中對N80有一定的緩蝕作用，緩蝕效率可達88.92%，進一步增大緩蝕劑質量也會提高緩蝕率，但趨勢比較平緩，在實際應用中則可選用0.75 mmol/L。（2）在鹽酸介質中加入定量緩蝕劑時，腐蝕反應活化能從未加緩蝕劑的54.46 kJ/mol提高到加入緩蝕劑濃度為0.75 mmol/L的106.68 kJ/mol，有效地防護了N80被鹽酸介質溶液腐蝕。

[參考文獻]

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