油酸咪唑啉季銨鹽合成及其復(fù)配劑緩蝕抑霧性能研究

龐宏磊，崔廣華

(華北理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

目前，鹽酸是應(yīng)用最廣泛的酸洗介質(zhì)，具有酸洗容量大、速度快、不產(chǎn)生清脆、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)鋼鐵表面處理的各種行業(yè)[1]。但是鹽酸易造成金屬過度酸洗，易揮發(fā)，造成酸洗現(xiàn)場酸霧彌漫，尤其高溫酸洗現(xiàn)場，情況更為嚴(yán)重，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害人體健康[2]。

為解決這個(gè)難題，實(shí)驗(yàn)通過有機(jī)合成方法，采用油酸、二乙烯三胺及氯化芐合成得到油酸咪唑啉季銨鹽[3-5]。并結(jié)合表面活性劑的協(xié)同效應(yīng)原理，進(jìn)行油酸咪唑啉季銨鹽與烏洛托品、1,4-丁炔二醇、葡萄糖酸鈉、OP-10的復(fù)配實(shí)驗(yàn)以研究其緩蝕和抑霧性能，并確定該復(fù)配藥劑的最佳使用濃度[6]。

1 材料與方法

1.1 儀器和藥品

油酸、二乙烯三胺、氯化芐、烏洛托品、1,4-丁炔二醇、葡萄糖酸鈉，OP-10，鹽酸等。電子天平、電子恒溫水箱、A3鋼試片、簡易酸霧測定裝置、磁力攪拌恒溫電熱器、三頸燒瓶、蒸餾頭、直型冷凝管、尾接管、250℃溫度計(jì)、100℃溫度計(jì)等。

1.2 咪唑啉的制備

稱取一定質(zhì)量油酸放入三頸燒瓶中，加入一定量的三乙烯四胺，搖勻，裝好溫度計(jì)，用加熱套加熱，組裝好蒸餾裝置。在100～120 ℃下預(yù)熱1 h，之后升溫至180 ℃下反應(yīng)1 h，再升溫至210 ℃，反應(yīng)2 h，有水蒸出，說明反應(yīng)已成環(huán)，得到咪唑啉。常溫冷卻。

1.3 咪唑啉的季銨化

將合成得到的油酸咪唑啉加入一定量的氯化芐和無水乙醇，在80～90 ℃下回流2h，得到油酸咪唑啉季銨鹽。

1.4 緩蝕試驗(yàn)和抑霧試驗(yàn)方法

用A3鋼試片烘干后稱重，放入60℃的除銹劑中浸4 h后，用水洗凈，吹干，稱重，按失重法求出腐蝕速率和緩蝕率：腐蝕速率=(M1-M2)/(S×t)，式中M1為試片實(shí)驗(yàn)前質(zhì)量，g；M2為試片試驗(yàn)后質(zhì)量，g；S為試片的面積，cm2；t為腐蝕時(shí)間，h。緩蝕率=(V1-V2)/V1×100%,式中V1為未加藥劑時(shí)的腐蝕速率，g/(m2×h);V2為加藥劑時(shí)腐蝕速率，g/(m2×h)。

用大氣采樣器采集酸液上方的空氣，通過NaOH溶液吸收，再用中和滴定法測量出氣體樣品中的酸含量，計(jì)算抑霧率：抑霧率=(V1-V0)/(V2-V0)×100%。

1.5 藥劑用量探測實(shí)驗(yàn)

1)配制20%鹽酸溶液，60℃下依次加入油酸咪唑啉季銨鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%、0.03%、0.05%、1%、2%、3%、不加藥劑的空白組。

2)用油酸咪唑啉季銨鹽與烏洛托品、1,4-丁炔二醇、葡萄糖酸鈉、OP-10按比例10∶3∶1∶1∶2復(fù)配，配制20%鹽酸溶液，60℃下依次加入油酸咪唑啉季銨鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%、0.03%、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、不加藥劑的空白組。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成苯甲酸咪唑啉季銨鹽的基本物理性質(zhì)

表1 合成油酸咪唑啉季銨鹽基本物理性質(zhì)

2.2 油酸咪唑啉季銨鹽不同加藥濃度的數(shù)據(jù)及分析

不同加藥量的實(shí)驗(yàn)組對比空白組均有很好的緩蝕效果，通過表2中數(shù)據(jù)分析0.1%為最優(yōu)加藥量。開始隨著加藥量的增加，緩蝕率由低到高變化。但當(dāng)超過0.1%時(shí)，緩蝕率出現(xiàn)下降趨勢。這是由于加藥量在0.1左右時(shí)，油酸咪唑啉季銨鹽分子在鋼片表面形成了一層致密均勻的吸附膜，對鋼片的保護(hù)作用顯著。而當(dāng)加藥量超過這個(gè)最佳加藥濃度時(shí)，由于分子之間的排斥作用和溶劑化作用，使一些藥劑分子從鋼片表面脫附。另外，由于藥劑量過多使油酸咪唑啉季銨鹽分子在鋼片表面形成薄厚不等的吸附膜，在腐蝕過程中，這些成膜不均的吸附區(qū)域形成原電池效應(yīng)以電化學(xué)腐蝕的方式加速腐蝕反應(yīng)進(jìn)行，造成緩蝕效率降低。

表2 油酸咪唑啉季銨鹽在不同加藥濃度下的緩蝕率及抑霧率數(shù)據(jù)

2.3 復(fù)配劑不同加藥濃度的數(shù)據(jù)及分析

通過表3與表2中緩蝕率和抑霧率數(shù)據(jù)對比分析，復(fù)配后使用比油酸咪唑啉季銨鹽單獨(dú)使用時(shí)緩蝕性能和抑霧性能均有較大程度提高，各組分間產(chǎn)生正協(xié)同效應(yīng)。同時(shí)非離子表面活性劑OP-10的加入入使在酸液表面形成1 cm左右的穩(wěn)定泡沫層，大大降低了酸氣溢出，但是OP-10的加量要嚴(yán)格控制，入加過量會造成大量高溫酸液泡沫溢出容器，酸洗作業(yè)無法進(jìn)行。從表3中復(fù)配劑各濃度的緩蝕率和抑霧率數(shù)據(jù)來看，從綜合成本因素得出第5組0.1%最為合理，緩蝕率達(dá)到99.75%，抑霧率88.61%。

表3 復(fù)配劑在不同加藥濃度下的緩蝕率及抑霧率數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

(1)油酸咪唑啉季銨鹽有很好的緩蝕抑霧作用，在60℃ 20%HCl中溶液中最佳加藥濃度為0.1%，緩蝕率99.57%，抑霧率78.37%。

(2)油酸咪唑啉季銨鹽、烏洛托品、1,4-丁炔二醇、葡萄糖酸鈉、OP-10有協(xié)同作用，可不同程度的提高緩蝕率和抑霧率。

(3)復(fù)配劑(油酸咪唑啉季銨鹽與烏洛托品、1,4-丁炔二醇、葡萄糖酸鈉、OP-10比例為10∶3∶1∶1∶2)加藥量為0.1%時(shí)，緩蝕率達(dá)到99.75%，抑霧率達(dá)到88.61%。該配方通過了酸洗廠的上機(jī)實(shí)驗(yàn)，促酸洗、廢酸處理等各方面指標(biāo)滿足生產(chǎn)需求且成本較低，可在酸洗行業(yè)推廣使用。