油菜葉提取物對金屬鋁的緩蝕作用

許雯婷，董清麗，何玉蘭，張曉晴

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與生命健康學(xué)院，合肥 230011）

鋁是生產(chǎn)生活中較為常見的一種活潑金屬，具有密度小、光潔度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在生活中存在諸多用途，例如航空航天、車輛機(jī)械、化學(xué)工業(yè)等[1]。鋁在空氣中易氧化形成一層氧化鋁薄膜，具有一定程度的耐腐蝕性能，但是在酸性環(huán)境中氧化鋁薄膜會(huì)發(fā)生破裂，進(jìn)而被腐蝕。鋁是一種兩性金屬，會(huì)被堿性介質(zhì)腐蝕[2]。緩蝕劑是一種加入到腐蝕介質(zhì)中能明顯抑制金屬腐蝕的化學(xué)物質(zhì)，只需少量或微量就能達(dá)到顯著的效果，因其具有普適性、成本低、工序簡單等特點(diǎn)，在防腐技術(shù)中應(yīng)用較多[3]?；瘜W(xué)品緩蝕劑具有較好的緩蝕性能、耐酸度、抗高溫的優(yōu)勢，在防腐技術(shù)中應(yīng)用最廣[4]?；瘜W(xué)品緩蝕劑存在毒性大、污染環(huán)境的局限性，因此從植物中提取并制備高效、環(huán)保、可降解的緩蝕劑已成為緩蝕劑領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

油菜屬十字花科蕓薹屬植物，在我國廣泛種植，其葉片中含有大量的黃酮類化合物、生物活性多糖以及其他有效成分，如酚酸類化合物、萜類內(nèi)酯、特種氨基酸、蒽醌類化合物等[5]。但目前關(guān)于其應(yīng)用主要集中在營養(yǎng)成分的研究，而對其應(yīng)用于金屬緩蝕作用方面的研究鮮有報(bào)道。本研究采用失重法研究了油菜葉提取物對金屬鋁在酸性溶液以及堿性溶液的緩蝕作用，并擬合出吸附等溫式，討論了其吸附行為，為進(jìn)一步將油菜葉提取物作為酸性介質(zhì)和堿性介質(zhì)中的植物緩蝕劑的研發(fā)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋁片（上海亮柏貿(mào)易有限公司），規(guī)格20.0 mm×20.0 mm×0.50 mm，其中各化學(xué)元素組成及百分含量分別為Mn 1.0%～1.5%、Si 0.6%，Zn 0.1%、Cu 0.05%～0.2%、Fe 0.7%，其余元素為Al。鹽酸（HCl）、氫氧化鈉（NaOH）、無水乙醇（C2H5OH），純度均為分析純，均購于上海振企化學(xué)試劑有限公司。

FTIR測試儀器為NICOLET iS10紅外光譜儀（美國Thermo Nicolet公司），將少量油菜葉提取物（RLE）粉末研磨均勻，加入KBr混合壓片進(jìn)行測試，測試所選擇的波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 油菜葉提取物的制備及FTIR表征 將新鮮油菜葉分別用清水、蒸餾水清洗晾干水珠后剪碎放入大燒杯中，加入去離子水煮沸4 h后過濾，取濾液繼續(xù)煮沸濃縮至20 mL，將濃縮液在電熱鼓風(fēng)干燥箱中80 ℃恒溫干燥12 h得棕黃色固體，研磨后將棕黃色粉末密封保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 失重法 將鋁片分別用400目、800目、1 200目、2 000目砂紙逐級打磨至鏡面光亮，先用蒸餾水和無水乙醇洗滌，再用蒸餾水清洗，置于干燥箱中烘干后密封保存?zhèn)溆?。然后分別在堿性和酸性環(huán)境中對RLE的緩蝕作用進(jìn)行失重試驗(yàn)。

堿性環(huán)境：將打磨好的鋁片用電子天平稱重后，分別全浸靜置于不含RLE，含0.125、0.250、0.375、0.500、0.625 g/L RLE的1 mol/L NaOH溶液中，恒溫25 ℃浸泡1.5 h后取出，蒸餾水沖洗后用無水乙醇去脂，吹干后稱重，得出鋁片腐蝕浸泡前后的質(zhì)量差（g）。

酸性環(huán)境：將打磨好的鋁片用電子天平稱重后，分別全浸靜置于不含RLE，含0.25、0.50、0.75、1.00、1.25 g/L RLE的1 mol/L HCl溶液中，恒溫25 ℃浸泡1.5 h后取出，蒸餾水沖洗后用無水乙醇去脂，吹干后稱重，得出鋁片腐蝕浸泡前后的質(zhì)量差（g）。

1.2.3 腐蝕形貌觀察 堿性環(huán)境腐蝕形貌觀察：將鋁片表面預(yù)處理后，恒溫25 ℃分別浸于不含RLE，含0.125、0.625 g/L RLE的1 mol/L NaOH溶液中，浸泡1.5 h后取出立即用蒸餾水對鋁片表面進(jìn)行清洗除污，冷風(fēng)吹干后用顯微鏡對鋁片表面形貌進(jìn)行表征。

酸性環(huán)境腐蝕形貌觀察：將鋁片表面預(yù)處理后，恒溫25 ℃分別浸于不含RLE，含0.25、1.25 g/L RLE的1 mol/L HCl溶液中，浸泡1.5 h后取出立即用蒸餾水對鋁片表面進(jìn)行清洗除污，冷風(fēng)吹干后用顯微鏡對鋁片表面形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿性環(huán)境中RLE對鋁的緩蝕作用

2.1.1 失重法測試堿性環(huán)境中RLE對鋁的緩蝕作用 由表1可知，在1 mo/L NaOH溶液中，隨著緩蝕劑RLE濃度增加，緩蝕率ηw不斷增大，緩蝕效果不斷增強(qiáng)。當(dāng)RLE濃度為0.500 g/L時(shí)，緩蝕率超過90%。當(dāng)RLE濃度為0.625 g/L時(shí)，緩蝕率達(dá)到92.85%。綜上，RLE對1mo/L NaOH溶液中金屬鋁的腐蝕有明顯的抑制效果。

表1 1 mol/LNaOH溶液中不同濃度RLE對緩蝕率的影響

2.1.2 表面腐蝕形貌分析堿性環(huán)境中RLE對鋁的緩蝕作用 表面預(yù)處理后的鋁片，恒溫25 ℃在堿性環(huán)境中1.5 h后表面腐蝕形貌如圖1所示。由圖1a可知，在不含RLE的1 mo/L NaOH溶液中，鋁片試樣表面凹凸不平，表明發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕；由圖1b可知，在堿性溶液中加入0.125 g/L RLE后，鋁片表面變得平整，表明加入RLE后，由于緩蝕劑的存在，減緩了NaOH對鋁的腐蝕；由圖1c可知，加入RLE的濃度增加到0.625 g/L時(shí)，鋁片腐蝕程度更低，說明堿性環(huán)境下，RLE對金屬鋁的緩蝕效率隨著濃度的增加而增大。

圖1 堿性溶液中鋁表面腐蝕形貌表征

2.2 酸性環(huán)境中RLE對鋁的緩蝕作用

2.2.1 失重法測試酸性環(huán)境中RLE對鋁的緩蝕作用 由表2可知，隨著緩蝕劑RLE濃度增加，緩蝕率ηw不斷增大，緩蝕效果不斷增強(qiáng)。當(dāng)RLE濃度為1.25 g/L時(shí)，緩蝕率超過90%。綜上，RLE對1mo/L HCl溶液中金屬鋁的腐蝕有明顯的抑制效果。

表2 1 mol/L HCl溶液中不同濃度RLE對緩蝕率的影響

2.2.2 表面腐蝕形貌分析酸性環(huán)境中RLE對鋁的緩蝕作用 表面預(yù)處理后的鋁片，恒溫25 ℃在酸性環(huán)境中1.5 h后腐蝕表面形貌如圖2所示。由圖2a可知，在不含RLE的1 mo/L HCl溶液中，鋁片試樣表面凹凸不平，表明發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕；由圖2b可知，在酸性溶液中加入0.25 g/L RLE后，鋁片表面變得平整，表明RLE對鋁在HCl溶液中的腐蝕抑制作用良好；由圖2c可知，加入RLE的濃度增加到1.25 g/L時(shí)后，鋁片腐蝕程度更低，說明酸性環(huán)境下，RLE對金屬鋁的緩蝕效率隨著濃度的增大而增大。

圖2 酸性溶液中鋁表面腐蝕形貌表征

2.3 紅外光譜分析

由圖3可知，3 414.35 cm-1處有一個(gè)強(qiáng)吸收寬峰，為羧基-COOH伸縮振動(dòng)和OH伸縮振動(dòng)2個(gè)峰的疊加；2 938.02 cm-1處為亞甲基-CH2不對稱伸縮振動(dòng)[6]；1 616.05 cm-1處為強(qiáng)而尖的吸收峰對應(yīng)附近為C=O伸縮振動(dòng)[7]；1 383.67 cm-1處為C-H的各種面內(nèi)彎曲振動(dòng)[8]；1 077.05 cm-1處為C-O-C的反對稱伸縮振動(dòng)[6]；1 000 cm-1以下的吸收峰為苯環(huán)或雜芳環(huán)的取代指紋區(qū)[9]。紅外分析結(jié)果表明，RLE中含有大量氧原子功能性基團(tuán)（-COOH、O-H、C=O、C-O），即油菜葉提取物中含有大量O原子，O原子的孤對電子可與Al的空p軌道發(fā)生配位作用而吸附在Al的表面，從而形成腐蝕抑制膜層，進(jìn)而有效抑制Al腐蝕，所以RLE在對Al腐蝕起到了良好的緩蝕作用[10]。

圖3 油菜葉提取物的紅外光譜

2.4 油菜葉提取物在鋁片表面的吸附模型

為探究RLE在鋁片表面的吸附作用，對失重法試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行吸附等溫式擬合，發(fā)現(xiàn)Langmuir吸附等溫式擬合線性相關(guān)最好，在堿性溶液中擬合結(jié)果如圖4所示，在酸性溶液中擬合結(jié)果如圖5所示，Langmuir吸附等溫線和吸附熱力學(xué)參數(shù)如表3所示。Langmuir吸附等溫式擬合公式為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能ΔGθ=-RT1n(1×103K) 。式中，c為RLE濃度（g/L）；K為吸附平衡常數(shù)（L/g）；θ為表面覆蓋度，可用緩蝕率ηw代替；R為氣體常數(shù)（8.314 KJ/mol）；T為熱力學(xué)溫度（K）[11]。

圖4 1 mol/L NaOH溶液中Langmuir吸附等溫線

圖5 1 mol/L HCl溶液中Langmuir吸附等溫線

表3 Langmuir吸附等溫線和吸附熱力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

油菜葉提取物（RLE）對HCl溶液或NaOH溶液中浸泡的金屬鋁具有明顯的緩蝕作用，緩蝕率隨著RLE濃度增加而增加，在NaOH溶液中RLE濃度為0.625 g/L時(shí)緩蝕率達(dá)到92.85%，在HCl溶液中RLE濃度為1.25 g/L時(shí)緩蝕率達(dá)到90.03%。在HCl溶液或NaOH溶液中，油菜葉提取物對金屬鋁的吸附均符合Langmuir吸附等溫方程，吸附過程為物理吸附和化學(xué)吸附相結(jié)合的吸附過程。