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      兩種含氮有機(jī)衍生物對(duì)N80鋼的緩蝕作用研究

      2018-09-10 00:50:00彭為威冉洪順殷劉紅陳燦
      現(xiàn)代鹽化工 2018年6期

      彭為威 冉洪順 殷劉紅 陳燦

      摘? ?要:本實(shí)驗(yàn)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(yīng)來(lái)制備曼尼希堿化合物,并通過(guò)掛片失重法,在稀鹽酸(體積比1∶2)溶液介質(zhì)中,研究不同含氮有機(jī)衍生物對(duì)N80碳鋼片的緩蝕行為。

      關(guān)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(gè)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?jī)烧哐苌锞徫g效果的差異。

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

      1? ? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

      1.1? 曼尼希堿產(chǎn)品的制備

      準(zhǔn)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(biāo)號(hào)為A組,B組。A組依次加入一定量的甲苯(化學(xué)純),肉桂醛(化學(xué)純),水合肼(80%),苯并咪唑(分析純),B組也依次加入甲苯(化學(xué)純),肉桂醛(化學(xué)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(jié)晶,減壓抽濾,在110.15 ℃,低風(fēng)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(píng)價(jià)

      根據(jù)SY/T 5405—1996《酸化用緩蝕劑性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)》中的靜態(tài)失重法評(píng)價(jià)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(yù)熱;用400目砂紙將N80鋼片打磨干凈后,用無(wú)水乙醇洗凈,烘干稱重,記為M0。將N80鋼片懸掛浸沒(méi)在含曼尼希堿的稀鹽酸溶液中1 h后,用無(wú)水乙醇洗凈后烘干稱重,記為M1;計(jì)算N80鋼片在鹽酸溶液(1∶2)中質(zhì)量差,根據(jù)(1)和(2)式計(jì)算腐蝕速率和緩蝕率來(lái)評(píng)價(jià)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(zhì)量,g;M1—腐蝕后N80鋼片的質(zhì)量,g;S—N80鋼片的表面積,m2;T—腐蝕時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

      2.1? 溫度對(duì)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(shí)驗(yàn)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(zhì)的腐蝕速率及緩蝕率的比較。

      溫度在30.15 ℃時(shí),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(huì)隨著增加,兩者腐蝕速率差異也隨之增加,在60.15 ℃時(shí),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(shí),苯并三氮唑衍生物的緩蝕率達(dá)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(shí),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(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析

      N80碳鋼在30.15~60.15 ℃溫度范圍內(nèi)的腐蝕反應(yīng)過(guò)程是一種Arrhenius 反應(yīng),反應(yīng)速率可以用阿倫尼烏斯公式(式3)表示;以1 000/T為橫坐標(biāo),lnv為縱坐標(biāo),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(jìn)行作圖(見(jiàn)圖2);通過(guò)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(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.999 6、0.999 6、0.997 4,都接近1。通過(guò)式(3)計(jì)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(xué)反應(yīng)中,表觀活化能Ea越高,化學(xué)反應(yīng)阻力越大,反應(yīng)速率越慢,通過(guò)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(xué)溫度;Ea—表觀活化能;A—指前因子。

      3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)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(shí),苯并三氮唑衍生物緩蝕率最高,達(dá)到了84.67%,緩蝕劑幾乎覆蓋N80鋼片,且能有限的防護(hù)N80鋼片被酸性溶液腐蝕。同理,在實(shí)際應(yīng)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(shí),緩蝕效果極差。這表明,溫度會(huì)減弱緩蝕劑緩蝕效果,加強(qiáng)鹽酸對(duì)鋼片腐蝕,達(dá)不到預(yù)期緩蝕效果,在應(yīng)用方面,苯并三氮唑衍生物緩蝕劑不適合高溫環(huán)境。

      [參考文獻(xiàn)]

      [1]皇甫健.曼尼希堿海水碳鋼緩蝕劑的制備及其作用機(jī)理研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2012.

      [2]蘇鐵軍,李克華,習(xí)? ?偉,等.一種N-H酸曼尼希堿在鹽酸中對(duì)N80鋼的緩蝕行為[J].油田化學(xué),2015(3):104-109.

      [3]冉洪順,彭為威,殷劉紅.鹽酸中BMAT對(duì)N80鋼的緩蝕作用研究[J].現(xiàn)代鹽化工,2018(4):19-20.

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