复合缓蚀剂在软化水中对低碳钢的协同缓蚀作用_康保生.pdf

第 45 卷 第 3 期（总第 360 期）电 镀 与 精 饰2023 年3 月复合缓蚀剂在软化水中对低碳钢的协同缓蚀作用康保生1，齐 心2，齐千一3，杨红健1*（1.河北工业大学 化工学院，天津 300400；2.承德盛金维保温材料有限公司，河北 承德 067400；3.广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 511442）摘要：采用静态失重法、电化学测试和表面表征技术研究了环境友好型复合缓蚀剂对低碳钢在软化水中的缓蚀作用。结果表明，钼酸钠、硅酸钠、四硼酸钠和葡萄糖酸钠4种单组分缓蚀剂在成本和缓蚀率上都不具有优势，复合缓蚀剂的缓蚀率远高于相同剂量的单组分缓蚀剂。浓度为140 mg/L的复合缓蚀剂在温度50 和浸泡时间72 h条件下的缓蚀率为84.77%。当温度改变后，缓蚀率变化较小，说明复合缓蚀剂具有一定的稳定性。扫描电镜（SEM）表面观察证实了复合缓蚀剂在碳钢表面的腐蚀抑制作用，通过光电子能谱（XPS）分析推测了复合缓蚀剂对腐蚀的抑制机理，从而阐明碳钢表面缓蚀剂的协同保护机制。关键词：复合缓蚀剂；低碳钢；软化水；缓蚀机理中图分类号：TG174.42文献标识码：ASynergistic corrosion inhibition effect of composite corrosion inhibitor on carbonsteel in softened waterKang Baosheng1，Qi Xin2，Qi Qianyi3，Yang Hongjian1*（1.School of Chemical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China；2.Chengde Shengjinwei Thermal Insulation Materials Co.Ltd.，Chengde 067400，China；3.School of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 511442，China）Abstract：The corrosion inhibition effect of environmentally friendly compound corrosion inhibitor on carbon steel in softened water was studied by static weight loss method，electrochemical test and surface characterization.The results show that sodium molybdate，sodium silicate，sodium tetraborate and sodium gluconate have no advantages in terms of cost and inhibition efficiency，and the inhibition efficiency of the composite inhibitor is much higher than that of the single component inhibitor at the same dose.The corrosion inhibition efficiency of the composite inhibitor with concentration of 140 mg/L was 84.77%at the temperature of 50 and soaking time of 72 h.When the temperature changes，the corrosion inhibition efficiency changes little，indicating that the composite corrosion inhibitor has a certain stability.SEM surface observation confirmed the corrosion inhibition effect of the composite corrosion inhibitor on the surface of carbon steel，and XPS analysis was used to speculate the corrosion inhibition mechanism of the composite corrosion inhibitor，so as to clarify the synergistic protection mechanism of carbon steel surface corrosion inhibitor.Keywords：composite corrosion inhibitor；carbon steel；softened water；corrosion mechanismdoi：10.3969/j.issn.1001-3849.2023.03.001 收稿日期：2022-10-20 修回日期：2022-11-08 作者简介：康保生（1998），男，硕士研究生，e-mail： 通信作者：杨红健，博士，副教授，e-mail：1Vol.45 No.3 Serial No.360Plating and FinishingMar.2023碳钢强度高、价格相对便宜且来源广泛，因此被广泛用作锅炉、储罐和管道的结构材料。缓蚀剂因其高抑制效率和易于处理的特点而被应用于减缓碳钢管道的腐蚀1-2。近年来，复合缓蚀剂在软化水中对碳钢的缓蚀行为和缓蚀机理被许多学者研究3-5，而且都取得了较好的效果。钼酸盐作为环境友好型缓蚀剂6，不仅可以促进形成保护性好且稳定的钝化膜，还可以与氯化物竞争优先吸附在碳钢表面，从而减缓腐蚀7，而钼酸盐单独使用时，因其缓蚀效果较差而需要增加用量导致成本高。四硼酸钠对合金具有较好的缓蚀作用8，有研究显示Fe可以与BO阴离子结合形成稳定的结构，从而在碳钢表面形成保护膜9。硅酸盐是一种资源丰富、成本低廉的环保型缓蚀剂10，通常与其他化合物一起使用，以获得所需的缓蚀性能，克服硅酸盐成膜缓慢、多孔膜和硅化等缺陷3。葡萄糖酸钠是一种对低碳钢有效的缓蚀阻垢剂，其对环境和成本友好，并且由于葡萄糖酸盐与碳钢表面的氯离子竞争，其被认为是抑制点蚀的优良材料11。而这4种缓蚀剂的协同缓蚀作用尚未有学者研究，本实验复配了一种新型环保型缓蚀剂，该缓蚀剂在软水介质中能以相对较低的剂量有效抑制碳钢的腐蚀，且弥补了单一组分在碳钢缓蚀上存在的缺陷。1实验1.1材料、试剂和仪器实验用Q235碳钢试样各元素含量（质量分数）为：C（0.120.20）、Si（0.30）、Mn（0.300.70）、S（0.045）、P（0.045）、Cr（0.30）、Ni（0.30）、Cu（0.30）；钼酸钠、四硼酸钠、硅酸钠、葡萄糖酸钠、无水乙醇和丙酮均为分析纯，购买于天津市科密欧化学试剂有限公司。实验用水取自现场软化水，pH值为9.43。CHI760电化学工作站（上海辰华）、万分之一电子天平（瑞士梅特勒-托利多）、扫描电子显微镜（捷克TESCAN MIRA LMS）、K-Alpha X-射线光电子能谱仪（美国赛默飞）、恒温水浴箱（浙江绍兴）。1.2失重测试根据JB/T 70912001金属腐蚀全浸实验方法，试样尺寸50 mm25 mm2 mm，测试前分别用100目200目400目600目金相砂纸逐级打磨，丙酮清洗无水乙醇清洗冷风吹干，吹干的试片用滤纸包好置于干燥器中2 h，温度降至室温后测量表面积（0.01 cm2）并称重（0.1 mg）。50 下将预先称重的碳钢试样浸入不添加和添加缓蚀剂的软化水介质中72 h，试验结束后用超纯水冲洗从介质中取出的试样并用乙醇清洗，然后在室温下干燥后准确称重。实验结果采用三个碳钢试样的平均失重值，腐蚀速率v和缓蚀率可分别由式（1）和式（2）式计算：=8.76107mSTD（1）其中：v表示腐蚀速率（mm/a）；m表示试样质量损失（g）；S表示试样的总表面积（cm2）；T表示试验的时间（h）；D表示材料的密度（kg/m3）。=0-0100%（2）其中：v0和v分别是不含有和含有缓蚀剂时的腐蚀速率（mm/a）。1.3电化学测试电化学实验是在50 的水浴中使用三电极系统进行动电位极化曲线（Tafel）和电化学阻抗谱（EIS）测量。暴露面积为1 cm2的抛光碳钢样品用作工作电极（WE），辅助电极（铂电极）和参比电极（标准甘汞电极）用于三电极系统。先将工作电极浸入测试溶液中1 h，在工作电极达到稳定状态后进行电化学测试。动电位极化曲线区间扫描范围为 300 mV到+300 mV（相对于开路电位），扫描速率1.0 mV/s。EIS 测试频率范围为 0.01 Hz100 kHz，扰动幅度为5 mV。缓蚀率i和e可分别由式（3）和式（4）计算：i=I0corr-IcorrI0corr100%（3）其中：I0corr和Icorr分别表示碳钢在不含有和含有缓蚀剂的溶液中的腐蚀电流密度（A/cm2）。e=Rt-R0tRt100%（4）其中：R0t和Rt分别表示在不含有和含有缓蚀剂的溶液中的极化电阻值（）。1.4表面分析首先将碳钢试样在50 下浸泡于不含和含有复合缓蚀剂的软化水介质中浸泡72 h，然后用超纯水清洗样品，并在N2中干燥。使用扫描电子显微镜观察试样以及抛光碳钢的表面形貌。以 C 1s （284.8 eV）的结合能作为内参比，用X射线光电子2第 45 卷 第 3 期（总第 360 期）2023 年3 月电 镀 与 精 饰能谱分析浸没在缓蚀剂溶液中的样品表面膜的元素组成。2结果与讨论2.1失重实验结果50 软化水中，设置不同的浓度梯度，以缓蚀率为评价标准对四种缓蚀剂做4因素4水平正交试验。结 果 发 现 当 钼 酸 钠 15 mg/L、四 硼 酸 钠 120 mg/L、硅酸钠 100 mg/L 和葡萄糖酸钠 80 mg/L时缓蚀率最高，达87.37%，所以实验条件下4种缓蚀剂最佳复配比为3 24 20 16。按最佳复配比设置浓度40140 mg/L探究了复合缓蚀剂对碳钢缓蚀率的影响，实验结果如图1（a）所示。结果表明随着缓蚀剂浓度的提高，缓蚀率也在逐渐上升，当浓度为140 mg/L时，缓蚀率为84.77%。当浓度为140 mg/L时4种单组分缓蚀剂和复合缓蚀剂的缓蚀率如图1（b）所示。结果显示单组分中四硼酸钠对腐蚀的抑制能力最强，缓蚀率为43.71%，但其远远低于复合缓蚀剂的缓蚀率，这表明复合缓蚀剂具有协同缓蚀作用。图1（c）显示在复合缓蚀剂浓度为140 mg/L时，温度变化对碳钢缓蚀率的影响。当温度改变时，缓蚀率会有略微变化，但整体变化不大，常温下缓蚀率为90.17%，在55 时，缓蚀率仍达到84.52%，即复合缓蚀剂在温度变化时具有稳定性。2.2动电位极化测试50 时碳钢在软水介质中的动电位极化曲线如图2（a）所示，表1显示了对极化曲线拟合所获得的极化参数，使用方程式（3）计算缓蚀剂的缓蚀率。结果表明，随着复合缓蚀剂浓度的不断提高，腐蚀电流密度明显下降，腐蚀速率显著降低，这体现了复合缓蚀剂的协同缓蚀作用。在缓蚀剂作用下，阳极极化斜率和阴极极化斜率都变化明显，表明该复合材料作为混合型缓蚀剂，可以同时延缓金属溶解和阴极过程。图2（b）和表2表明碳钢在添加浓度为140 mg/L复合缓蚀剂的软化水中随温度变化时的动电位极化曲线和极化拟合参数。结果显示随着温度的升高，腐蚀电流密度略微增大，整体上变化不大，表明复合缓蚀剂在温度变化时具有一定的稳定性。2.3电化学阻抗测试通过EIS测试了缓蚀剂对碳钢的缓蚀性在图3（a）缓蚀剂浓度对腐蚀速率和缓蚀率的影响（b）不同缓蚀剂的腐蚀速率和缓蚀率（c）温度变化对腐蚀