基本信息
- 项目名称：
- 酸介质中Gemini表面活性剂对碳钢的吸附缓蚀性能
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本项目根据缓蚀协同效应原理，设计并筛选出了缓蚀性能优越的Gemini表面活性剂和卤离子复配体系，大大减少了Gemini表面活性剂的用量，降低了成本，为Gemini表面活性剂的工业化应用奠定了基础。此外，我们进行了应用实验对实验结论进行了验证，见应用实验展示部分。
- 详细介绍：
- 金属的腐蚀问题普遍存在于日常生活、工农业生产及国防科技等各个方面，与人们的生活、生产密切相关。腐蚀带给人类的是巨大的经济损失和社会危害，世界各国的腐蚀与防护专家普遍认为,如能应用现有的防腐蚀科学知识和技术,因腐蚀而造成的经济损失至少可以降低25% ～30%。由此可见，对金属的腐蚀及其缓蚀研究的重要性和必要性。Gemini表面活性剂分子因其特殊的结构，具有优越的缓蚀性能成为化学界乃至科学界的一个重要研究课题。 目前，国内外运用Gemini表面活性剂作为缓蚀体系的研究并不多见。El Achouri等曾测定一类Gemini表面活性剂14-n-14（n=2,3,4）系列抑制铁在盐酸中的腐蚀情况，结果表明，它们对在1 mol/L盐酸中的金属铁有很好的缓蚀作用，并且随着Gemini浓度的增大缓蚀效果也增大，在其cmc浓度附近达到最大值。国内将季铵盐型Gemini表面活性剂用于钢铁缓蚀方面的研究也于近几年展开。裘灵光等通过失重法对季铵盐型阳离子Gemini表面活性剂在酸介质中缓蚀机理和吸附行为的研究，证明了表面活性剂分子在钢表面的吸附行为符合Langmuir吸附，并给出了Gemini表面活性剂分子在金属表面的吸附行为。黄金营等利用静态失重法、极化曲线、交流阻抗和扫描电子显微镜等方法对一种含杂环双季铵盐化合物在模拟油田水中的缓蚀性能进行了研究等等。 另外，在实际应用中，用酸洗除锈时，酸介质在与锈垢反应的同时，不可避免会与金属基体反应、放热，并产生大量酸雾。但是在酸洗液中加入Gemini表面活性剂，由于其憎水基的作用，在酸洗液的表面形成定向排列的单分子线状膜覆盖层，并利用表面活性剂的发泡作用，抑制酸雾挥发。因此,在酸洗液中加入Gemini表面活性剂，能大大减少金属的腐蚀速度，降低析氢量，达到缓蚀的目的。 但是，目前Gemini表面活性剂分子缓蚀体系的应用非常少见，相关的研究也并不多见。主要是因为Gemini表面活性剂分子的合成工艺复杂，生产成本太高，限制了其在防腐工业中的广泛应用。但通过添加卤离子，可以大大减少Gemini表面活性剂的用量，从而降低了其使用成本，意义十分重大。 在一年多的项目研究中，我们分别采用了失重法和极化曲线法，考察了Gemini表面活性剂（Br-[C13H27COO-N(CH2)3N-OCOC13H27]2+Br-）在0.5 mol/L的硫酸和1 mol/L的磷酸介质中对碳钢的缓蚀行为。 根据本项目研究所得到的结果表明： (1).由于Gemini表面活性剂特殊的结构，在酸介质中，对碳钢具有优异的缓蚀效果。 (2).在缓蚀效率较高的情况下，通过加入一定量的卤离子，可以大大降低Gemini表面活性剂的用量，从而降低其使用成本，有利于工业生产中的批量应用。 为了对实验结论进行验证，我们进行了应用实验，见附件——应用实验展示。
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撰写目的和基本思路
- 目的：研究Gemini表面活性剂及其复配体系的吸附缓蚀性能，选出性能较优越的复配体系,为其在钢铁除锈防腐领域的应用提供指导。 基本思路：1.考察不同腐蚀条件下碳钢在酸介质中的腐蚀速率及缓蚀剂的缓蚀性能。 2.设计新型复配缓蚀体系，并研究其缓蚀协同效应，筛选出缓蚀性能优越的复配体系。 3.运用吸附模型对实验数据进行拟合，研究表面活性剂在碳钢表面的吸附机理。
科学性、先进性及独特之处
- 1.结合工业生产实际，设计出新型Gemini表面活性剂及其复配体系，重点研究了其在硫酸和磷酸腐蚀介质中对碳钢的缓蚀性能和缓蚀协同效应。 2.筛选出缓蚀性能较为优越、使用成本较低的复配缓蚀体系。其中，以卤离子复配体系的效果最佳，因此我们对其进行了比较详细的研究。
应用价值和现实意义
- 在酸洗液中加入Gemini表面活性剂，可大大降低酸介质对金属的腐蚀速度，显示出优越的缓蚀性能，因此在金属腐蚀与防护领域具有广阔的应用前景。 然而，由于Gemini表面活性剂合成成本较高，大大限制了其在工业中的广泛应用。在已有的缓蚀剂中，运用Gemini表面活性剂作为缓蚀体系的并不多,并且相关的研究也不多见。因此将Gemini表面活性剂作为钢铁缓蚀体系并降低其使用成本意义十分重大。
学术论文摘要
- 本研究通过失重法和极化曲线法，考察了阳离子季铵盐型Gemini表面活性剂及其卤离子复配体系对碳钢在硫酸、磷酸腐蚀介质中的缓蚀性能，并对其机理进行研究。结果表明，表面活性剂分子对碳钢在0.5 mol/L的硫酸、1 mol/L的磷酸中具有很好的缓蚀性能。在缓蚀剂浓度很低的情况下，通过加入一定量的卤离子，可以得到较高的缓蚀性能，从而降低其综合应用成本。在酸介质中，Gemini表面活性剂在金属表面的吸附符合Langmuir吸附机理。
获奖情况
- 部分研究成果已于2009年1月在全国性核心刊物、中国科学院金属材料研究所主办的《腐蚀科学与防护技术》上发表，见于2009年第21卷第1期第36-39页 第三届“挑战杯”合锻集团安徽省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Qiu L-G,. Xie A.-J, Shen Y.-H., Chinese Chemical Letter 2003,14: 653-664. [2] 谷宁, 李春梅. 表面活性剂对碳钢的缓蚀作用及与缓蚀剂的协同效应[J]. 表面技术,2003, 32(1): 57 . [3] M. El Achouri, M. R. Infante, F. Izquierdo, S. Kertit, H. M. Gouttaya and B. Nciri. Synthesis of some cationic gemini surfactants and their inhibitive effect on iron corrosion in hydrochloric acid medium [J]. Corrosion Science, 2001, 43: 19-35. [4] Qiu L-G, Xie A-J, Shen Y-H. The adsorption and corrosion inhibition of some cationic gemini surfactants on carbon steel surface in hydrochloric acid [J]. Corrosion Science 2005, 47(1): 273. [5] Qiu L-G, Wu Y. Chapter 6. Corrosion Inhibition of Steel in Acidic Medium by Cationic Gemini Surfactants. In Progress in Corrosion Research [M]. Edited by E. L. Bettini. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2007, pp. 169-196.
同类课题研究水平概述
- El Achouri等曾测定一类Gemini表面活性剂14-n-14（n=2, 3, 4）系列抑制铁在盐酸中的腐蚀情况，结果表明，它们对在1 mol/L盐酸中的金属铁有很好的缓蚀作用，并且随着Gemini浓度的增大其缓蚀效率也增大，在其临界胶束浓度（cmc）附近达到最大值。国内在季铵盐型Gemini表面活性剂在钢铁缓蚀方面的研究也于近几年展开。裘灵光等通过失重法对季铵盐型阳离子Gemini表面活性剂在酸介质中缓蚀机理和吸附行为的研究，证明了表面活性剂分子在钢表面的吸附行为符合Langmuir吸附，并给出了Gemini表面活性剂分子在金属表面的吸附行为。黄金营等利用静态失重法、极化曲线、交流阻抗和扫描电子显微镜等方法对一种含杂环双季铵盐化合物在模拟油田水中的缓蚀性能进行了研究等等。 但是Gemini表面活性剂的合成工艺较复杂，生产成本较高，因此限制了其在防腐中的广泛应用。而且以往的研究多为盐酸体系，盐酸的挥发性较大，不利于工业生产。为此，我们没有继续使用盐酸介质，而是结合工业生产情况选择在硫酸、磷酸腐蚀介质中研究不同浓度Gemini表面活性剂的缓蚀性能，并根据协同效应，配制出阳离子季铵盐型Gemini表面活性剂复配体系，降低其用量，为其工业化应用提供可行的实验方案。
