咪唑啉硫酸酯盐ISES的合成及缓蚀性能研究

梅 平，邹 华，施汉荣，艾俊哲

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

酸化是油田广泛采用的解堵和增产措施[1]，但油田的设备和管线也因此受到了不同浓度或种类酸化体系的严重腐蚀。使用缓蚀剂是解决油田酸化解堵作业过程中腐蚀问题的最经济、有效的方法之一[2]。

咪唑啉类缓蚀剂是含有2个氮原子的五元杂环化合物，其母体结构是咪唑(二氢代咪唑被命名为咪唑啉，其杂环大小与咪唑一致)。咪唑啉类缓蚀剂能够在设备表面形成保护膜，减缓腐蚀速率，延长设备的使用寿命，具有低毒、环保、高效等优点[3～5]，广泛应用于石油天然气工业。

作者以油酸、N-(2-羟乙基)乙二胺为原料合成了1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉(HEAI)，并对其硫酸化后得到咪唑啉硫酸酯盐(ISES)缓蚀剂；采用静态挂片失重法研究了其缓蚀性能。

1 实验

1.1 试剂及仪器

油酸、N-(2-羟乙基)乙二胺、二甲苯、氨基磺酸、尿素、盐酸、无水乙醇、丙酮、氢氧化钠、石油醚、六次甲基四胺。

恒温磁力搅拌电热套、真空干燥箱、电子天平、循环水式真空泵、旋转蒸发器、电动搅拌机、三用恒温水箱、红外光谱仪。

1.2 合成方法

1.2.1 1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉的合成

在接有分水器与冷凝管的三口烧瓶中，加入一定量的油酸和N-(2-羟乙基)乙二胺，并加入二甲苯作为携水剂。电热套加热，同时磁力搅拌，升温至140 ℃时开始回流有水生成，回流2 h后逐渐升温到200 ℃，反应2 h，待分水体积达到理论产水值后，结束反应。用旋转蒸发器减压蒸出大部分溶剂，再在真空干燥箱中将产品中的残余溶剂蒸干，得到深红棕色液体即为中间体HEAI。反应方程式如下：

1.2.2 1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯盐的合成

在烧瓶中加入HEAI、一定量的氨基磺酸，搅拌升温至100 ℃，再加入一定量的尿素作为催化剂，搅拌均匀，95～100 ℃反应1 h。反应混合物逐渐呈膏状、透明，最终得到透明的棕黄色膏状物即为ISES。反应方程式如下：

1.3 缓蚀性能评价

参照SY/T 5405-1996《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价》[6]，采用静态挂片失重法测定50 ℃下、N80钢在质量分数为15%的盐酸中的腐蚀速率，并计算缓蚀率，据此评价中间产物1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉(HEAI)和终产物1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯盐(ISES)的缓蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱表征(图1)

图1中，2924.96 cm-1处为-CH3的伸缩振动吸收峰；2854.22 cm-1处为-CH2-的伸缩振动吸收峰；1608.76 cm-1处为-C=N-的伸缩振动吸收峰，是咪唑啉环的特征吸收峰，说明分子中含有咪唑啉环；1650 cm-1附近有一个较弱的吸收峰， 为C=C的伸缩振动吸收峰，表明了C=C双键的存在；1453.72 cm-1处为-CH2-的反对称弯曲振动吸收峰；1230.68 cm-1处出现了S-O的吸收峰。上述数据与咪唑啉硫酸酯盐的结构相符合，说明该化合物确实为目标产物1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯盐。此外，3500～3100 cm-1附近出现一个中等强度的吸收峰，为胺类的吸收峰，说明产物中含有少量的N-(2-羟乙基)乙二胺。

图1 产物的红外光谱

2.2 缓蚀性能

腐蚀速率与缓蚀剂浓度关系曲线、缓蚀率与缓蚀剂浓度关系曲线见图2。

图2 15%盐酸中不同浓度缓蚀剂对N80钢的缓蚀性能

由图2可以看出，当温度和盐酸质量分数一定时，随着缓蚀剂浓度的增加，N80钢的腐蚀速率逐渐减慢；ISES的缓蚀率变化比较平缓，而HEAI对N80的缓蚀率则逐渐上升；当缓蚀剂浓度达到200 mg·L-1时，N80钢的腐蚀速率和缓蚀剂的缓蚀率趋于稳定，HEAI、ISES的腐蚀速率分别为3.800 g·m-2· h-1、1.169 g·m-2· h-1，缓蚀率分别91.02%、94.88%。

由图2还可以看出，当温度、盐酸质量分数及缓蚀剂浓度一定，若缓蚀剂为中间体HEAI，N80钢的腐蚀速率较快、缓蚀率较低；缓蚀剂为终产物ISES，N80钢的腐蚀速率明显更慢、缓蚀率也明显增大。由此可见，终产物ISES的缓蚀性能明显优于中间体HEAI。

3 结论

(1)以油酸、N-(2-羟乙基)乙二胺、氨基磺酸为原料，采用两步分水法合成了目标产物1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯盐(ISES)，并对其进行了红外光谱表征。

(2)采用静态挂片失重法评价了1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉、1-羟乙基-2-油酸基咪唑啉硫酸酯盐在50 ℃下、15%盐酸中对N80钢的缓蚀性能。结果表明，随着缓蚀剂浓度的增加，N80钢的腐蚀速率逐渐减慢、缓蚀率逐渐上升，且缓蚀剂的浓度达到200 mg·L-1时，N80钢的腐蚀速率和缓蚀剂的缓蚀率趋于稳定，HEAI和ISES的缓蚀率分别为91.02%、94.88%。ISES的缓蚀性能明显优于HEAI。

参考文献：

[1] 梅平,陈武,刘华荣.油气田缓蚀阻垢技术研究与应用[M].北京:石油工业出版社,2011:145-148.

[2] 梁成浩.现代腐蚀科学与防护技术[M].上海:华东理工大学出版社，2007:332-333.

[3] 于建辉,彭乔.咪唑啉型酸洗缓蚀剂的研究现状[J].腐蚀与防护，2003,24(1):473-476.

[4] Rafiquee M Z A，Khan Sadaf，Saxena Nidhi，et al.Investigation of some oleochemicals as green inhibitors on mild steel corrosion in sulfuric acid[J].Appl Electrochem，2009,39(8):1409-1417.

[5] Shanbhag A V，Venkatesha T V，Prabhu R A，et al.Corrosion inhibition of mild steel in acidic medium using hydrazide derivatives[J].Appl Electrochem，2008，38(3):279-287.

[6] SY/T 5405-1996，酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价[S].