一种咪唑基离子液体在硫酸介质中对碳钢的缓蚀性能研究

余绒绒，杨 红，吴彩霞,罗 成，李坤豪，郭 雷

(铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

盐酸被广泛应用于锅炉及其它金属设备化学清洗。但在酸洗过程中，金属材料(比如碳钢)往往会遭受不同程度的腐蚀，这不仅仅带来了巨大的经济损失，还会对环境造成严重的污染。近年来，表面涂层、添加缓蚀剂、电化学保护等诸多方法被广泛开发应用到金属防腐领域[1]。其中，添加缓蚀剂具有方便快捷、价格低廉等优点而备受人们青睐[2]。随着国家对环保要求的不断提升，一些有毒害的无机型缓蚀剂逐渐被限制使用，开发绿色环境友好型有机缓蚀剂是未来的发展方向。据调查，一些含有未配对电子元素、不饱和键或形成共轭体系的有机化合物可作为有效的缓蚀剂候选物，他们可在金属表面通过物理化学吸附作用自组装形成防腐膜层，阻挡腐蚀介质粒子的进攻，从而保护金属[3]。离子液体具有电化学窗口宽、溶解性好、可使用温度范围广等特点，可成为一种新型绿色化学缓蚀剂，尤其是离子液体自身的阴离子(如I-、Br-)在金属表面的特性吸附作用可进一步增强其自身缓蚀性能[4]。本研究采用电化学测试手段，评价了一种咪唑基离子液体在硫酸介质中对碳钢的缓蚀性能。

1 实验部分

1.1 实验材料

1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐购自于阿拉丁化学试剂有限公司。碳钢试样切割3cm×2cm×1cm的长方体作为工作电极。腐蚀介质为0.5 M H2SO4溶液，由浓度为98%的浓硫酸稀释而成。碳钢电极在进行测试前，依次通过200#、400#、600#、800#、1200#的砂纸打磨至光亮，随后去离子水冲洗，在无水乙醇溶液中超声清洗后，放在干燥器里备用。

1.2 电化学测试

电化学测试采用传统三电极体系，在RST5000电化学工作站上进行。工作电极为碳钢电极，辅助电极为铂片电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。首先进行开路电位测试，时间为5400秒，确保体系到达准稳态；其次进行交流阻抗测试，在开路电位上施加振幅为10 mV的正弦交流信号作为干扰信号，测定的频率范围为100kHz到10mHz，采用ZsimpWin软件对阻抗数据进行拟合分析；最后进行塔菲尔极化曲线测试，测量范围为开路电位±250 mV，扫描速度为1 mV/s，腐蚀电流密度由外推法获得。

2 结果与讨论

2.1 交流阻抗测试分析

图1为碳钢电极在0.5 M 硫酸溶液中添加不同浓度的1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐的Nyquist图。由图可以看出，缓蚀剂的加入显著改变了阻抗反应，高频部分为半椭圆形容抗弧，低频部分为呈现出小的感抗弧，低频下电极的腐蚀过程由腐蚀产物在电极表面的扩散以及粒子吸脱附过程所控制。随着缓蚀剂浓度的增加，容抗弧的直径也增大，这意味着高频区腐蚀过程主要由电荷转移步骤控制[5]。

图2 EIS图谱拟合采用的等效电路图

根据阻抗谱图的特征，采用图2所描绘等效电路图对阻抗数据进行拟合分析。其中，Rs为溶液电阻，Rct代表电荷转移电阻，RL为感抗电阻，CPE为常相位角元件，可替代碳钢表面的双电层电容(Cdl)。双电层电容和缓蚀效率可分别采用如下的计算公式获得：

(1)

(2)

上式中，角频率ω特指在阻抗谱中阻抗虚部最大时的角频率，Rct,0和Rct分别为碳钢电极在空白溶液和含缓蚀剂的溶液中的电荷转移电阻。由表1可以看出，随着缓蚀剂浓度不断增加，Rct值逐渐变大，这意味着腐蚀反应的阻力变大，当缓蚀剂浓度为7mM时，缓蚀效率最佳为95.5%。我们也可以看出双电层电容Cdl的值呈下降趋势，这是因为随着缓蚀剂分子在碳钢/溶液界面的吸附，形成了吸附膜，从而致使了吸附层的介电常数减小或者双电层厚度的增加[6]。

表1 碳钢在未添加和添加不同浓度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐的0.5 M H2SO4溶液中的阻抗谱参数

2.2 塔菲尔数据分析

图3为碳钢电极在含有不同浓度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐的0.5 M H2SO4溶液中的动电位极化曲线。不难看出，与空白溶液相比，添加缓蚀剂后极化曲线整体下移，腐蚀电流密度明显降低，表明缓蚀剂对腐蚀过程的阳极金属溶解及阴极析氢反应均有抑制作用，且随着缓蚀剂浓度的升高抑制作用增强。由表2数据可以看出，添加缓蚀剂前后阴极极化曲线呈现平行分布，阴极塔菲尔斜率(βc)值变化不大，这说明缓蚀剂的加入并没有改变析氢过程的反应机制[7]。我们还可以看出，所研究的离子液体的加入使腐蚀电位的偏移值均小于85 mV，因为亦可判定其为混合抑制型缓蚀剂[8]。缓蚀效率的计算采用如下的公式：

(3)

其中，Icorr,0和Icorr分别为添加缓蚀剂前后碳钢电极的腐蚀电流密度。由表2可以得出，当缓蚀剂浓度达到7 mM时，缓蚀效率最优为96.7%，这与交流阻抗测试结果基本一致。

图3 碳钢电极在含不同浓度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐的 0.5 M H2SO4溶液中的极化曲线

表2 碳钢在未添加和添加不同浓度1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐的0.5 M H2SO4溶液中的电化学参数

3 结论

研究了一种咪唑类离子液体在硫酸介质中对碳钢电极的腐蚀抑制行为，现总结如下：

(1)1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐对碳钢在0.5 M H2SO4介质中表现出优异的缓蚀效能，缓蚀效率随缓蚀剂浓度的增加而增大，当缓蚀剂浓度为7 mM 时缓蚀效率可高达96.7%。

(2)1-十六烷基-3-甲基咪唑溴盐对碳钢电极阴、阳极过程均有显著抑制作用，属于混合型缓蚀剂。

(3)采用的交流阻抗测试及塔菲尔测试结果相吻合，证实了结论的可靠性。

(4)本研究对开发新型咪唑基离子液体缓蚀剂具有理论指导意义。