茶渣提取物在HCl 中对Q235 钢的缓蚀性能研究

王 皓，刘嘉奇，陶爱宁，周利红，周汇兰，陈书军

（遵义师范学院化学化工学院，贵州 遵义 563006）

Q235 钢具有良好的强度、可塑性和可焊接等性能，目前已广泛应用于高压输电铁塔、锅炉、桥梁、船舶等领域。然而，Q235 钢在使用过程中易发生腐蚀，从而导致设备失效，甚至引发安全事故。使用缓蚀剂是金属防腐蚀的常用手段，由于植物型缓蚀剂具有高效、环保、易制备等优点[1-5]，目前受到了广泛关注。例如，Jorge 等[6]从柑橘皮中提取出了对碳钢具有缓蚀性能的果胶；本课题组[7]研究表明，广玉兰叶提取物能有效减缓Q235 钢在盐酸中的腐蚀。贵州省遵义市茶叶资源丰富，在茶叶加工生产过程中不可避免会产生下脚料，当前对这部分茶渣的利用途径较少，且附加值低[8]。为此，本文通过蒸馏水浸提法制备了茶渣提取物（TRS），通过傅里叶红外光谱分析了TRS 的成分，采用电化学测试与扫描电镜研究了TRS 的缓蚀性能，以期为茶渣提取物用作金属缓蚀剂提供实验依据。

1 实验

1.1 实验材料

Q235 钢化学组成：C 12%，S 1.0%，Si 14%，P 1.9%，Mn 35%，Fe 36.1%。茶渣购买于遵义市湄潭县。1mol/L HCl 采用浓盐酸和蒸馏水配制。Q235钢被切割成1cm×1cm×1cm 和0.5cm×0.5cm×0.5cm的试样，分别用于制备工作电极和SEM 测试试样。

1.2 茶渣提取物的制备

茶渣提取物（TRS）制备流程：将购买的茶渣洗净、烘干、磨碎，取20g 茶渣粉末，加入400mL 蒸馏水，100℃加热回流4h，真空抽滤，将滤液冷冻干燥，得到深棕色固体（TRS）。采用IRPresti 型傅里叶变换红外光谱仪分析TRS 的成分，波数范围为400～4000cm1。

1.3 电化学测量

使用CHI660E 电化学工作站进行电化学实验。采用三电极体系，Q235 钢试样作为工作电极，铂电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。开路电位测试时间设置为1200s，使工作电极表面达到稳定状态。电化学阻抗测试采用5mV 的正弦电压作为激励信号，扫描频率范围设置为105～10-2Hz。动电位极化曲线测试的电位扫描区间设置为EOCP±250mV，扫描速率设定为1mV/s。

1.4 扫描电镜测试

分别采用400#～7000#的砂纸打磨Q235 钢试样至光亮，将打磨后的钢试样分别浸泡在含有和不含2.0g/L TRS 的1mol/L HCl 溶液中3h，分别用丙酮、无水乙醇与蒸馏水超声清洗，吹干浸泡后的试样，用KYKY-EM6900 型扫描电镜观察试样腐蚀后的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 物质结构表征

图1 为茶渣提取物的红外光谱图。在3273cm-1处为水、多糖或茶多酚中的-OH 伸缩振动吸收峰；2926cm-1处为C-H 伸缩振动吸收峰[9]；1651cm-1处为酰胺I带中C=O伸缩振动吸收峰；1455cm-1、1326cm-1处为C-H 弯曲振动吸收峰[10]；613cm-1处为N-H 面外弯曲振动吸收峰。以上特征吸收峰表明TRS 与茶叶的化学组成相似[11]，含有丰富的N、O 杂原子以及不饱和基团，这些杂原子或不饱和基团可作为吸附基吸附在金属表面[12]，形成薄膜从而阻止腐蚀介质对金属的侵蚀。由此可以判断，TRS 可以作为金属潜在的高效缓蚀剂。

图1 TRS 红外光谱图

2.2 电化学测试

2.2.1 动电位极化曲线

图2 为Q235 钢在298K、不同浓度TRS、1mol/L HCl 中的动电位极化曲线。由图2a 与2b 可知，添加TRS 后腐蚀电流密度减小，因此Q235 钢的腐蚀得到抑制。此外，随着TRS 浓度增加或溶液温度降低，极化曲线阴、阳极腐蚀电流密度明显减小，表明适当增加TRS 浓度或者降低溶液温度，有利于TRS缓蚀能力的提高。对比图中阴、阳极腐蚀电流密度可以发现，阴极极化电流密度降低得更加显著，意味着TRS 在HCl 中对Q235 钢是一种阴极抑制更为明显的混合型缓蚀剂。

图2 Q235 钢在1mol/L HCl 中的动电位极化曲线

为了定量分析碳钢在HCl 介质中的缓蚀性能，利用Tafel外推法得到腐蚀电流密度（Icorr）、腐蚀电位（Ecorr）、阴极斜率（ c）、阳极斜率（ a）以及缓蚀效率（=(Icorr,0-Icorr)/Icorr,0），结果列于表1、表2。如表1 所示，加入TRS 后，腐蚀电位变化值小于85mV，由此可以判断TRS 为混合型缓蚀剂[13]。从表1、表2 中数据可以看出，随着提取物浓度增加或者溶液温度降低，腐蚀电流密度不断减小，缓蚀效率也逐渐提高。在293K、TRS 加入量为2.0g/L 时，腐蚀电流密度下降至0.033mA·cm-2，缓蚀效率高达95.41%。

表1 Q235 钢在298K、不同浓度TRS、1mol/L 盐酸中的极化曲线参数

表2 不同温度下Q235 钢在2g/L TRS、1mol/L 盐酸中的极化曲线参数

2.2.2 交流阻抗测试

图3 是Q235 钢在不同条件下HCl 溶液中的交流阻抗谱。如图3a，随着TRS 在盐酸溶液中浓度的增加，容抗弧的半径显著增大，说明Q235 钢表面腐蚀反应的电子传输过程减缓，即Q235 钢与HCl 溶液界面的电荷转移电阻增大。这表明加入TRS 后，增加了Q235 钢表面的电荷传递阻力，从而抑制了Q235 钢的腐蚀。从图3b 可见，随着腐蚀溶液温度升高，容抗弧的半径减小，这是由于温度升高，TRS分子的热运动加剧，TRS 分子在Q235 钢表面的脱附效应增强，降低了TRS 对腐蚀介质的阻隔能力。

图3 Q235 钢在1mol/LHCl 中的交流阻抗谱

通过图4 的等效电路拟合阻抗谱数据，拟合结果见表1、表2。其中，Rs为溶液电阻，Rct表示腐蚀反应的电荷转移电阻，Cdl表示界面双电层电容，为缓蚀效率，计算公式如式（1），式中Rct和Rct,0分别表示添加和未添加TRS 时的电荷转移电阻。

图4 拟合电化学阻抗谱数据的等效电路

由表3 可知，Rct与的数值随着提取物浓度的增加而增大，双电层电容Cdl值随着TRS 浓度增加而减小，表明增加TRS浓度有利于更多的TRS 分子在金属表面吸附，从而起到增强抑制金属腐蚀的作用。从表4 可以看出，随着溶液温度的升高，Rct与的数值不断降低，Cdl值逐渐增大，说明升高温度降低了TRS 在盐酸中对Q235 钢的缓蚀性能。

表3 Q235 钢在298K、不同浓度TRS、1mol/L 盐酸中的阻抗图谱拟合参数

表4 不同温度下Q235 钢在2.0g/LTRS、1mol/L 盐酸中的阻抗图谱拟合参数

2.3 SEM 分析

图5 是Q235 钢在不同条件、HCl溶液中浸泡3h后的SEM 图。由图5a 可以发现，Q235 钢在含有2.0g/L TRS 的盐酸溶液中浸泡后，表面出现轻微腐蚀，抛光打磨的痕迹依然清晰可见。而图5b 中的Q235 钢浸泡后，出现了较为严重的腐蚀，表面变得粗糙并出现大量腐蚀坑。因此，SEM 测试结果表明TRS 能有效抑制Q235 钢在盐酸中的腐蚀，这一结论与电化学测试结果相吻合。

图5 Q235 钢试片在腐蚀液中浸泡3h 后的SEM 形貌图

3 结论

（1）以蒸馏水为溶剂，通过加热回流制备得到了茶渣提取物TRS，红外研究表明TRS含有丰富的N、O 杂原子以及不饱和基团的共轭结构，可以作为潜在的金属缓蚀剂。

（2）电化学测试显示，TRS 对Q235 钢具有良好的缓蚀性能，其缓蚀能力随TRS浓度的增加而增强，随温度升高而降低。SEM 测试结果进一步证明了TRS 对Q235 钢具有良好的缓蚀性能。