铜、碳钢表面自组装含羧基席夫碱缓蚀膜的实验与理论评价

摘要

羧基芳香醛类席夫碱因其含有羧基和甲亚氨基结构，具有孤对电子的O和N原子极易向金属的空轨道提供电子而形成稳定化学键，因此在金属表面形成自组装膜，能有效抑制金属的腐蚀。
　　 本文利用2-吡啶甲酰肼、2-噻吩甲酰肼、水杨甲酰肼、对氨基苯甲酸、间氨基苯甲酸、对氨基苯磺酸、对羧基苯甲醛、邻氧乙酸苯甲醛设计合成了一系列新的席夫碱缓蚀剂，用X-射线单晶衍射、紫外-可见光谱、红外光谱、元素分析、热重分析、循环伏安和荧光光谱对所合成的席夫碱的结构和性质进行了表征。
　　 在铜表面自组装对羧基苯甲醛类酰腙席夫碱(D)缓蚀膜、碳钢表面自组装邻氧乙酸苯甲醛类席夫碱(L)缓蚀膜，运用失重法、极化曲线、交流阻抗、循环伏安、时间-电位曲线、扫描电镜和X射线光电子能谱研究了缓蚀膜的形成条件及其对铜、碳钢在CO2饱和油田水中的缓蚀性能。失重法和电化学研究表明，HD1、HD2、NaD3在铜表面自组装3h时，缓蚀膜缓蚀效果最好，分别达到92.9％、93.9%和92.6%，且缓蚀能力大小为：HD2>HD1>NaD3；K2L1、K2L2、K2L3在碳钢表面分别自组装3h、1h、3h时，缓蚀率分别达到95.0%、95.4%、91.6%，其缓蚀能力大小为：K2L2> K2L1>K2L3。极化曲线研究表明这些席夫碱都是以抑制阴极为主的混合型缓蚀剂，而交流阻抗则表明电化学腐蚀反应受电荷转移电阻控制。扫描电镜显示在铜和碳钢表面组装缓蚀膜后腐蚀程度明显减弱。X射线光电子能谱分析显示缓蚀剂分子主要通过羧基与铜、碳钢原子形成化学键。
　　 利用密度泛涵理论，研究了缓蚀剂分子优化构型、前线分子轨道、分子静电势、原子静电荷对席夫碱缓蚀性能的影响以及前线分子轨道与缓蚀率的相关性。结果显示，缓蚀剂D主要是以接受金属原子电子的方式在金属表面形成化学键；缓蚀剂L在金属表面以供电子的方式与金属原子结合。
　　 通过电化学方法和表面形貌分析探究缓蚀膜在实际工作环境中的缓蚀性能，结果显示，HD2缓蚀膜受油田水矿化度、流速、酸度和H2S浓度影响较大，温度对其影响较小。K2L2缓蚀膜受矿化度影响不大，而温度、流速、酸度和H2S浓度对其影响较大。
　　 研究缓蚀剂L和D在传统加注条件下对金属的缓蚀性能。运用电化学方法、失重法和表面形貌分析法研究了D对铜(L对碳钢)在油田水中的缓蚀行为、吸附模型、吸附热力学及成膜性能。结果表明，D对铜的缓蚀率随D浓度的增大而增加，缓蚀能力大小为：HD2>HD1>NaD3。L对碳钢的缓蚀率随L浓度增大而增大，缓蚀能力大小为K2L2>K2L1>K2L3。吸附模型研究表明，缓蚀剂L和D吸附行为符合Langmuir吸附等温式，是以化学吸附为主的单分子层吸附。