盐酸介质中唑类和喹啉衍生物对碳钢的缓蚀性能研究

摘要

碳钢具有优良的机械性能、简单的冶炼以及廉价等优点，而广泛应用于机械制造、石油化工、建筑工业、国防等众多行业中。然而在金属酸洗、酸洗除垢、油井酸化等化学及相关工业过程中，碳钢极易发生腐蚀，这会对工业设备安全引起潜在的危险，造成巨大的经济损失。添加缓蚀剂可以有效的抑制碳钢腐蚀。其缓蚀抑制作用主要依赖于缓蚀剂的组成和结构，缓蚀剂分子通常为含有π键或N、O、S、P等杂原子的杂环结构化合物，在酸性媒介中对钢的腐蚀有很好的抑制作用。其中N杂环系列缓蚀剂因为具优异的缓蚀性能而逐渐成为研究的热点。唑类和喹啉衍生物是较易得到的N-杂环有机化合物，尤其是有不同取代基（甲基，巯基，氨基，苯基等）的唑类和喹啉衍生物，具有较高的缓蚀抑制作用，而被广泛用于金属腐蚀研究。
　　本论文选取了2-氨基苯并眯唑(ABM)、2-氨基噻唑(AT)、2-氨基苯并噻唑(ABT)三种唑类化合物以及合成的喹啉衍生物（2-（喹啉-2-基）喹唑啉-4(3H)-酮）作为缓蚀剂，并用红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1HNMR)等测试方法对所合成的化合物进行了表征。以碳钢为研究材料，运用动电位极化曲线法、电化学阻抗谱法(EIS)和表面分析法（扫描电子显微镜、X射线光电子能谱）对唑类和喹啉衍生物在1M HCl介质中对碳钢的缓蚀性能和吸附作用进行了研究。此外，采取量子化学计算法系统地探究了唑类和喹啉衍生物的缓蚀作用机制，一些量子化学计算参数说明了碳钢的缓蚀性能与唑类和喹啉衍生物的分子结构有一定的相关性。
　　本论文的主要工作如下:
　　1.电化学测试
　　采用极化曲线及电化学阻抗谱等测试方法研究了不同浓度的唑类和喹啉衍生物在1M HCl溶液中对碳钢的缓蚀性能。研究结果表明，唑类和喹啉化合物在盐酸溶液中都是良好的混合型缓蚀剂，且腐蚀过程主要受电荷转移控制。此外，这些化合物在碳钢表面的吸附遵循Langmuir吸附等温线，属于物理和化学两种吸附共同作用。
　　2.表面分析
　　碳钢试样在没有加入缓蚀剂及分别加入唑类(5mM)和喹啉(0.185mM)缓蚀剂的盐酸溶液中浸泡48h后，用扫描电子显微镜(SEM)对其表面腐蚀形貌进行观察分析。结果表明，添加缓蚀剂后的碳钢试样表面腐蚀情况受到很大程度的抑制。另外，对加有喹啉衍生物缓蚀剂的碳钢试样进行了EDX能谱和X射线光电子能谱(XPS)分析，说明了缓蚀剂分子能够吸附在碳钢表面起到缓蚀作用。
　　3.量子化学计算
　　利用Gaussian09软件包中的DFT/B3LYP方法，在6-311G*基组水平上对唑类和喹啉衍生物分子进行几何结构优化，并对其频率分析，保证得到的结构均为势能面上的最小点。在同一基组水平上计算分子的最低占有轨道能量(ELUMO)、最高占有轨道能量（EHOMO）、分子的能带(△E)、Mulliken电荷分布、偶极矩(μ)和电荷转移数(△N)，用所得的量子化学计算参数分析缓蚀剂的缓蚀性能与分子结构之间的联系，为缓蚀剂在碳钢表面的吸附提供了理论研究。

目录

声明

摘要

缩写与符号说明

第一章 绪论

1．1 缓蚀剂概述

1．1．1 缓蚀剂的特点

1．1．2 缓蚀剂的分类

1．2 缓蚀剂的作用机理

1．2．1 电化学理论

1．2．2 吸附理论

1．2．3 成膜理论

1．3 缓蚀剂的研究方法

1．3．1 失重法

1．3．2 电化学方法

1．3．3 谱学分析法

1．3．4 计算机分子模拟法

1．4 缓蚀剂的研究进展和发展展望

1．4．1 唑类缓蚀剂的研究进展

1．4．2 喹啉衍生物缓蚀剂的研究进展

1．4．3 缓蚀剂的发展展望

1．5 本论文的研究目的、意义及研究思路

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究思路

参考文献

第二章 实验材料和实验方法

2．1 材料与溶液

2．1．1 电极材料

2．1．2 溶液

2．2 实验仪器和试剂

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验试剂

2．3 实验方法

2．3．1 电化学测试

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)测试

2．3．3 X射线光电子能谱(XPS)测试

2．3．4 量子化学理论计算

第三章 唑类衍生物对碳钢的缓蚀性能研究

3．1 碳钢在HCl溶液中腐蚀特征的电化学研究

3．1．1 动电位极化曲线分析

3．1．2 电化学阻抗谱分析

3．2 碳钢表面腐蚀形貌分析

3．3 吸附热力学研究

3．3．1 吸附热力学研究的意义

3．3．2 吸附等温式研究

3．4 本章小结

参考文献

第四章 喹啉衍生物对碳钢的缓蚀性能研究

4．1 喹啉衍生物的合成

4．1．1 合成路线

4．1．2 合成步骤

4．1．3 合成产物的表征

4．2 电化学和表面分析研究

4．2．1 动电位极化曲线分析

4．2．2 电化学阻抗谱分析

4．2．3 吸附等温式拟合

4．2．4 SEM和EDX能谱分析

4．2．5 X射线光电子能谱分析

4．3 缓蚀机理分析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 唑类和喹啉衍生物对碳钢缓蚀性能的量子化学理论研究

5．1 引言

5．2 唑类缓蚀剂量子化学理论研究

5．2．1 缓蚀剂分子的活性位点研究

5．2．2 量子化学参数与缓蚀性能的关系

5．3 喹啉衍生物缓蚀剂量子化学理论研究

5．3．1 缓蚀剂分子的吸附中心研究

5．3．2 前线轨道理论研究

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结论

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文