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水解聚丙烯酰胺对碳钢在海水中的缓蚀研究

郑萌  
【摘要】: 实施海洋开发,成为新世纪重要的经济增长点。在所有涉海产业中,金属的腐蚀都是最难克服的问题。腐蚀防护的手段有多种,其中添加缓蚀剂作为一种效果明显、成本较低、工艺简单的方法,越来越受到人们的重视。近年来,政府不断加大环保力度,因而缓蚀剂的选择也向着新型绿色的方向发展。油田使用的水解聚丙烯酰胺(HPAM),在金属表面有一定吸附作用,又因其为环境友好型试剂,可开发在海水缓蚀剂领域的应用。 针对HPAM在海水中的缓蚀性能,本论文主要从三个方面进行了研究:1、观测Q235钢在添加HPAM的海水中的腐蚀行为,并分析了缓蚀效能随浓度等条件的变化规律;2、结合量子化学计算等手段,对HPAM在碳钢表面的吸附和缓蚀机理进行了深入的理论分析;3、将HPAM与无机缓蚀剂复配,积累数据,探索其协同效应的机理和应用价值。 全文的具体研究方法及结论如下: 1.在常温下利用失重法、极化曲线、电化学阻抗以及各种宏观和微观观察方法,对添加不同浓度HPAM、不同浸泡时间下的Q235钢试样,进行了腐蚀规律研究,发现Q235钢在天然海水中腐蚀严重,加入不同浓度HPAM缓蚀剂后,腐蚀电流密度减小,腐蚀速率减小,且随投加浓度的增加,缓蚀率先增大后减小,400mg/L时缓蚀率达到峰值65%。同时根据电化学曲线分析得出,HPAM为偏阴极型的缓蚀剂,在Q235钢表面是多分子层吸附。 2.采用B3LYP密度泛函方法,得到了HPAM的空间优化构型,从各原子Mulliken电荷分析的结果来看,位于同一侧的O和N原子上带有较强的负电性,可能成为在碳钢表面阳极区吸附的活性中心。然后探索了HPAM的前线分子轨道,发现O原子HOMO电子云分布密度最大,因此其对吸附的贡献较大。总的来看,HPAM与碳钢表面的吸附,是静电吸引和HPAM分子轨道-Fe原子d轨道形成化学键的综合作用的结果。 3.分别以不同浓度的硫酸锌和HPAM复配,在常温下使用三种手段评价了缓蚀效果。发现单独使用硫酸锌效果不理想,HPAM和硫酸锌联合使用,比使用单一组分的缓蚀率有大幅提升,最高达到85%左右,说明HPAM和硫酸锌存在协同效应。极化曲线可以看出二者复配为混合型缓蚀剂,能够对阴极和阳极反应同时造成抑制。对腐蚀产物进行宏观和SEM观察,发现吸附膜可能为二者鳌合物。 另外,论文还针对有机缓蚀剂结构与缓蚀效能的关系,进行了理论研究。得到了一些规律——包含电负性官能团和双键或三键π电子的有机物,能在金属表面形成有效的化学吸附,因而这种活性基团越多,缓蚀效能就越高。另一方面,分子的正电性是静电吸附的主要影响因素,具有吸电子特性的取代基可以强化在金属负电区的静电吸附。同时,较为稳定的鳌合结构更有利于发挥效能。


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