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酸性介质中咪唑基离子液体对碳钢的缓蚀性能研究

郑兴文  
【摘要】:离子液体绿色环保和可设计的特点及潜在的巨大数量和缓蚀性能,符合环境友好型缓蚀剂发展的时代需求,但这方面的研究较少且不成体系。本论文通过失重法和电化学方法系统研究了阴离子,烷基链长、取代基的数目和类型以及腐蚀介质对咪唑基离子液体缓蚀性能的影响,深入讨论了咪唑基离子液体在碳钢表面的吸附行为,并在理论计算的基础上,对咪唑基离子液体的量化参数和缓蚀性能之间的构效关系进行了分析。此外,一些特定结构的咪唑基离子液体对碳钢的缓蚀性能和缓蚀机理也被研究和讨论。本论文的主要工作和创新发现如下:①研究了1-己基-3-甲基咪唑氯盐([HMIM]Cl)、溴盐([HMIM]Br)、碘盐([HMIM]I)、硫酸氢盐([HMIM]HSO4)、硝酸盐([HMIM]NO3)和磷酸二氢盐([HMIM]H2PO4)对碳钢分别在H2SO4和HCl溶液中的缓蚀性能。特别地,一种氨基酸离子液体——1-辛基-3-甲基咪唑L-脯氨酸盐([OMIM]LPro)对碳钢在H2SO4溶液中的缓蚀性能和缓蚀机理也被研究和讨论。研究发现:阴离子是影响咪唑基离子液体缓蚀性能的重要因素,而这取决于阴离子在电极表面的吸附能力和酸的种类。离子液体中的阴离子和酸的阴离子在碳钢表面的吸附存在竞争吸附和联合吸附两种不同的情况。在0.5 mol/L H2SO4溶液中,[HMIM]NO3对碳钢不具有缓蚀作用,[HMIM]HSO4和[HMIM]H2PO4的缓蚀性能也较差,[HMIM]Cl、[HMIM]Br和[HMIM]I的缓蚀性能依次增强。除[HMIM]I为一种以抑制阴极为主的混合型缓蚀剂外,其它四种离子液体均为“谦逊”的阴极型缓蚀剂。但在1.0 mol/L HCl溶液中,研究的六种离子液体均为混合抑制型缓蚀剂,在低浓度时,[HMIM]HSO4和[HMIM]NO3表现出比[HMIM]Cl更好的缓蚀性能,而[HMIM]H2PO4具有良好的缓蚀作用,在相同浓度下,其缓蚀效率与[HMIM]I的相当,在浓度为10.0 mM时,缓蚀效率达92.7%。对阴离子为卤素负离子的离子液体,缓蚀性能仍按Cl-、Br-、I-的顺序依次增强,但[HMIM]Cl和[HMIM]Br的缓蚀性能相近。在0.5 mol/L H2SO4溶液中,Langmuir等温方程及经Villamil修正了的Langmuir等温方程、El-Awady热-动力学模型和Flory-Huggins等温方程被发现与实验数据之间存在良好的关系,其中[HMIM]HSO4只对El-Awady热-动力学模型具有较好的响应。在1.0 mol/L HCl溶液中,离子液体在碳钢表面的吸附仍符合除Flory-Huggins等温方程外的其它两种吸附等温方程。[OMIM]LPro对碳钢在0.5 mol/L H2SO4溶液中是一种以抑制阴极为主的混合型缓蚀剂,其缓蚀效率随其浓度的增加而增大,随实验温度的升高而降低,且温度对其缓蚀性能具有强烈的影响。OMIM阳离子对[OMIM]LPro的缓蚀性能起到了比脯氨酸阴离子更重要的作用,在浓度较低时,两者之间存在缓蚀协同效应,在高浓度时,由于竞争吸附,表现为拮抗效应。[OMIM]LPro在碳钢表面的吸附符合El-Awady热-动力学模型和Flory-Huggins等温方程。②研究了六种烷基链长不同的1-烷基-3-甲基咪唑溴盐对碳钢在H2SO4溶液中的缓蚀性能,分析了烷基链长对咪唑基离子液体缓蚀性能的影响和其量化参数与缓蚀效率之间的构效关系。另,一种新型离子液体——1-丁基-3-甲基苯并咪唑碘盐(BMBIMI)对碳钢的在H2SO4溶液中的缓蚀性能也被测试。研究发现:1-烷基-3-甲基咪唑溴盐在H2SO4溶液中对碳钢的缓蚀性能总体随烷基链长的增长而增强,在烷基链长达到12时,表现出良好的缓蚀作用。研究的六种离子液体均属于“谦逊”的阴极型缓蚀剂,在碳钢表面的吸附满足Langmuir、El-Awady和Flory-Huggins三种等温方程。理论计算表明1-烷基-3-甲基咪唑溴盐的缓蚀效率与咪唑阳离子的量化参数之间存在很好的一致性,并获得了量化参数和缓蚀效率之间的构效关系方程。BMBIMI被发现对碳钢在0.5 mol/L H2SO4溶液中是一种优良的混合抑制型缓蚀剂,在浓度为5.0 mM时的缓蚀效率高达97%,且在高浓度下,随温度升高,缓蚀效率增大,表现出良好的温度效应。BMBIMI通过分子中的苯并咪唑环以平行的方式吸附在碳钢表面,且吸附规律满足Langmuir等温方程。③研究了五种取代基不同的咪唑基离子液体,即1-辛基咪唑溴盐([OIM]Br)、1-辛基-3-甲基咪唑溴盐([OMIM]Br)、1-辛基-2,3-二甲基咪唑溴盐([ODMIM]Br)、1-烯丙基-3-辛基咪唑溴盐([AOIM]Br)和1-苄基-3-甲基咪唑溴盐([BzMIM]Br),对碳钢在H2SO4溶液中的缓蚀性能。研究发现:取代基对离子液体的缓蚀性能产生了明显影响。由于空间位阻效应,随取代基数目的增加,咪唑基离子液体的缓蚀性能减小,而且,取代基的供电子能力和烷基链的空间构型也会影响咪唑基离子液体的缓蚀性能。研究的五种离子液体缓蚀性能的顺序为:[OIM]Br[AOIM]Br[OMIM]Br[ODMIM]Br[BzMIM]Br。除[OIM]Br对碳钢在H2SO4溶液中为混合抑制型缓蚀剂外,其它四种均为“谦逊”的阴极型缓蚀剂。它们在碳钢表面的吸附符合Langmuir等温方程及Villamil修正了的Langmuir等温方程和El-Awady热-动力学模型。在分析构效关系时发现,量化和分子结构参数与缓蚀性能之间不存在固定的关系,甚至会完全相反。只有找到造成分子性质差异的主要因素,才能进而分析这种差异对缓蚀性能的影响。


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