苯甲醛在盐酸中对碳钢的缓蚀性能研究

李 媛，刘丽丽，刘克胜，于元英，付文耀，李克华

（1.中石油长庆油田分公司第十二采油厂，甘肃 庆阳 745100；2.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

苯甲醛在盐酸中对碳钢的缓蚀性能研究

李 媛1，刘丽丽1，刘克胜1，于元英1，付文耀1，李克华2

（1.中石油长庆油田分公司第十二采油厂，甘肃 庆阳 745100；2.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

摘 要：采用失重法和电化学极化法研究了苯甲醛在盐酸清洗剂中对碳钢的缓蚀行为，并初步探讨其吸附性能。结果表明，苯甲醛属于混合型缓蚀剂，在盐酸介质中缓蚀作用良好，20℃下苯甲醛添加量为0.7%时，其缓蚀效率可达91.51%。能使碳钢的腐蚀反应活化能升高，碳钢需要克服更高的能量障碍，腐蚀速率明显下降。同时其缓蚀效率受温度的影响较大，其在碳钢表面的吸附符合Langmuir吸附规律。

关键词：苯甲醛；盐酸清洗；缓蚀剂

在化学清洗中，盐酸是应用最广泛的清洗剂，它溶垢能力强，速度快，渗氢量少，金属的清脆敏感性小，但对铁却有不同程度的腐蚀。保护金属在酸洗过程免受或缓受腐蚀的最简捷、经济和实用的方法之一，就是添加金属缓蚀剂［1］。苯甲醛作为合成曼尼希碱的原料之一，其本身也具有缓蚀性能。本文以N80钢为例，通过研究苯甲醛在盐酸体系下的缓蚀性能，探讨苯甲醛对碳钢腐蚀的缓蚀机制，为酸性体系下的金属防腐提供指导。

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

仪器：有机合成装置、腐蚀测定装置、电子天平等。

试剂：苯甲醛，盐酸，无水乙醇，丙酮等，均为分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 失重法

将钢片悬在盛有添加苯甲醛的1.0mol·L-1盐酸的玻璃烧杯中，烧杯在测试温度下恒温4h，取出后，去除腐蚀产物后水洗，丙酮脱脂并用冷风吹干，分析天平称重。按下式计算腐蚀速率和缓蚀效率：

式中，v为腐蚀速率，g·m-2·h-1；m0为碳钢片原重，g；m1为钢片腐蚀后除去腐蚀产物的重量，g；s为碳钢片暴露在酸洗液中的总面积，m2；t为腐蚀时间，h。

式中，η为缓蚀效率，v0和v1分别为不加和加入缓蚀剂时，钢片在酸洗液中的腐蚀速率，g·m-2·h-1。

1.2.2 电化学极化法

电化学实验溶液为1.0mol·L-1的盐酸，测试仪器为辰华CHI660C电化学工作站，采用传统的三电极体系［2］。参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，工作电极由N80钢加工而成，工作面积为0.3cm2，其余部分用环氧树脂密封，测试温度为20℃。极化曲线测试扫描范围为相对开路电位-300～-600mV，扫描速率5mV·s-1。

2 实验结果与讨论

2.1 苯甲醛加量以及温度对缓蚀效率的影响

采用失重法，在1.0mol·L-1的盐酸溶液中静置4h，测定缓蚀剂的腐蚀速率。表1列出了添加量为0.1%～1.0%的苯甲醛在20～50℃条件下对N80钢的腐蚀速率的影响情况，其缓蚀效果如图1所示。

在20～50℃温度范围内不同苯甲醛添加量缓蚀作用具有相同的变化趋势。在苯甲醛添加量0.1%～1.0%范围内，苯甲醛的缓蚀作用随添加量增加呈上升趋势。当苯甲醛添加量大于0.7%时，苯甲醛的缓蚀效率趋于恒定值，表明苯甲醛添加量为0.7%时其缓蚀性能发挥到最大。温度对苯甲醛的缓蚀作用影响明显，随温度的升高，苯甲醛的缓蚀作用逐渐降低，20℃时甲醛的缓蚀效率达到最大。由此可见，在试验范围内苯甲醛缓蚀性能的最优条件是温度20℃、苯甲醛添加量为0.7%，其缓蚀效率达到91.51%。

表1 苯甲醛添加量及温度对腐蚀速率的影响Table1 Effect of temperature and differentbenzaldehyde amount on corrosion rate

图1 不同温度对苯甲醛缓蚀效率的影响Fig.1 Effect of different temperature on inhibition efficiency of benzaldehyde

2.2 苯甲醛在盐酸中的极化曲线特征

30℃下，不同苯甲醛添加量在1.0mol·L-1盐酸体系中对N80钢的极化曲线如图2所示。随着苯甲醛的添加，N80钢的腐蚀电流密度显著减小，苯甲醛对N80钢腐蚀产生明显的抑制作用，其缓蚀效率随着苯甲醛的增加而增加。然而N80钢的自腐蚀电位并未随苯甲醛的加入发生明显移动，可以判断苯甲醛属于混合型缓蚀剂［3］。苯甲醛的缓蚀作用，可能是因为在N80钢的工作电极表面形成完整致密的保护膜，阻止了腐蚀介质与N80钢接触，起到缓蚀作用。

图2 不同苯甲醛加量下N80钢的吸化曲线Fig.2 Polarization curves of steel N80 under different amount of benzaldehyde

2.3 苯甲醛的吸附热力学

为了进一步研究苯甲醛的缓蚀机制，对1.0mol·L-1盐酸溶液体系下苯甲醛在N80钢表面的吸附规律进行探讨。以温度为30℃，苯甲醛添加量在0.1%～1.0%的实验范围为例。通常认为缓蚀率η近似等同于表面覆盖率θ，将η=θ代入Langmuir吸附等温式，结果表明Langmuir吸附等温式与试验结果较符合。

根据Langmuir吸附等温式：

式（3）中c为缓蚀剂的浓度，mol·L-1；θ为缓蚀剂在金属表面的覆盖度；k为Langmuir吸附平衡常数。将式（3）变形后得到：

以c/θ为纵坐标，c为横坐标作图得直线（图3）。从图3可以得出相关系数为0.9986，说明苯甲醛在N80钢表面形成单分子层吸附，从而形成保护膜，达到缓蚀的作用［4］。

图3 苯甲醛在N80钢的吸附等温曲线Fig.3 Adsorption isotherm of benzaldehyde on steel N80

2.4 苯甲醛对腐蚀体系活化能的影响

依据Arrhenius方程，金属腐蚀速率可表示为：

式中：Vcorr为腐蚀速率，由失重法计算；R为摩尔气体常量；T为热力学温度；Ea为表观活化能；A为指前因子。以lnVcorr为纵坐标，1/T为横坐标作图，可求出反应表观活化能与苯甲醛的关系如表2所示。

表2 N80钢在不同苯甲醛添加量的1.0mol·L-1的HCl介质中的Ea值

Table2 Values of Eafor N80 steel in 1.0mol·L-1HCl solution with different benzaldehyde amount

19.82 37.06 0.3　38.10 0.5　38.28 0.7　40.06 1.0　44.07苯甲醛添加量/%　Ea/kJ·mol-1空白0.1

由表2可知，缓蚀剂的添加，增加了碳钢腐蚀反应的表观活化能，当苯甲醛缓蚀剂质量分数由0增至1.0%时，活化能Ea由19.82kJ·mol-1增至44.07kJ·mol-1，这表明甲醛的加入增加了反应的活化能，碳钢需要克服更高的能量障碍，从而减小了腐蚀速率，有效地抑制了反应的进行［5］。

3 结论

1）苯甲醛可以作为一种盐酸酸洗缓蚀剂。在1.0mol·L-1的HCl溶液体系中，苯甲醛的缓蚀效率随着苯甲醛添加量的增加而增大，随着温度的升高而降低，20℃下苯甲醛添加量0.7%时，其缓蚀效率可达91.51%。

2）苯甲醛对N80钢腐蚀反应的影响机制，表现为苯甲醛以Langmuir吸附方式覆盖碳钢的裸露表面，逐步形成完整致密的保护膜，阻止了腐蚀介质与碳钢接触，起到缓蚀作用。同时苯甲醛的加入使得腐蚀反应的活化能有所升高，碳钢需要克服更高的能量障碍，从而减小了腐蚀速率，有效地抑制了反应的进行。

参考文献：

［1]杨昌炎，杨光宏，刘东，等.糠醛对碳钢在盐酸中的缓蚀性能研究［J］.林产化学与工业，2011，31（6）：83-86.

［2]曹楚南.腐蚀电化学原理（第3版）［M］.北京：化学工业出版社，2008：211-212.

［3]王保成，朱金华.盐酸溶液中乌鲁托品对钢的缓蚀性能［J］.北京科技大学学报，2006，28（3）：259-262.

［4]李克华，陈洁，王任芳，等.曼尼希碱缓蚀剂CJ的合成及其性能［J］.腐蚀与防护，2014，35（11）：113-115.

［5]李克华，吴兰兰.曼尼希碱缓蚀剂XJ合成及其对N80钢的缓蚀性能［J］.油田化学，2013，30（3）：434-437.

通讯联系人：李克华（1964-），男，教授，现从事油田化学研究工作

中图分类号：TG 174.42

文献标识码：A

文章编号：1671-9905（2016）01-0013-03

作者简介：李媛（1977-），女，工程师，现从事油气田开发管理与研究工作

收稿日期：2015-11-09

Inhibition Performance of Benzaldehyde on Carbon Steel in Hydrochloric Acid

LI Yuan1， LIU Li-li1， LIU Ke-sheng1， YU Yuan-ying1， FU Wen-yao1， LI Ke-hua2
（1.The 12th Oil Production Plant，Changqing Oilfield Company， CNPC， Qingyang 745100， China； 2.School of Chemistry and Environmental Engineering， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract：The corrosion inhibition behavior of benzaldehyde for carbon steel in a hydrochloric acid solution were studied by weight loss and electrochemistry polarization method， and the absorbance of benzaldehyde on carbon steel was preliminary discussed. The results showed that benzaldehyde， as a complex inhibitor， gave nice inhibition efficiency on carbon steel in hydrochloric acid medium.The inhibition efficiency of benzaldehyde was up to 91.51% when the mass fraction of benzaldehyde reached 0.7% at room temperature. It could also increased the activation energy of corrosion reaction， overcoming the obstacles of higher energy， so corrosion rate decreased significantly. The inhibition performance of benzaldehyde was affected by temperature， and its absorbance behaviors could be expressed by the equation of Langmuir model.

Key words：benzaldehyde； hydrochloric acid； corrosion inhibitor