甘氨酸和椰油酰甘氨酸钠在盐酸介质中对碳钢的缓蚀作用研究

　　

摘要：在介质中添加缓蚀剂是防腐金属防腐蚀的常用手段。本文以Q235碳钢为研究对象，对两种缓蚀剂（甘氨酸、椰油酰甘氨酸钠）在浓度为1M的HCl溶液中的缓蚀作用进行研究。通过电化学交流阻抗和Tafel极化曲线技术来分析不同浓度缓蚀剂对Q235碳钢的缓蚀作用。实验结果表明，当甘氨酸浓度为0.01 mM时缓蚀效率可达82.63%，椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂浓度为0.01 mM时缓蚀效率为76.40%。上述结果表明，甘氨酸和椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂在盐酸介质环境中对Q235碳钢具有缓蚀作用。两种缓蚀剂的缓蚀效率与其浓度有一定关系。

关键词：缓蚀剂；腐蚀；Q235碳钢；甘氨酸

Study on the corrosion inhibition effect of glycine and sodium cocoyl glycinate on carbon steel in hydrochloric acid medium

Zhao Zhonghua，Cui Guiqiang，Liu Chunping，Sun Yingmin*

（Standard Testing Group Co., Ltd.，Qingdao，Shandong 266111，China）

Abstract: Adding corrosion inhibitors to the medium is a common method for preventing metal corrosion. This article takes Q235 carbon steel as the research object and studies the corrosion inhibition effect of two corrosion inhibitors (glycine and sodium cocoyl glycinate) in a 1M HCl solution. Analyze the corrosion inhibition effect of different concentrations of corrosion inhibitors on Q235 carbon steel using electrochemical impedance spectroscopy and Tafel polarization curve techniques. The experimental results showed that the corrosion inhibition efficiency reached 82.63% when the concentration of glycine was 0.01 mM, and the corrosion inhibition efficiency was 76.40% when the concentration of sodium cocoyl glycinate inhibitor was 0.01 mM. The above results indicate that glycine and sodium cocoyl glycinate inhibitors have a corrosion inhibition effect on Q235 carbon steel in hydrochloric acid medium environment. In addition, the corrosion inhibition efficiency of the two types of corrosion inhibitors mentioned above is somewhat related to their concentration.

Key words: Corrosion inhibitor; Corrosion; Q235 carbon steel; Glycine

1 前言

化工设备生产使用时间久后会产生污垢和锈迹，酸洗除锈是工业中常用的手段。酸洗过程中为防止底层金属腐蚀^[1]，常需要用酸洗缓蚀剂进行保护。近年来，关于酸洗缓蚀剂的研究可谓百花齐放，层出不穷。随着人们对环境问题的重视，环保无毒的绿色缓蚀剂研发被提上日程^[2-9]。氨基酸，作为组成蛋白质的主要成分，具有来源广泛、成本低廉、对环境无毒无害等特点，将其作为金属缓蚀剂^[10]成为新的研究热点。氨基酸分子中富含N、O等路易斯碱可与金属3d空轨道配位形成吸附膜保护金属。

甘氨酸是结构最简单的氨基酸，因为它没有侧链。文献中对其在酸性体系下对碳钢的缓蚀作用研究甚少。所以，本文特选用甘氨酸和椰油酰甘氨酸钠作为酸洗缓蚀剂，一方面可以考察氨基酸作为缓蚀剂，其缓蚀作用是否主要由氨基和羧基起作用；另一方面，可以研究侧链碳原子数目的不同对氨基酸类缓蚀剂缓蚀效率的影响。

2 实验部分

2.1 实验仪器及药品

表1为本实验所用到的主要仪器。

表1 实验所用仪器信息

名称	型号	生产厂家
电子天平 电子化学工作室	TD20001C PGstTA302N03030131	天津天马横基仪器有限公司 瑞士万通

表2为本实验所用到的主要药品。

表2 实验药品信息

名称	分子式	纯度	生产厂家
盐酸 椰油酰甘氨酸钠 甘氨酸	HCl C14H26NNaO3 C2H5NO2	AR AR AR	莱阳市康德化有限公司 麦克林 麦克林

2.2 碳钢电极和缓蚀剂的制备

首先，将Q235碳钢加工成边长1cm×1cm×1cm的正方体，在其底部焊上一根10cm左右的铜线（事先用剪刀剪断了铜线两边的绝缘层），再将其镶嵌到环氧树脂中。使用之前取800目砂纸进行抛光，酒精洗后氮气吹干即可使用。

测试溶液制备：用移液管移取浓度为36%的盐酸86 mL，在1 L的烧杯中加入约500 mL的蒸馏水，然后用蒸馏水稀释到1 L，最后用玻璃棒引流到容量瓶中进行保存。实验中需要大量的盐酸溶液，因此可以多制备一些备用。用分析天平称取甘氨酸（C₂H₅NO₂，相对分子质量为75.07）0.0007507 g、0.0037535 g、0.015014 g放于烧杯中，浓度依次为0.1 mM、0.5 mM和2 mM，并且将其进行分别编号备用，放在储存柜中。用分析天平称取椰油酰甘氨酸钠（C₁₄H₂₆NNaO₃，相对分子质量为279.35）0.0027935 g、0.01397 g、0.05587 g放于烧杯中，浓度依次为0.1 mM、0.5 mM和2 mM，并且将其进行分别编号备用，放在储存柜中。

电化学测试：在250 mL的烧杯中倒入事先配置好的质量分数为1 M的盐酸溶液100 mL左右，依次安装好工作电极、参比电极和对电极。先打开电化学工作站，测试一组空白实验，即对仅有盐酸溶液的试样进行测试，先测试开路电位，当其稳定后，再测试交流阻抗。然后将称取的质量分别为0.1 mM、0.5 mM、2 mM的甘氨酸（或者椰油酰甘氨酸钠）加入约为100 mL的预先制备好的盐酸溶液中，随后都放置0.5 h、1 h、4 h，开路电位需要在每个时间段都进行测试，当开路电位稳定以后，再测试交流阻抗，最后再将放置4 h时间段的样品进行测试极化曲线（极化曲线测试过程中，电流会破坏Q235碳钢表面，形成许多微小区域的创口，再次进行其它测试时，需将Q235碳钢重新打磨）。在稳定开路电位的条件下进行交流阻抗测试实验，在频率范围为10⁵ Hz~0.01 Hz内从高频率向低频率扫描，再加上振幅5 mV的正弦微扰电压信号。在测量极化曲线时，电位扫描区间要在开路电位-0.25 V~0.25 V的范围内进行，扫描速度为0.01 V/s。

3 结果与讨论

图1 盐酸介质下碳钢的Nyquist图

图1表示在没有缓蚀剂的盐酸溶液中对Q235碳钢的Nyquist图。从图1可知，无缓蚀剂的盐酸介质下阻抗弧半径小，约为35.0 Ω·cm²。

图2（a）Nyquist和（b）Bode不同浓度的甘氨酸缓蚀剂在盐酸介质下的阻抗图

图2表示甘氨酸缓蚀剂的不同浓度在盐酸介质中对Q235碳钢缓蚀速率的影响。从图2（a）可知，加入0.1mM的缓蚀剂后阻抗弧半径会变大，加入0.2 mM的缓蚀剂时阻抗半径却变小，加入2 mM的缓蚀剂后阻抗弧半径也会变大，但比0.1 mM时的阻抗弧半径小很多，缓蚀效果不明显；从图2（b）可知，缓蚀剂浓度太低时，阻抗会增大，随着缓蚀剂增加到一定浓度时，阻抗先减小后增大。通过分析，此实验甘氨酸缓蚀剂浓度为0.1mM时阻抗最大且缓蚀效果最好。特选用该浓度下不同缓蚀时间的情况进行分析。

图3 不同浓度甘氨酸缓蚀剂在盐酸介质中的极化曲线图

图3表示不同浓度的甘氨酸缓蚀剂在盐酸介质中的极化曲线图，从图可知，随着浓度增加，腐蚀电流密度先增大后减小，其中0.1mM时腐蚀电流密度最小。

图4（a）Nyquist和（b）Bode 0.1 mM甘氨酸缓蚀剂在盐酸介质下不同缓蚀时间的阻抗图

图4表示浓度为0.1 mM的甘氨酸缓蚀剂不同缓蚀时间在盐酸介质中对Q235碳钢缓蚀速率的影响。从图4（a）可知，加入缓蚀剂后阻抗弧半径会变大，且随着缓蚀时间的增加阻抗弧半径也逐渐变大；从图4（b）可知，交流阻抗低频区模值随浸泡时间逐渐增大。

图5（a）Nyquist和（b）Bode不同浓度的椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂在盐酸介质下的阻抗图

图5表示椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂在盐酸介质中不同浓度对Q235碳钢缓蚀速率的影响。从图5（a）可得出，当缓蚀剂浓度为0.1 mM时，Nyquist图中的电化学阻抗弧半径明显增大；但是当缓蚀剂浓度为0.5 mM和2 mM时，其半径略有增大，且两者相比缓蚀剂浓度为0.5 mM的效果更明显；从图5（b）可得出，浓度太低的缓蚀剂缓蚀效果较好，阻抗也会增大，但这种情况是有限度的，当缓蚀剂浓度达到一定程度时，阻抗变化不明显，几乎没有缓蚀效果。通过分析，此实验椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂浓度为0.1 mM时阻抗最大且缓蚀效果最好，因此对该浓度下不同缓蚀时间的情况进行分析。

图6 不同浓度椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂在盐酸介质中的极化曲线图

图6表示不同浓度的椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂在盐酸介质中的极化曲线图，从图可知，加入缓蚀剂，腐蚀电位左移，腐蚀电流密度减小，加入浓度为0.1 mM的缓蚀剂时，腐蚀电流密度减小，但加入0.5 mM和2 mM时，腐蚀电流密度有所增加，且0.5 mM＜2 mM。因此实验所取范围下0.1 mM时腐蚀电流密度最小，缓蚀效果最明显。

图7（a）Nyquist和（b）Bode0.1 mM椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂在盐酸介质下不同缓蚀时间的阻抗图

图7表示浓度为0.1 mM的椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂不同缓蚀时间在盐酸介质中对Q235碳钢缓蚀速率的影响。从图7（a）可知，加入0.1 mM的缓蚀剂缓蚀0.5 h时阻抗弧半径变小，且接近无缓蚀剂时的情况，因此在此缓蚀时间下缓蚀效果不明显，当缓蚀时间增加到一定程度时，阻抗弧半径增大；从图7（b）可知，缓蚀剂时间太短时，阻抗减小，随着缓蚀时间增加阻抗也增大。通过分析，此实验椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂浓度为0.1 mM时且缓蚀时间为4 h时阻抗最大且缓蚀效果最好。

表1 两种缓蚀剂的不同浓度与腐蚀电流密度的关系

浓度	缓蚀剂	icorr（μAcm-2）	缓蚀效率（η%）
0 0.1 mM 0.5 mM 2 mM 0.1 mM 0.5 mM 2 mM	空白 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 椰油酰甘氨酸钠 椰油酰甘氨酸钠 椰油酰甘氨酸钠	466.60 81.06 523.10 294.36 110.10 214.78 315.47	- 82.63% -12.11% 36.91% 76.40% 53.97% 32.39%

由表1可知，加入不同浓度的甘氨酸缓蚀剂后，腐蚀电流密度大小关系为：0.5 mM＞空白＞2 mM＞0.2 mM；加入不同浓度的椰油酰甘氨酸钠缓蚀剂后，腐蚀电流密度大小关系为：空白＞2 mM＞0.5 mM＞0.1 mM，两种缓蚀剂都是在低浓度时缓蚀速率更为明显。

4 结论

本文主要研究了盐酸介质中，甘氨酸和椰油酰甘氨酸钠对碳钢的缓蚀作用。在盐酸介质中，浓度为0.1 mM的甘氨酸体系阻抗显著提高，Tafel曲线时间结果表明自腐蚀电流密度由466.60 μAcm^-2降至81.06 μAcm^-2，暗示腐蚀速率显著降低；浓度为0.5 mM的甘氨酸体系阻抗显著降低，腐蚀电流密度上升至523.10 μAcm^-2，腐蚀速率增大；随着离子浓度升高到2 mM时，阻抗值有轻微的上升，腐蚀电流密度下降到294.36 μAcm^-2。两种缓蚀剂对Q235碳钢的缓蚀作用存在显著差异；浓度0.1 mM的椰油酰甘氨酸钠体系中，腐蚀电流密度由466.60 μAcm^-2减小为110.10 μAcm^-2，腐蚀速率降低；当缓蚀剂浓度增加到一定程度时，随着浓度的增加腐蚀电流密度增大，缓蚀剂浓度为0.5 mM时，腐蚀电流密度为214.78 μAcm^-2，缓蚀剂浓度为2 mM时，腐蚀电流密度为315.47 μAcm^-2，腐蚀速率会逐渐增大。通过对比Q235碳钢在含有两种缓蚀剂的盐酸介质中电化学实验所得的数据和曲线得知，浓度为0.1 mM的甘氨酸缓蚀剂的缓蚀效果要比同浓度下椰油酰甘氨酸钠的缓蚀效果好得多。

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