INVESTIGATION OF THE INHIBITORY PROPERTIES OF 1-(DIPHENYLAMINO)BUTANONE-2 ON CORROSION OF 09G2S STEEL IN 1.0 M HCl SOLUTION

УДК 620.193:669.14

Аннотация

В данной работе исследована ингибирующая эффективность органического соединения 1-(дифениламино)бутанона-2 в качестве ингибитора коррозии стали 09Г2С в 1,0 М растворе соляной кислоты. Коррозионные испытания проводились гравиметрическим методом (методом потери массы) в интервале температур 313–343 К при различных концентрациях ингибитора. Установлено, что повышение концентрации исследуемого соединения способствует существенному снижению скорости коррозии и увеличению эффективности ингибирования. Показано, что максимальная степень защиты достигается при концентрации ингибитора 500 мг/л и составляет 90,2 % при температуре 313 К. С повышением температуры коррозионная активность среды возрастает, однако в присутствии ингибитора увеличение скорости коррозии происходит значительно медленнее по сравнению с неингибированной средой. На основании полученных результатов предложен механизм ингибирующего действия, связанный с адсорбцией молекул ингибитора на поверхности стали за счёт неподелённых электронных пар атомов азота и кислорода, а также π-электронов ароматических колец. Полученные данные свидетельствуют о высокой ингибирующей способности 1-(дифениламино)бутанона-2 и позволяют рассматривать его в качестве перспективного ингибитора кислотной коррозии стали 09Г2С в агрессивных средах.

Abstract

This study investigates the inhibitory efficiency of the organic compound 1-(diphenylamino)butan-2-one as a corrosion inhibitor for 09G2S steel in a 1.0 M hydrochloric acid solution. Corrosion tests were carried out using the weight loss method at temperatures ranging from 313 to 343 K and at different inhibitor concentrations. The obtained results demonstrated that increasing the inhibitor concentration significantly reduced the corrosion rate and enhanced the inhibition efficiency. The maximum protection efficiency of 90.2% was achieved at an inhibitor concentration of 500 mg/L and a temperature of 313 K. An increase in temperature led to a higher corrosion rate; however, the corrosion process in the inhibited medium proceeded considerably more slowly than in the uninhibited solution. The adsorption behavior of the inhibitor on the steel surface was analyzed, and a mechanism of inhibition was proposed. The protective action of 1-(diphenylamino)butan-2-one is associated with the adsorption of its molecules on the metal surface through the lone electron pairs of nitrogen and oxygen atoms as well as the π-electrons of the aromatic rings, resulting in the formation of a protective barrier layer. The findings indicate that 1-(diphenylamino)butan-2-one exhibits high corrosion inhibition performance and can be considered a promising organic inhibitor for protecting 09G2S steel in aggressive acidic environments.

Ключевые слова: сталь 09Г2С, коррозия, соляная кислота, органический ингибитор, 1-(дифениламино)бутанон-2, эффективность ингибирования, адсорбция, метод потери массы.

Keywords: 09Г2С steel, corrosion, hydrochloric acid, organic inhibitor, 1-(diphenylamino)butanone-2, inhibition efficiency, adsorption, weight loss method.

Введение

Сплавы, содержащие железо, широко применяются в промышленности, однако в коррозионно-активных средах, таких как соляная кислота, коррозия остаётся одной из основных проблем. Одним из эффективных способов снижения коррозии является использование органических ингибиторов. Органические ингибиторы содержат такие гетероатомы, как азот (N), сера (S), фосфор (P) и кислород (O), а также π-электронные системы. Эти соединения адсорбируются на поверхности металла и образуют защитный слой. Адсорбция может происходить за счёт физических или химических взаимодействий [1,2,3]. Эффективность ингибиторов на основе имидазолина в снижении коррозии в условиях CO₂ была широко изучена [4]. Согласно результатам исследования, было установлено, что эти ингибиторы адсорбируют поверхность металла, образуя защитный слой и значительно снижая скорость коррозии. Это говорит о том, что органические ингибиторы важны для защиты металлов в агрессивных условиях

Цель исследования

Определение ингибирующей эффективности 1-(дифениламино)бутанона-2 при защите стали 09Г2С от коррозии в 1,0 М растворе HCl, а также изучение влияния температуры и концентрации ингибитора на кинетику коррозионного процесса и адсорбционные свойства защитного слоя.

Методология исследования

В наших предыдущих исследованиях [5,6,7] изучался синтез 1-(дифениламино)бутанона-2, реакция в процессе синтеза описывается следующим образом

Подготовка образцов стали к проведению исследований осуществлялась в следующей последовательности:

а) Перед проведением коррозионных испытаний были определены исходные массы пронумерованных образцов стали, а полученные результаты занесены в таблицу 1

Таблица 1. Массы образцов стали до проведения испытаний

б) С целью определения основных геометрических параметров образцов стали, использованных в коррозионных испытаниях, были измерены их габаритные размеры, а полученные результаты представлены в таблице 2

Таблица 2. Габаритные размеры образцов стали

где a — длина образца, b — ширина образца, c — толщина образца.

в) Расчёт площади поверхности образцов

Площадь поверхности образцов определяли по следующей формуле :

S=2(ab+bc+ac)

Образец №1:

S =2(98× 44 + 44 × 17 + 98 × 17) = 13452 мм² = 134,52 см²

Образец №2:

S = 2(80×59+59× 17 + 80 × 17) = 14166 мм² = 141,66 см²

Образец №3:

S = 2(46×22+22× 7 + 46× 7) = 2976 мм² = 29,76 см²

Для приведения поверхности стальных образцов к одинаковому состоянию их подвергали механической обработке наждачной бумагой с целью удаления неровностей поверхности и острых кромок. После этого образцы выдерживали в очищающем растворе на основе уротропина и соляной кислоты в течение 4 минут, что обеспечивало удаление продуктов коррозии и других посторонних загрязнений с поверхности металла. Очистку проводили при температуре 15–25 °C.  Очищенные образцы стали тщательно промывали дистиллированной водой, после чего остатки очищающего раствора удаляли с поверхности с использованием резинового скребка. После промывки поверхность образцов обезжиривали ацетоном и высушивали с помощью фильтровальной бумаги. Подготовленные образцы помещали в сушильный шкаф при температуре 100 °C на 2 часа для полного удаления влаги с поверхности металла. Высушенные образцы помещали в эксикатор и выдерживали до достижения комнатной температуры. Это позволяло исключить влияние атмосферной влаги на результаты последующих измерений.

Полученные образцы стали выдерживали в 1,0 М растворах соляной кислоты, содержащих различные концентрации ингибитора, при различных температурах в течение 24 часов. Масса образцов до и после погружения в раствор определялась с использованием аналитических весов. В ходе эксперимента температура раствора контролировалась с помощью водяной бани. Каждый опыт проводился трижды в одинаковых условиях, после чего рассчитывались средние значения полученных результатов.

Результаты и обсуждение

Скорость коррозии стальных образцов (C_R) рассчитывалась [8] по следующему уравнению:

где:

C_R- скорость коррозии, мг·см⁻²·ч⁻¹;

S — площадь поверхности стального образца (см²);

T — время выдерживания в растворе (ч);

W₀ — масса стального образца до проведения эксперимента;

W_i — масса стального образца после проведения эксперимента.

Эффективность ингибирования рассчитывались по следующим формулам[9]:

Сталь 09G2S (09Г2С) представляет собой низколегированную конструкционную сталь, широко применяемую в нефтегазовой промышленности, при производстве трубопроводов, оборудования, работающего под давлением, а также металлических конструкций. Химический состав стали 09Г2С соответствовал требованиям ГОСТ 19281–2014. Её состав преимущественно представлен железом, при этом она содержит углерод (до 0,12%), кремний (0,5–0,8%), марганец (1,3–1,7%), а также небольшие количества фосфора, серы, хрома, никеля, ванадия и меди [10].

Результаты потери массы образцов стали 09Г2С в 1 М растворе соляной кислоты в присутствии и отсутствии ингибитора были исследованы в интервале температур 313–343 K, а полученные данные представлены в таблице 3. Согласно полученным результатам, с увеличением концентрации синтезированного 1-(дифениламино)бутанона-2 наблюдалось значительное снижение скорости коррозии (C_R). Все эксперименты проводились в трёх повторностях, а результаты представлены в виде средних значений. Испытания проводили при различных концентрациях ингибитора и температурах, а полученные значения скорости коррозии и эффективности ингибирования представлены в таблице 3.

По результатам исследования установлено, что 1-(дифениламино)бутанон-2 при концентрации 500 мг/л обеспечивал наивысшую степень защиты, а дальнейшее увеличение концентрации не оказывало существенного влияния на эффективность ингибирования. При температуре 313 K и концентрации 500 мг/л в присутствии ингибитора 1-(дифениламино)бутанона-2 скорость коррозии составила 0,207 мг·см⁻²·ч⁻¹. Для сравнения, в среде без применения ингибитора скорость коррозии составила 2,12 мг·см⁻²·ч⁻¹. Кроме того, степень покрытия металлической поверхности и эффективность противокоррозионной защиты ингибитора 1-(дифениламино)бутанона-2 последовательно возрастали с увеличением концентрации ингибитора. В ходе исследования было установлено, что максимальная степень ингибирования достигала 90,2%.

Таблица 3. Коррозионные параметры стали 09Г2С, определённые методом потери массы в 1,0 М растворе HCl, содержащем различные концентрации 1-(дифениламино)бутанона-2 при разных температурах

С целью оценки влияния температуры на процесс коррозии стали 09Г2С в 1 М растворе HCl были проведены эксперименты методом потери массы в интервале температур 313–343 K в течение 24 часов в условиях присутствия и отсутствия ингибиторов различных концентраций. Полученные результаты показали, что с повышением температуры скорость коррозии увеличивалась как в присутствии ингибитора, так и в среде без ингибитора. Данное явление объясняется частичной десорбцией молекул ингибитора, адсорбированных на поверхности стали 09Г2С, при повышении температуры.

Как видно из рисунков 1–2, увеличение концентрации 1-(дифениламино)бутанона-2 приводит к снижению скорости коррозии стали 09Г2С и повышению эффективности ингибирования. Максимальная степень защиты (90,2 %) достигалась при концентрации 500 мг/л и температуре 313 К, что свидетельствует о высокой ингибирующей способности исследуемого соединения.

Как показано на рисунке 3, молекулы 1-(дифениламино)бутанона-2 адсорбируются на поверхности стали 09Г2С за счёт химического и физического взаимодействия. Химическая адсорбция осуществляется посредством неподелённых электронных пар атомов азота и кислорода, а также π-электронов бензольных колец, тогда как физическая адсорбция обусловлена электростатическим взаимодействием протонированного атома азота с адсорбированными хлорид-ионами.

Заключение

В ходе исследования была изучена ингибирующая эффективность 1-(дифениламино)бутанона-2 по отношению к коррозии стали 09Г2С в 1,0 М растворе HCl методом потери массы. Полученные результаты показали, что синтезированный ингибитор эффективно снижает скорость коррозии и способствует формированию защитного адсорбционного слоя на поверхности металла. Установлено, что повышение концентрации ингибитора приводит к уменьшению скорости коррозии и увеличению степени ингибирования. Наиболее высокая защитная эффективность наблюдалась при концентрации 500 мг/л, при которой максимальная степень ингибирования достигала 90,2 % при температуре 313 K.

Исследование температурного влияния показало, что при повышении температуры коррозионная активность среды возрастает, однако в присутствии ингибитора увеличение скорости коррозии происходило значительно медленнее по сравнению с неингибированной средой. Это свидетельствует о стабильности защитного слоя, образуемого молекулами ингибитора на поверхности стали.

Таким образом, 1-(дифениламино)бутанона-2 может рассматриваться как перспективный органический ингибитор для защиты стали 09Г2С от кислотной коррозии в среде соляной кислоты и может быть рекомендован для применения в агрессивных кислотных условиях.

Список литературы:

1. Chen Y., Chen Z., Zhuo Y. Newly synthesized morpholinyl Mannich bases as corrosion inhibitors for N80 steel in acid environment //Materials. – 2022. – Т. 15. – №. 12. – С. 4218. DOI: 10.3390/ma15124218.
2. Жумаев Ж. Х. Синтез N-морфолинбутанона-2 и его ингибирующие свойства //Universum: химия и биология. – 2024. – Т. 2. – №. 5 (119). – С. 20-23.
3. Shodmonovna J. D., Khamrokulovich J. J., Khudoyorovich A. E. Study of the corrosion inhibition properties of a compound synthesized from diphenylamine // Universum: технические науки. – 2025. – Т. 11. – №. 11 (140). – С. 41-45.
4. Jaal R. A., Ismail M. C., Ariwahjoedi B. A review of CO2 corrosion inhibition by imidazoline-based inhibitor //MATEC Web of conferences. – EDP Sciences, 2014. – Т. 13. – С. 05012.
5. Atoev E., Jumaev J., Juraeva D. Influence of solvent on the reaction of vinyl acetyl with diphenyla-mine //Universum: химия и биология. – 2024. – Т. 2. – №. 7 (121). – С. 9-12.
6. Jabbor J. Chromato-mass spectrum analysis of (2s)-1-morpholin-4-yl butan-2-ol //Universum: технические науки. – 2025. – Т. 11. – №. 5 (134). – С. 51-54.
7. Jumaev J., Sadikova M., Qurbonova S. Analysis of synthesized N-morphophylline-butadiene-2, 3 using modern physical research methods // American Institute of Physics Conference Series. – 2025. – Т. 3304. – №. 1. – С. 040101.
8. Yadav M. et al. Experimental and quantum chemical studies on the corrosion inhibition performance of benzimidazole derivatives for mild steel in HCl //Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2013. – Т. 52. – №. 19. – С. 6318-6328. DOI: 10.1021/ie303495s
9. Ekanem U. F. et al. Inhibition of mild steel corrosion in HCl using pineapple leaves (Ananas comosus L.) extract //Journal of materials science. – 2010. – Т. 45. – №. 20. – С. 5558-5566.
10. ГОСТ 19281–2014. Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. – Москва: Стандартинформ, 2015. – 23 с.

References:

1. Chen Y., Chen Z., Zhuo Y. Newly synthesized morpholinyl Mannich bases as corrosion inhibitors for N80 steel in acid environment. Materials. 2022, vol. 15, no. 12, pp. 4218. DOI: 10.3390/ma15124218.
2. Jumaev J. Kh. Sintez N-morfolinbutanona-2 i ego ingibiruyushchie svoistva [Synthesis of N-morpholinebutanone-2 and its inhibitory properties]. Universum: khimiya i biologiya. 2024, vol. 2, no. 5(119), pp. 20–23. (In Russ.)
3. Shodmonovna J. D., Khamrokulovich J. J., Khudoyorovich A. E. Study of the corrosion inhibition properties of a compound synthesized from diphenylamine. Universum: tekhnicheskie nauki. 2025, vol. 11, no. 11(140), pp. 41–45.
4. Jaal R. A., Ismail M. C., Ariwahjoedi B. A review of CO₂ corrosion inhibition by imidazoline-based inhibitor. MATEC Web of Conferences. 2014, vol. 13, p. 05012.
5. Atoev E., Jumaev J., Juraeva D. Influence of solvent on the reaction of vinyl acetyl with diphenylamine. Universum: khimiya i biologiya. 2024, vol. 2, no. 7(121), pp. 9–12.
6. Jabbor J. Kh. Xromato-mass spektrum analiz (2s)-1-morfolin-4-il butan-2-ol [Chromato-mass spectrum analysis of (2s)-1-morpholin-4-yl butan-2-ol]. Universum: tekhnicheskie nauki. 2025, vol. 11, no. 5(134), pp. 51–54. (In Russ.)
7. Jumaev J., Sadikova M., Qurbonova S. Analysis of synthesized N-morphophylline-butadiene-2,3 using modern physical research methods. AIP Conference Proceedings. 2025, vol. 3304, no. 1, p. 040101.
8. Yadav M. et al. Experimental and quantum chemical studies on the corrosion inhibition performance of benzimidazole derivatives for mild steel in HCl. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013, vol. 52, no. 19, pp. 6318–6328. DOI: 10.1021/ie303495s
9. Ekanem U. F. et al. Inhibition of mild steel corrosion in HCl using pineapple leaves (Ananas comosus L.) extract. Journal of Materials Science. 2010, vol. 45, no. 20, pp. 5558–5566.
10. GOST 19281–2014. Prokat povyshennoi prochnosti. Obshchie tekhnicheskie usloviya [Rolled products of increased strength. General specifications]. Moscow: Standartinform, 2015. 23 p. (In Russ.)