Исследование ингибированной коррозии стали с использованием вторичных отходов

АННОТАЦИЯ

В работе изучена ингибирование коррозии стали ингибиторами на основе полиэтиленполиамина с кротоновым альдегидом. Полученные значения эффективности ингибирования, была достигнута 93,65% при 301 K и концентрации 50 г/л.

ABSTRACT

In this work, we studied the inhibition of steel corrosion by inhibitors based on polyethylene polyamine with crotonic aldehyde. The obtained values of the inhibition efficiency were reached 93.65% at 301 K and a concentration of 50 g/l.

Ключевые слова: ингибиторы коррозии, коррозия металла, полиэтиленполиамин, кротоновый альдегид.

Keywords: corrosion inhibitors, metal corrosion, polyethylene polyamine, crotonaldehyde.

Введение. Хорошо известно, что низкоуглеродистая сталь применяется в производственных оборудованиях и водооборотных системах из-за ее высокой механической прочности и низкой стоимости [1]. Однако он имеет плохую коррозионную стойкость при воздействии агрессивной среды, таких как промышленное травление и очистка кислотой, кислотная обработка нефтяных скважин, высокая температура и многие другие [1,2]. Эффекты коррозии огромны, и ее подавление до безопасного уровня очень желательно. Многие исследователи работали над получением различных методов смягчения коррозии мягкой стали, среди которых - ингибирование поверхности мягкой стали с помощью органических и неорганических ингибиторов. Вторичные отходы производства привлекла больше внимания, потому что поощряет использование вторичных материалов во всех сферах жизни. Это, в свою очередь, снижает риск для здоровья человека и загрязнения окружающей среды. Вторичные отходы применялась для ингибирования коррозии различных металлов. Сообщалось, что кротоновую фракцию с аминсодержащими соединениями можно использовать в качестве ингибиторов коррозии, поскольку они могут легко адсорбироваться на поверхности металла за счет свободных электронов, ароматических колец, π-связей, полярных функциональных групп, которые присутствуют в них и служат центрами адсорбции [2].

Экспериментальная часть. В данной работе изучены олигомерные ингибиторы коррозии на основе полиэтиленполиамина с кротоновым альдегидом (ПКА-1). Использовалась низкоуглеродистая сталь (~1см×1см×0,1см) с массовым содержанием C (0,15%), Mn (1,00%), P (0,035%), S (0,035%), Si (0,30%) и Fe (98,48%). для этого исследования.

Все использованные образцы мягкой стали были очищены, промыты ацетоном, высушены на воздухе и предварительно взвешены перед погружением в растворы 1M HCl (контроль) и 1M HCl, содержащие ингибиторы коррозии с концентрацией 15, 30 и 50 г/л. Образцы были испытаны в трех экземплярах для каждой концентрации при различных температурах 301, 313 и 323 К. Изменение веса мягких сталей проверяли каждые 2 дня в течение 16 дней. Скорости коррозии (CR) мягкой стали, покрытие поверхности θ и эффективность ингибирования IE были рассчитаны с использованием уравнений 1, 2 и 3 соответственно.

                                                                            (1)

                                                                             (2)

                                                                (3)

∆w - изменение веса в мг, K - постоянная коррозии (87,6), ρ - плотность мягкой стали в г/см³, A - площадь образца мягкой стали в см², а t - время в часах. Потеря массы купона в электролите с ингибитором равна w₁, а w₂ - потеря массы купона в электролите без ингибитора.

Реакцию полиэтиленполиамина (ПЭПА) с кротоновым альдегидом (КА) проводили в диметилфорамиде при 50 ^оС в течении 2 часа, при мольном соотношении 1:1. Схему реакции ПЭПА с КА можно представить следующем образом:

Из рисунка 1 видно, что в ИК-спектре ПКА-1 появляются характерные полосы -N-CH- при 1663 см^-1, а также концевые NH₂-группы появляются в области 657 см^-1. В области 2935 и 2808 см^-1 и 1091 см^-1 появляются характерные полосы для CH– и CH₂– групп, а также деформационные колебания в области 1440 см^-1. В области 1384 см^-1 появляются полосы относящейся CH₃-группам.

Рисунок 1. ИК-спектр олигомера ПЭПА с КА (ПКА-1.

Полученные результаты и их обсуждение. В таблице 1 показаны скорости коррозии и эффективность ингибирования, полученные в результате испытаний на основе гравиметрического метода. Результаты показали, что с повышением температуры среды потеря веса испытуемого образца уменьшается. Аналогичным образом, когда концентрация ингибитора увеличивается, потеря веса уменьшается, несмотря на повышение температуры. Используя холостые образцы (0,0 г/мл) в качестве ссылки на результаты с образцами, содержащими ингибитор, было видно, что ПКА-1 действует как эффективный ингибитор коррозии на мягкой стали. Чем ниже скорость коррозии, тем выше эффективность ингибирования коррозии.

Таблица 1.

Скорость коррозии и эффективность ингибирования ингибитора ПКА-1

Изотерма адсорбции часто применяется для изучения типа взаимодействия молекул с поверхностью металла при определенных условиях (температуре). Изотермы Ленгмюра и Темпкина были использованы для анализа наилучшего соответствия реакции ингибирования между молекулами ПКА-1 и поверхностью мягкой стали. Данные анализа потери веса были подогнаны к модифицированной форме изотерм Ленгмюра и Темкина для определения адсорбционного поведения ингибитора на поверхности мягкой стали, и данные соответствуют обеим изотермам. Параметры, полученные из изотерм, представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Параметры изотермы

Изотерма Ленгмюра имеет следующий вид [3]:

                                                                (4)

где y - количество молекул ингибитора, занимающих активный центр, θ - степень покрытия поверхности, C - концентрация ингибирования, K - константа, связанная с константой равновесия процесса адсорбции, а K_ads = K^1/y. Стандартная свободная энергия была рассчитана с использованием уравнения 5 [4].

                                                     (5)

Стандартная свободная энергия адсорбции (ΔGº_ads), полученная из экспериментальных данных с использованием изотерм адсорбции Ленгмюра, дала отрицательные значения при всех температурах. Известно, что отрицательные значения ΔGº_ads подразумевают процесс самопроизвольной адсорбции. Было высказано предположение, что стандартные значения свободной энергии адсорбции (ΔGºads) до -20 кДж/моль указывают на электростатические взаимодействия (физическую адсорбцию) между заряженной поверхностью металла и ингибитором. С другой стороны, значения ΔGºads порядка -40 кДж/моль и выше показывают, что существует перенос заряда (хемосорбция) от органических молекул к поверхности металла.

Высокие значения K_ads при более низкой температуре указывают на то, что адсорбция более подходящий при более низкой температуре [5]. График изотермы Ленгмюра приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. График изотермы Ленгмюра

Полученные значения ΔGº_ads показали, что ПКА-1 показывает комплексное поведение (комбинированный эффект), и значения уменьшаются с повышением температуры. Процесс адсорбции может больше походить на физическую адсорбцию из-за снижения эффективности ингибирования с повышением температуры.

Изотерма Темкина показывает степень покрытия поверхности (θ) относительно концентрации ингибитора (C), как показано в уравнении 6 [6]. График изотермы Темкина приведен на рисунке 3.

                                                          (6)

Значения параметра притяжения (а) отрицательны при каждой температуре, что означает, что в адсорбционном слое существует отталкивание [6]. Значения ΔGº_ads, полученные из изотермы Темкина, отрицательны и означают полную адсорбцию, аналогичную значениям, полученным из изотермы Ленгмюра.

Рисунок 3. График изотермы Темкина

Заключение. Из полученных данных можно сделать следующие выводы:

• Скорость коррозии снижается с увеличением концентрации ингибитора.

• Эффективность ингибирования увеличивается с увеличением концентрации, но уменьшается с повышением температуры.

• Наивысшая эффективность ингибирования 93,65% была достигнута при 301 K и концентрации 50 г/л.

• Экспериментальные данные соответствуют изотермам Ленгмюра и Темкина.

• Адсорбция ингибитора на поверхности металла была самопроизвольной в результате как физического, так и химического взаимодействия.

Список литературы:

1. M.N. Rahuma, M.B. EL-Sabbah, I.M. Hamad, Effect of serine and methionine on electrochemical behavior of the corrosion of mild steel in aqueous solutions. Hindawi Publishing Corporation, ISRN, Corrosion: (2013) pp 1-7.
2. Нуриллоев З.И., Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т. Исследование ингибирование коррозии стали 20 в1М растворах H2SO4, исследованных методом атомно-абсорбционной спектрометрии // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2019. No 2(59). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/6947 
3. R. Karthikaiselvi, S. Subhashini, Study of adsorption properties and inhibition of mild steel corrosion in hydrochloric acid media by water soluble composite poly (vinyl alcohol-o-methoxy aniline). J. Assoc. Arab Univ. Basic Appl. Sci., 16 (2014) 74–82
4. K. D. Ogwo, J. C. Osuwa, I.E. Udoinyang, L.A. Nnanna, Corrosion Inhibition of Mild Steel and Aluminium in 1 M Hydrochloric Acid by Leaves Extracts of Ficus sycomorus//Physical Science International Journal. 2017. V. 14. №3. P. 1-10 DOI: 10.9734/PSIJ/2017/32708
5. Нуриллоев З.И., Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т. Исследование ингибирование коррозии стали СТ20 новым ингибитором ИКФ-1 // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2020. No 6(75). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/9616
6. A.A El-Awady, B.A. Abd-El-Nabey, S.G. Aziz, Kinetic–thermodynamic and adsorption isotherms analyses for the inhibition of the acid corrosion of steel by cyclic and open-chain amines. Electrochem. Soc. 139 (1992) 2149–2154.