МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ ИНГИБИТОРАМИ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ МОЛИБДЕН, КОБАЛЬТ, АЗОТ И ФОСФОР

АННОТАЦИЯ

Органические ингибиторы коррозии, содержащие гетероатомы (азот, кислород, сера, фосфор) и ароматические кольцевые структуры, являются одними из наиболее эффективных средств защиты металлов в агрессивных средах. Их защитное действие связано с формированием на поверхности стали адсорбционных слоёв, которые уменьшают скорость окислительных процессов и препятствуют дальнейшему разрушению металла. Ключевыми факторами, определяющими эффективность ингибирования, служат наличие неподелённых пар электронов и подвижных π-электронов в функциональных группах, обеспечивающих прочное взаимодействие с металлической поверхностью. Исследования показывают, что данные ингибиторы отличаются низкой токсичностью, экологической безопасностью, сохраняют эффективность при различных температурах и концентрациях, а также проявляют высокую устойчивость как в кислых, так и в нейтральных условиях. Благодаря этим свойствам органические соединения рассматриваются как перспективные ингибиторы коррозии для практического применения.

ABSTRACT

Organic corrosion inhibitors containing heteroatoms (nitrogen, oxygen, sulfur, phosphorus) and aromatic ring structures are among the most effective means of protecting metals in aggressive environments. Their protective action is associated with the formation of adsorption layers on the steel surface, which reduce the rate of oxidation processes and prevent further metal degradation. The key factors determining the inhibition efficiency are the presence of lone electron pairs and delocalized π-electrons in functional groups, which ensure strong interaction with the metal surface. Studies show that these inhibitors are characterized by low toxicity, environmental safety, and the ability to maintain efficiency under various temperatures and concentrations, as well as high stability in both acidic and neutral media. Owing to these properties, organic compounds are considered promising corrosion inhibitors for practical applications.

Ключевые слова: ингибиторы коррозии, коррозия металла, содержащие фосфор, серу, азот и имеющие π-связи, пиперидин.

Keywords: corrosion inhibitors, metal corrosion, containing phosphorus, sulfur, nitrogen and having π-bonds, piperidine.

Введение: Коррозия — это процесс разрушения материалов, преимущественно металлов и металлических конструкций, под воздействием химических реакций или электрохимических процессов. Наиболее часто коррозия возникает при взаимодействии железа и его сплавов с кислородом и влагой окружающей среды. Данный процесс нередко называют «обратной металлургией», поскольку коррозия относится к числу самопроизвольных процессов, протекающих за счёт снижения термодинамической свободной энергии металлов. В обобщённом виде коррозию можно охарактеризовать как превращение металлов в термодинамически более устойчивые соединения — оксиды, гидроксиды или сульфиды, то есть в форму, которая соответствует их природному состоянию. Именно по этой причине коррозия рассматривается как один из наиболее опасных факторов, ограничивающих долговечность и надёжность инженерных конструкций и технических материалов [2].

Коррозия одновременно наносит огромный ущерб не только промышленной инфраструктуре, но и культурному наследию. Можно сказать, что практически не существует такой отрасли, которая не страдала бы от процессов коррозии. Например, этому явлению подвержены энергетика, транспорт, химия и химическая технология, системы производства и распределения продуктов питания и питьевой воды, нефтегазовая промышленность, фармацевтика, машиностроение и строительство [4]. Коррозия причиняет колоссальный вред металлическим и железобетонным конструкциям, трубопроводам для транспортировки углеводородов и воды, инфраструктуре воздушного, наземного и морского транспорта, мостам, опорам, морским сооружениям, химическим заводам и атомным реакторам, электростанциям, электронным устройствам, телесным имплантатам, объектам культурного наследия, артефактам и многим другим сооружениям.

Гравиметрический метод один из широко применяемых и эффективных методов в лабораторных условиях для определения скорости коррозии металлов. В этом методе скорость коррозии исследуемого металла определяется по разнице потерь массы в растворах с добавленным ингибитором и без него [1]. Кроме того, для определения скорости коррозии стали авторами статьи были проведены практические эксперименты при различных температурах и концентрациях. Образцы стали выдерживались в среде в интервалах времени от 24 до 240 часов, и на этих интервалах определялась скорость коррозии. Для этого при различных концентрациях и в заданном диапазоне температур проводились испытания стального электрода; на основе гравиметрического метода в ингибированных и неингибированных растворах рассчитывались скорость коррозии и потери массы.

Гравиметрический метод. Защитное действие ингибиторов коррозии (Z, %) определяется разностью массы контрольного образца в растворе с ингибитором и без ингибитора и рассчитывается по следующей формуле:

Δm контр — ;
Δm инг — потеря массы;
m₀ — масса образца до эксперимента;
m контр — масса образца после испытания без ингибитора;
m инг — масса образца после испытания с ингибитором.

В отдельных случаях скорость коррозии определяется по толщине металла. Такой метод также называется показателем глубины коррозии, а его единицей измерения является мм/год.

Классификация металлов по стойкости к коррозии определяется по 10-балльной шкале (ГОСТ 13819-68). Глубина коррозии рассчитывается по следующей формуле:

K_ч- скорость коррозии;

ρ- плотный металл, г / см³;  (Ст.3= 7,85 г / см³);

8760-количество часов в год;

Методика синтеза олигомерного ингибитора коррозии. Все электрохимические исследования были проведены на установке марки CS-350 “Corrosion Test” (рис. 1). На основе электрохимических измерений определяется эффективность действия ингибиторов, а также их тип [6]. При проведении измерений исследования выполнялись как в присутствии ингибитора (в различных концентрациях), так и в его отсутствие. Все опыты проводились при температуре 298 K.

Рисунок 1. Устройства "cossion test" марки CS-350

При проведении электрохимических измерений в основном использовались три типа электродов. Образец стали Ст20 служил рабочим электродом. Поверхность электрода предварительно зачищалась наждачной бумагой различной зернистости, промывалась дистиллированной водой, высушивалась, а затем дополнительно очищалась ацетоном. В качестве электрода сравнения использовался Ag / AgCl, а в качестве вспомогательного (контр-) электрода применялась платина.

В эксперименте только участок поверхности каждого электрода площадью 1,2 см² погружался в коррозионную среду. Электроды располагались параллельно друг другу на расстоянии 1 см, при этом электрод Ag / AgCl помещался между двумя другими электродами. Эти три типа электродов погружались как в растворы без ингибитора, так и в растворы с ингибитором различной концентрации, где и проводились испытания. Измерения проводились в условиях открытого цепного потенциала с использованием синусоидальной волны амплитудой 10 мВ в диапазоне частот от 10 кГц до 0,01 Гц, в интервале от пика до пика. Поляризационные кривые снимались при скорости сканирования 1 мВ·с⁻¹ в диапазоне от –160 мВ до +160 мВ.

Эксперименты выполнялись с использованием аппаратуры, включающей модуль шумоподавления с начальными входными параметрами: рабочий диапазон потенциала — 2,5 В, максимальное разрешение потенциала — 760 нВ, точность потенциала — 300 мкВ. Все полученные данные были обработаны и обобщены с помощью программы OriginLab.

На основании данных поляризационных измерений вблизи стационарного потенциала, с использованием полученных кривых электрополяризации, были определены значения коррозионного тока, а также наклоны поляризационных кривых, соответствующие выделению водорода и растворению металлов [5].

Условия: измерения проводились открытым цепным равиметрическим методом в течение 120 часов в градерной воде (испытание зелёного ингибитора). Определения и формулы:

Таблица 1.

Устойчивость ингибиторов ИК-1 к температурной коррозии

Из приведенной выше таблицы видно, что по результатам, полученным без применения ингибитора, скорость кодирования значительно выше, чем в растворах с ингибитором. С применением устройства ингибитора эффективность ингибирования увеличивается [6]. Для рабочей воды в системе охлаждения максимальная эффективность ингибирования при концентрации 1 г/л и температуре 25°С составляет 97,86 %.

Таблица 2.

В таблице ниже рассчитаны скорость коррозии и эффективность ингибитора ИК-1 для 1 м среды H₃PO₄ при различных концентрациях и температурах

В качестве ингибитора ИК — 1 применяли в 1 м фосфорной среде при концентрации 1 г/л и температуре 25 0С 90,03 %.

Заключение. В результате проведенного ииследования установлено, что повышение температуры до 95,5°С дает положительный результат (99,72 %) для ингибитора ИK-1 в сернокислой среде. Металлозащитные свойства изученных соединений стабильны во времени в соляной и сернокислой среде. На основании полученных данных установлено, что исследованные ингибиторы замедляют скорость коррозии в 12–32 раза в агрессивной среде, содержащей 50 мг/л соляной кислоты, и в 75–140 раз в той же среде [7].  Количество составляет 1000 мг/л. Также доказано, что защитные свойства исследованных ингибиторов по отношению к соляной и серной кислотам периодически повышаются с увеличением температуры.

Список литературы:

1. Барно Н.К.Р., Захро А.К.Р., Нарзуллаев А.Х., Бекназаров Х.С. Синтез ингибиторов коррозии, содержащих металлорганические и альдегидные соединения, и использование их в качестве антикоррозионных средств. – 2025. – Журнал Universum: технические науки. – Т. 6. – № 2 (131). – С. 18–21.
2. Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т. Защита стали от коррозии олигомерными ингибиторами и их композицими // Химия и химическая технология. – 2015. – № 1. – С. 50–52.
3. Иванов В.П., Кузнецов Ю.И. Методы защиты металлов от коррозии в кислых средах. // Защита металлов. – 2019. – Т. 55. – № 3. – С. 142–148.
4. Кадиров  Х.,  Азаматов  У.,  Турабджанов  С.М.  Новые  композиции ингибиторов  коррозии  и  солеотложения.  Композиционные  материалы. – 2015. – № 2. – С. 57.
5. Федорова Н.С., Каримов Б.Х. Исследование эффективности органических соединений как ингибиторов коррозии стали в растворе HCl. // Вестник Башкирского университета. – 2020. – Т. 25. – № 4. – С. 912–917.
6. Шайхутдинов Р.Ш., Ильин А.П. Ингибиторы коррозии металлов: теория и практика. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2017. – 256 с.
7. Beknazarov H.S. Investigation of corrosion inhibition mechanisms of heterocyclic nitrogen-sulfur compounds on steel surface. // Journal of Applied Chemistry and Chemical Engineering. – 2023. – Vol. 7. – No. 2. – P. 33–39.