СИНТЕЗ БОР-ОРГАНИЧЕСКОГО ИНГИБИТОРА И ЕГО АНТИКОРРОЗИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании на основе борной кислоты и глицерина был синтезирован борсодержащий органический ингибитор коррозии. Процесс синтеза осуществлялся посредством реакции конденсации, а структура полученного продукта была изучена с помощью ИК-спектроскопии. Результаты спектра подтвердили наличие в соединении связей B–O–C и C–O–B. Антикоррозионная эффективность ингибитора была оценена гравиметрическим методом в соответствии с требованиями ГОСТ 9.905–82. Результаты показали, что с увеличением концентрации ингибитора скорость коррозии уменьшается, а степень защиты возрастает. Наивысшая эффективность наблюдалась при концентрации 1 %, при этом степень защиты составила 92,12 %. Полученные результаты свидетельствуют о возможности применения синтезированного соединения в качестве эффективного ингибитора коррозии.

ABSTRACT

In this study, a boron-containing organic corrosion inhibitor was synthesized based on boric acid and glycerol. The synthesis process was carried out via a condensation reaction, and the structure of the obtained product was investigated using IR spectroscopy. The spectral results confirmed the presence of B–O–C and C–O–B bonds in the compound. The anticorrosion efficiency of the inhibitor was evaluated by the gravimetric method in accordance with the requirements of GOST 9.905–82. The results showed that with increasing inhibitor concentration, the corrosion rate decreases while the degree of protection increases. The highest efficiency was observed at a concentration of 1%, where the protection degree reached 92.12%. The obtained results indicate the feasibility of using the synthesized compound as an effective corrosion inhibitor.

Ключевые слова: коррозия, ингибитор коррозии, борная кислота, глицерин, борорганическое соединение, ИК-спектроскопия, гравиметрический метод, скорость коррозии, степень защиты.

Keywords: corrosion, corrosion inhibitor, boric acid, glycerol, boron-organic compound, IR spectroscopy, gravimetric method, corrosion rate, degree of protection.

Введение. Коррозия оказывает негативное влияние на эксплуатационную устойчивость металлических конструкций и технологического оборудования, вызывая значительные технические и экономические потери в нефтегазовой, химической и энергетической отраслях промышленности. Данный процесс ограничивает срок службы и функциональные свойства металлов, снижая их надёжность [1–3]. В связи с этим защита металлических поверхностей от воздействия агрессивных сред является одной из важных научных задач в области материаловедения и прикладной химии. Одним из широко применяемых эффективных подходов к замедлению коррозии является использование ингибиторов коррозии, образующих защитный слой на поверхности металла. В литературе показано, что механизм действия ингибиторов тесно связан с их молекулярной структурой и поверхностными явлениями [2, 4]. В частности, органические соединения, содержащие гетероатомы (N, O, S), вступают в донорно-акцепторное взаимодействие с поверхностью металла и эффективно подавляют коррозионный процесс [4]. Современные исследования показывают возрастание научного интереса к экологически безопасным и органической природы ингибиторам коррозии. В работах Rani и Basu [5], а также Sastri [6] широко проанализированы преимущества, адсорбционные свойства и возможности практического применения таких ингибиторов. Согласно данным исследованиям, плотное расположение молекул ингибитора на поверхности металла приводит к образованию защитной плёнки и существенному снижению скорости коррозии. При оценке эффективности органических ингибиторов важное значение имеют адсорбционные и термодинамические подходы. Исследования, проведённые Bentiss и соавторами [7], подтверждают, что адсорбция органических молекул на поверхности металла приводит к замедлению коррозионного процесса. Кроме того, Zhang и др. [8], а также Abd El Rehim и соавторы [9] показали, что гетероатомсодержащие органические соединения эффективно подавляют коррозию металлов в кислых и солевых средах. Однако анализ имеющейся литературы показывает, что борсодержащие органические соединения, в частности борорганические ингибиторы, синтезированные на основе глицерина и борной кислоты, их структура, а также концентрационно-зависимая антикоррозионная эффективность, изучены недостаточно систематически. В связи с этим в рамках данной работы был синтезирован новый борорганический ингибитор коррозии на основе борной кислоты и глицерина, его структура была определена с помощью ИК-спектроскопии, а ингибиторная эффективность оценена гравиметрическим методом в соответствии со стандартами ГОСТ 9.905–82 и ASTM G31–12a [10].

Методология исследования. В лабораторных условиях на основе глицерина и борной кислоты было синтезировано новое органическое ингибиторное соединение, обладающее антикоррозионными свойствами. В процессе синтеза молекула глицерина, содержащая три функциональные –OH группы, проявляет высокую склонность к реакции конденсации с борной кислотой, что создаёт условия для образования циклических и частично разветвлённых бороэфирных соединений. Реакция проводилась в круглодонной колбе объёмом 250 мл в системе, оснащённой аппаратом Дина–Старка и обратным холодильником. На первом этапе в колбу вносили глицерин, затем борную кислоту в эквимолярном соотношении, после чего смесь нагревали при постоянном перемешивании в температурном интервале 100–140 °С в течение 2 часов. В процессе нагревания –OH группы борной кислоты взаимодействовали со спиртовыми функциональными группами глицерина с образованием эфирных связей типа B–O–C. В ходе реакции происходило выделение молекул воды, что подтверждает протекание конденсационного механизма. Выделяющаяся вода непрерывно собиралась в аппарате Дина–Старка, в результате чего, в соответствии с принципом Ле Шателье, равновесие реакции смещалось в сторону продуктов и степень образования бороэфиров возрастала. Данный метод обеспечивал эффективность реакции и позволял получить стабильное борорганическое соединение.

Полученный продукт как ингибитор коррозии отличается высокой термической стабильностью, сбалансированными гидрофильно-липофильными свойствами, а также пространственной конфигурацией, обеспечивающей сильную адсорбцию на поверхности металлов, что, в свою очередь, повышает его защитную эффективность.

Обсуждение и результаты. С целью определения ингибиторных свойств борсодержащего органического ингибитора на начальном этапе исследования были проведены инфракрасные спектроскопические анализы. Исследования выполнялись с использованием ИК-Фурье спектрометра FT-IR фирмы SHIMADZU (Япония) в диапазоне 400–4000 см⁻¹. Данная спектральная область является удобной для идентификации функциональных групп и позволяет фиксировать основные валентные и деформационные колебания, характерные для органических и борсодержащих соединений.

ИК-спектры вещества, полученного на основе глицерина и борной кислоты, были сняты и проанализированы (рисунок 1).

Рисунок 1. ИК-спектр ингибитора коррозии марки GB-3

Таблица 1.

Значения

Для проведения экспериментальных исследований металлические образцы были предварительно подготовлены, а испытания проводились в соответствии с действующими требованиями стандарта ГОСТ 9.905–82. В частности, при проведении коррозионных испытаний были отобраны металлические пластины с ровной поверхностью.

Массы образцов до начала эксперимента:

 В условиях испытаний без ингибитора: M₁ =452,6 mg=0,4526g

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 0,25 %:

M₂ = 422,8 мг = 0,4228 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 0,5 %:

M₃ = 406,2 мг = 0,4062 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 0,75 %:

M₄ = 457,7 мг = 0,4577 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 1 %:

M₅ = 486,5 мг = 0,4865 г.

Испытания проводились в установке при атмосферном давлении в течение 120 часов и при четырёх различных концентрациях ингибитора. Продолжительность испытаний отсчитывалась с момента размещения образцов в заданной среде. Длительность испытаний была определена на основании норм, установленных стандартом ГОСТ 9.905–82. С целью определения оптимального значения концентрация ингибитора повышалась поэтапно, и на каждом уровне концентрации проводились отдельные испытания. Массы образцов после проведения эксперимента:

В условиях испытаний без ингибитора:

M₁ = 321,5 мг = 0,3215 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 0,25 %:

M₂ = 388,8 мг = 0,3888 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 0,5 %:

M₃ = 379,6 мг = 0,3796 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 0,75 %:

M₄ = 440,0 мг = 0,4400 г;

В условиях испытаний с ингибитором марки GB-3 в концентрации 1 %:

M₅ = 475,3 мг = 0,4753 г;

При этом площадь поверхности образцов составляет 0,0302–0,0345 м²..

Таблица 2.

Определение скорости коррозии и степени защиты ингибиторов

Скорость коррозии и степень защиты ингибиторов определяются на основе результатов испытаний. В ингибиторной среде степени защиты при концентрациях 0,25 %, 0,5 %, 0,75 % и 1,0 % составляют соответственно 72,59 %, 77,55 %, 86,88 % и 92,12 %.

Рисунок 2. Результаты

Из диаграммы, представленной на рисунке 2, видно, что с увеличением концентрации ингибитора скорость коррозии последовательно снижается. При концентрации 0,25 % скорость коррозии достигает максимального значения, тогда как при увеличении концентрации до 1,0 % она уменьшается до минимального уровня. Это указывает на способность ингибитора формировать на поверхности металла защитный слой, эффективно ослабляющий воздействие агрессивной среды.

Рисунок 3. Результаты

Из диаграммы, представленной на рисунке 3, видно, что с увеличением концентрации ингибитора степень защиты металла последовательно возрастает. При концентрации 0,25 % защитная эффективность является относительно низкой, тогда как при достижении концентрации 1,0 % наблюдается её максимальное значение. Это объясняется формированием на поверхности металла устойчивого защитного слоя ингибитора.

Выводы и предложения. В данном исследовании был синтезирован борсодержащий органический ингибитор коррозии на основе борной кислоты и глицерина. ИК-спектроскопические анализы подтвердили образование связей B–O–C и C–O–B в структуре продукта. Согласно результатам гравиметрических испытаний, с увеличением концентрации ингибитора скорость коррозии снижалась, а степень защиты возрастала. Наивысшая эффективность наблюдалась при концентрации 1 %, при этом степень защиты составила 92,12 %. Полученные результаты свидетельствуют о том, что синтезированное соединение является эффективным ингибитором коррозии.

Список литературы:

1. Фокин М. Н., Писарев В. В. Коррозия и защита металлов. – М.: Металлургия, 2010. – 416 с.
2. Ребиндер П. А., Шалимов В. В. Поверхностные явления в процессах коррозии и защиты металлов. – М.: Химия, 1981. – 352 с.
3. Шлугер М. А., Касьян В. П., Кузнецов Ю. И. Коррозия и защита металлов и сплавов. – М.: Металлургия, 1981. – 216 с.
4. Кузнецов Ю. И. Органические ингибиторы коррозии металлов. М: Химия, 1986. 304 с.
5. Rani B. E. A., Basu B. B. J. Green inhibitors for corrosion protection of metals and alloys: An overview // International Journal of Corrosion. – 2012.Vol. 2012. – P. 1–15.
6. Sastri V. S. Green Corrosion Inhibitors: Theory and Practice.–Hoboken: John Wiley & Sons, 2011. – 328 p.
7. Bentiss F., Lebrini M., Lagrenée M. Thermodynamic characterization of metal dissolution and inhibitor adsorption processes in mild steel/organic inhibitor systems // Corrosion Science.2005.Vol. 47, No. 12. P. 2915–2931.
8. Zhang D. Q., Gao L. X., Zhou G. D. Inhibition of copper corrosion by bis-(benzimidazolyl) compounds in chloride media // Applied Surface Science. – 2004. – Vol. 225. P. 287–294.
9. Abd El Rehim S. S., Ibrahim M. A., Khaled K. F. 4-Aminoantipyrine as an inhibitor of mild steel corrosion in HCl solution // Journal of Applied Electrochemistry. – 1999. – Vol. 29. P. 593–599.
10. ASTM G31–12a. Standard Guide for Laboratory Immersion Corrosion Testing of Metals. ASTM International, 2012.