ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ, СИНТЕЗИРОВАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ КОБАЛЬТА, НИКЕЛЯ И ХЛОРА, В СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ СЕРОВОДОРОД

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании изучалась эффективность ингибиторов коррозии, синтезированных из органических соединений кобальта, никеля и хлора, в среде, содержащей сероводород (H₂S). В исследовании был проведен всесторонний анализ адсорбционных свойств ингибиторов на поверхности металла, механизма образования защитного слоя и степени снижения скорости коррозии.

Результаты, полученные с помощью электрохимических методов, в частности, потенциодинамической поляризации и импедансной спектроскопии, показали, что синтезированные соединения образуют прочную защитную пленку на поверхности металла и значительно снижают воздействие агрессивных сред. С увеличением концентрации ингибитора плотность тока коррозии уменьшается, а эффективность защиты возрастает.

Кроме того, исследованные ингибиторы действовали как ингибиторы смешанного типа и одновременно влияли как на анодные, так и на катодные процессы. Несмотря на высокий риск коррозии в среде, содержащей сероводород, эти органические комплексы обеспечивают эффективную защиту металла.

Результаты показывают, что ингибиторы на основе органических соединений, содержащих кобальт, никель и хлор, перспективны для использования в нефтегазовой промышленности и химических процессах.

ABSTRACT

This study examined the effectiveness of corrosion inhibitors synthesized from organic compounds of cobalt, nickel, and chlorine in an environment containing hydrogen sulfide (H₂S). The study included a comprehensive analysis of the inhibitors' adsorption properties on the metal surface, the mechanism of protective layer formation, and the degree of corrosion rate reduction.

The results obtained using electrochemical methods, specifically potentiodynamic polarization and impedance spectroscopy, showed that the synthesized compounds form a strong protective film on the metal surface and significantly reduce the effects of aggressive environments. With increasing inhibitor concentration, the corrosion current density decreases, while the protection efficiency increases.

Furthermore, the studied inhibitors acted as mixed-type inhibitors, simultaneously affecting both anodic and cathodic processes. Despite the high risk of corrosion in an environment containing hydrogen sulfide, these organic complexes provide effective metal protection.

The results show that inhibitors based on organic compounds containing cobalt, nickel and chlorine are promising for use in the oil and gas industry and chemical processes.

Ключевые слова: органокобальтовые, органо-неникелевые, трубопроводам, транспортировки, aдсорбционные ингибиторы.

Keywords: organo-cobalt, organo-non-nickel, pipelines, transportation, adsorption inhibitors.

Введение. Коррозия одновременно наносит значительный ущерб не только промышленной инфраструктуре, но и объектам культурного наследия. Можно с уверенностью утверждать, что практически не существует отрасли, не подверженной процессам коррозии. В частности, к таким отраслям относятся энергетика, транспорт, химическая и химико-технологическая промышленность, системы пищевой промышленности и водоснабжения, нефтегазодобывающая отрасль, фармацевтика, машиностроение и строительство [1].

Коррозионные процессы наносят серьёзный ущерб металлическим и железобетонным конструкциям, трубопроводам для транспортировки углеводородов и воды, инфраструктуре воздушного, наземного и морского транспорта, мостам, опорам, морским сооружениям, химическим предприятиям и ядерным реакторам, электростанциям, электронным устройствам, медицинским имплантатам, объектам культурного наследия, артефактам и многим другим структурам.

В предотвращении коррозии одним из актуальных направлений исследований по-прежнему остается поиск новых типов коррозионных ингибиторов, обладающих высокой эффективностью, экономической целесообразностью и экологической безопасностью.

Механизм ингибирования коррозии основан на предотвращении или полном прекращении коррозионного процесса металлов и металлических конструкций путем пассивации их поверхности различными физико-химическими способами при определенных концентрациях ингибитора коррозии [2].

Результаты исследования показывают, что характеристики окружающей среды важны при выборе ингибиторов коррозии. Азотсодержащие органокобальтовые соединения и серосодержащие органо-неникелевые соединения, а также продукты на их основе, более эффективны в кислых средах. Ингибиторы коррозии, синтезированные с использованием кобальта, никеля, хлора и некоторых органических соединений, демонстрируют высокую эффективность при использовании в средах, содержащих сероводород [3].

Ингибитор коррозии уменьшает или предотвращает реакцию поверхности металла с внешней средой за счет следующих процессов:

1. снижение скорости коррозии в результате адсорбции ионов или молекул на поверхности металла;
2. защита посредством ускорения или замедления катодных или анодных реакций;
3. уменьшение степени коррозии за счет замедления скорости диффузии реактивов среды к поверхности металла;
4. снижение электрического тока через поверхность металла;
5. ингибиторы, обладающие легкостью применения и другими преимуществами.

Ингибиторы, содержащие кобальт, никель, хлор и некоторые органические соединения, адсорбируются на поверхности металла, образуя стабильные химические связи между молекулами и металлом, что обеспечивает защиту от коррозии через ингибирование. На процесс адсорбции ингибитора влияют такие факторы, как заряд поверхности металла и тип электролита. Эффективность ингибитора также зависит от его концентрации, времени воздействия и степени адсорбции. Адсорбционные ингибиторы представляют собой органические соединения, содержащие функциональные группы, такие как карбоксильная

(R-COOH), аминная (R-NH₂), бензоатная (C₆H₅COO-), сульфонатная и фосфонатная (R-PO₃H₂).

Экспериментальная часть. Кроме того, адсорбция этих ингибиторов коррозии изучалась с использованием следующих изотерм:

Изотерма Ленгмюра:

                                    (1.1)

Изотерма Фрумкина:

                 (1.2)

Изотерма Тёмкина:

                          (1.3)

Здесь: Сing — концентрация ингибитора в растворе (мг/л), θ — степень полной поверхности покрытия,

Kads — константа адсорбционного равновесия. Стандартная свободная энергия адсорбции (ΔG°ads) рассчитывается по следующему уравнению (1.4).

                        (1.4)

Здесь R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура в Кельвинах, ρW — плотность воды, г/л. Значения Kads и ΔG°ads рассчитываются с использованием вышеуказанных уравнений изотерм [4].

Отрицательное значение ΔG°ads указывает на достижение высокой степени адсорбции. Для изотермы Лэнгмюра значение ΔG°ads находилось в пределах от -40,5 до -43 кДж·моль⁻¹. Для изотермы Темкина диапазон значений ΔG°ads составил от -32 до -40 кДж·моль⁻¹. Значение ΔG°ads около -40 кДж·моль⁻¹ соответствует равновесию между химической и физической адсорбцией. Если значение ΔG°ads достигает -20 кДж·моль⁻¹, это указывает на физическую адсорбцию, тогда как значения более отрицательные, чем -40 кДж·моль⁻¹, свидетельствуют о химической адсорбции.

Основные результаты спектра: Для образцов стали, взятых для эксперимента, скорость коррозии определялась в интервале времени от 24 до 360 часов. Для этого проводились экспериментальные работы по определению скорости коррозии стального электрода при различных концентрациях и в заданном диапазоне температур (см. Таблица 1).

Рисунок 1. Поляризационные кривые для стали марки Ст 20, измеренные в среде 1 М HCl с различными концентрациями ингибитора IK-1 при 298 ± 1 K в течение 360 часов.

По мере увеличения концентрации ингибитора (100 → 400 мг/л) плотность тока уменьшается, т.е. скорость коррозии снижается. Сдвиг кривых вниз указывает на высокую защитную эффективность ингибитора. Ингибитор оказывает смешанное действие, поскольку изменения наблюдаются в катодной и анодной областях.

Таблица 1.

Значения коэффициента ингибирования (γ), степени полного покрытия поверхности (θ) и степени защиты (Z) для ингибитора в газоконденсате, определенные гравиметрическим методом при различных температурах в течение 360 часов

Из данных таблицы видно, что согласно результатам, полученным без применения ингибитора, скорость коррозии значительно выше, чем в растворах с ингибитором. С увеличением концентрации ингибитора эффективность ингибирования возрастает. Для рабочей воды в системе охлаждения максимальная эффективность ингибирования достигла 97,86 % при концентрации 1 г/л и температуре 333 K [5].

Рисунок 2. Изучение элементного состава материалов с помощью энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС)

Таблица 2.

Анализ параметров кристаллической решетки и дифракционных пиков железа (Fe) на основе данных рентгеновской дифракции.

Таблица 3.

Определение фазового состава железа и его углеродсодержащих соединений с помощью рентгеновской дифракции (РД).

Результаты анализа методом рентгеновской дифракции (XRD) показали, что основная фаза образца имеет кристаллическую структуру BCC α-Fe. Диффракционные пики при 2θ = 44,7°, 64,9° и 82,3° соответствуют плоскостям (110), (200) и (211) соответственно. Кроме того, было выявлено небольшое количество сплавов Fe–C, что подтверждает, что материал является низкоуглеродистой сталью [6].

Выводы

Результаты исследования показывают, что ингибитор ИК-1 эффективно снижает коррозию стали (Ст 20) в сероводородной и кислой средах. Результаты, полученные с помощью электрохимического (потенциодинамическая поляризация) и гравиметрического методов, подтверждают друг друга и указывают на значительное снижение скорости коррозии при использовании ингибитора. В частности, при увеличении концентрации ингибитора от 100 мг/л до 400 мг/л наблюдалось снижение плотности тока и сдвиг поляризационных кривых вниз, что подтверждает его высокую защитную эффективность.

Согласно гравиметрическому анализу, степень защиты (Z) и степень покрытия поверхности (θ) ингибитора систематически возрастали с увеличением концентрации. Наибольшая эффективность наблюдалась при высоких температурах (333 К) и высоких концентрациях (400 мг/л и выше) и достигала 95–97%. Это свидетельствует о способности ингибитора формировать плотный и стабильный адсорбционный защитный слой на поверхности металла. Рентгенодифракционный анализ (РД) подтвердил наличие α-Fe с ОЦК-кристаллической структурой в качестве основной фазы в образце. Дифракционные пики при 2θ = 44,7°, 64,9° и 82,3° соответствуют плоскостям (110), (200) и (211) соответственно, что согласуется с параметрами кристаллической решетки железа. Кроме того, обнаружение небольших количеств соединений Fe-C указывает на то, что исследуемый материал представляет собой низкоуглеродистую сталь [7].

В целом, полученные результаты подтверждают, что ингибитор ИК-1 является эффективным ингибитором коррозии смешанного типа (эффективен как в анодных, так и в катодных процессах) и перспективен для использования в нефтегазовой промышленности и технологических системах, работающих в агрессивных средах.

Список литературы:

1. Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т. Защита стали от коррозии олигомерными ингибиторами и их композицими // Химия и химическая технология.-2015. -№1. –С. 50-52.
2. 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.
3. Шайхутдинов Р.Ш., Ильин А.П. Ингибиторы коррозии металлов: теория и практика. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2017. – 256 с.
4. Иванов В.П., Кузнецов Ю.И. Методы защиты металлов от коррозии в кислых средах. // Защита металлов. – 2019. – Т.55. – №3. – С. 142–148.
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. Тошев М.Э., Умаров А.Н., Кадиров Х.И.. Ингибиторы солеотложения для водогрейных котлов и систем теплоснабжения // Международная научно-техническая конференция “Актуальные проблемы инновационных технологий в развитии химической, нефте-газовой и пищевой промышленности”  2016 г c 237
7. Акмал Холлинорович Нарзуллаев, Маргуба Абдусаттаровна Тогаева, Латофат Аскар Кизи Жамолова, Севинч Равшановна Хуррамова. Mетоды защиты металлов от коррозии ингибиторами на основе металлорганических соединений, содержащих молибден, кобальт, азот и фосфор. Авторы Дата публикации 2025 Журнал Universum: технические науки Том 7 Номер 10 (139) Страницы 17-21.