Синтез растворимой ингибирующей коррозии в воде, нефти, газовом конденсате, содержащем аминокислоты, и изучение влияния алюминия на металл

АННОТАЦИЯ

Исследована эффективность ингибиторов коррозии ИК-1 и ИК-2 при защите металлических деталей, работающих в агрессивных средах, от коррозии. Определяли количество ингибитора, взятого в водном и масляном растворе. Проведены испытания по коррозии стали. Алюминиевые сплавы системы алюминий – железо (Al – Fe) АЖ1 - AlFe 1,15 % в агрессивных средах в отсутствие и в присутствии различных концентраций ингибитора ИК-1 и ИК-2. Установлена оптимальная эксплуатационная температура ингибиторов коррозии ИК-1 и ИК-2.

ABSTRACT

The effectiveness of corrosion inhibitors IK-1 and IK-2 in protecting metal parts operating in aggressive environments from corrosion has been investigated. The amount of inhibitor taken in aqueous and oily solution was determined. Corrosion tests were carried out. Aluminum alloys of the aluminum-iron (Al-Fe) system АЖ1 - AlFe 1.15% in aggressive environments in the absence and presence of various concentrations of the inhibitor IK-1 and IK-2. The optimum operating temperature of corrosion inhibitors IK-1 and IK-2 was established.

Ключевые слова: ингибиторы коррозии, олеиновая кислота, аддукт цинка, коррозия металла, гидроксил натрия, фосфорная кислота, азот-фосфорсодержащие ингибиторы, аминные группы.

Keywords: corrosion inhibitors, oleic acid, zinc adduct, corrosion of metal, sodium hydroxyl, phosphoric acid, nitrogen phosphorus inhibitors, amine groups.

Введение. Сегодня экономические затраты промышленных предприятий растут из-за коррозии металла. Независимо от того, сколько стали производится в мире каждый год, 1/4 ее разрушается в результате коррозии [3].

Компоненты добываемых нефтегазовых продуктов, которые создают агрессивную среду, представляющие собой двуокись углерода, сероводород, воды минерализованных пласт, составляют до 10 % от всей массы добываемых углеводородов [11]. Это ускоряет процесс коррозии каждого прибора и оборудования. Из-за свойства проводимости электрического тока шламы, соединения серы, карбонатные соли, вода и водорастворимые вещества, входящие в состав углеводородных продуктов, вызывают процессы коррозии на поверхности металлов. Соединения, образующиеся в результате коррозии, могут способствовать углублению коррозии за счет электрохимических процессов [10; 7].

Известно, что все металлические предметы, включая металлический алюминий, адсорбируют на поверхности влагу с воздуха, в результате чего поверхность металла покрывается тонким слоем воды. Из-за диссоциации в малых количествах образуются водород и гидроксильные ионы, проявляя свойства гальванического элемента [6]. В результате ионы алюминия соединяются с гидроксильными ионами с образованием гидроксильных соединений алюминия:

2Al^– 6e^– = 2Al³⁺

6H⁺ +6e^– = 3H₂

2Al³⁺ + 6OH^– = 2Al(OH)₃

Таким образом, в металлическом алюминии наблюдается процесс коррозии. Известно, что коррозия всегда происходит на поверхности металлов. Классификация ингибиторов коррозии зависит от типа металлического материала и окружающей среды [8]. Они подразделяются на изменяющие состав среды и межфазные ингибиторы. Ингибиторы жидкой фазы попадают в категорию ингибиторов коррозионной среды и подразделяются на ингибиторы катодного, анодного и адсорбционного типа в зависимости от ингибирования электрохимических реакций на катоде и аноде.

Рисунок 0.Электрохимическая коррозия металла алюминия под воздействием температуры

Изучено влияние синтезированного ингибитора марки ИК-2 (содержит азот, фосфор, серу) на скорость коррозии металлического алюминия марки (алюминиевые сплавы системы алюминий – железо (Al – Fe) АЖ1 – AlFe 1,15 %) (50–90 °С) в агрессивных средах.

Экспериментальная часть. Для проведения экспериментов использовали методику, подробно описанную в работе [9]. Коррозионной средой служила техническая вода по химическому составу средне жесткая или умеренно жесткая. Скорость коррозии определяли гравиметрическим методом согласно ГОСТ 9.506–87 при естественной аэрации, температуре 35–90 °С, скорости движения жидкости 1,2 м/с на образцах из (алюминиевые сплавы системы алюминий – железо (Al – Fe) АЖ1 – Al Fe 1,15 %) в виде пластин размерами 10 × 18 × 1 мм [2; 4].

В настоящей работе были изучены олигомерные ингибиторы коррозии, синтезированные на основе алканоламина и аддукта цинка ИК-2, ИК-4. Способ осуществляют в следующей последовательности: в реактор, снабженный механической мешалкой и рубашкой, наливают воду в количестве 50 мл и добавляют 0,2–2,0 г многоатомного спирта, затем добавляют рассчитанное количество ИК-2, ИК-4. После этого добавляют окись цинка в количестве 4,2 г и перемешивают до полного растворения и получения прозрачной жидкости. Затем в реакционную смесь прибавляют (4,3 г) рассчитанное количество мелкоизмельченного гидроксила натрия и интенсивно перемешивают. При этом контролируют температуру в пределах 35–90 °С. Выход – не менее 95 % [5].

Метод поляризационных кривых. Таким образом определяли скорость растворения металла (коррозионный ток) i⁰_c, которому соответствует стационарный потенциал Ест, а также коррозионный ток i_c в присутствии ингибиторов, которому соответствует стационарный потенциал Е_ст, и, сопоставляя найденные таким образом значения коррозионного тока в различных средах и ингибированных растворах, оценивали эффективность ингибиторов – пленкообразователей и пассиваторов; на основе формул (1), (2) находили значения коэффициента торможения γ и рассчитывали степень защиты Z %.

Коэффициент торможения:

 ;                                                                                        (1)

степень защиты:

,                                                                              (2)

где i_c и i⁰_c – токи коррозии соответственно в отсутствие и присутствии ингибитора.

Результаты и их обсуждение. В смеси ИК-1, ИК-2 наблюдается существенное повышение защищаемой способности реагента. Это может быть объяснено явлением синергизма. Анализ проведенных исследований показал, что происходит изменение скорости коррозии и эффективности ингибитора в зависимости от концентрации и температуры ингибитора (табл. 1).

Таблица 1.

Уровень защиты ингибитора ИК-2 в сероводородной среде

Отрицательное значение ΔG указывает на то, что адсорбция происходит спонтанно. Хотя значение ΔH, превышающее 25 кДж/моль, указывает на то, что механизм ингибирования и адсорбции на поверхности мягкой стали происходит химически. Количество адсорбции происходит на поверхности мягкой стали в 0,5 М соляной кислоты при различных концентрациях ИК-2 на основе изотермы адсорбции Ленгмюра [5], тогда как изменение энтропии показало увеличение при использовании ингибиторов ИК-2.

Эксперименты показали, что предельно разбавленные растворы индивидуальных ингибиторов показывают высокий защитный эффект при концентрации 300 мг/л. Сравнение значений коэффициента торможения и степени защиты синтезированных ингибиторов и используемого в промышленности ингибитора Puro-tech 1011A показывает несколько более высокую (табл. 2) эффективность ингибиторов ИК-1, ИК-2 и ИК-3. С увеличением температуры эффективность защиты ингибиторов ИК-1, ИК-2 и ИК-3 несколько увеличивается, что свидетельствует о комплексообразующих свойствах данных соединений, а также об усилении адсорбционных процессов [5].

Таблица 2.

Электрохимические параметры для алюминия марки (алюминиевые сплавы системы алюминий – железо (Al – Fe) АЖ1 – Al Fe 1,15 %) в растворе 0,5 М HCl и в присутствии ИК-2, ИК-3, ИК-4, ИК-5 при различных температурах, полученные из исследований потенциодинамической поляризации

При сравнении зависимости ингибирующих свойств соединений от их структуры оказалось, что наиболее эффективными ингибиторами коррозии являются ингибиторы ИК-2, ИК-3 и ИК-4. В молекуле ингибиторов имеются разветвленные алкильные группы и гетероатомы серы, азота и фосфора, которые вступают в донорно-акцепторное взаимодействие с атомами поверхности металла, образуя хемосорбционную пленку (рис. 3, 4) [1].

Заключение. Более эффективны при защите от коррозии ингибиторы с заместителями при фосфорильной группе. Защитное действие азот-фосфорсодержащих ингибиторов обусловлено формированием плотноупакованных пленок на поверхности стали.

Достигнут защитный эффект многокомпонентных ингибиторов полимерного типа на основе отходов производства и местного сырья, до 5 % превышающий таковой импортируемых ингибиторов.

Показана экологическая безопасность применения разработанных ингибиторов в системах водоснабжения и циркулирующих оборотных водах, а также в нефте- и газохимической промышленностях, определена их эффективность, составляющая 95,15 %.

Список литературы:
1. Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т. Синтез и исследование олигомерного ингибитора коррозии ИКС-АЭХГ-1 // Сборник тезисов докладов V международной конференции школы по химии и физикохимии олигомеров. – Волгоград, 2015. – С. 35.
2. ГОСТ 4784–2019 // [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293728/4293728395.pdf.
3. Изоляция труб, фитингов и арматуры в полевых условиях. Serviurap's pipeline protection system // Water and Waste Treat (Or. Brit.). – 2000. – № 5.
4. Ингибитор Коррозии «ИК-МА-16» на основе кротонового альдегида и моноэтаноламина / А.Х. Нарзуллаев, Х.С. Бекназаров, А.Т. Джалилов, А.Х. Панжиев // Научный журнал Universum: Химия и биология. – 2019. – № 6 (60). – С. 64–66.
5. Ингибиторы коррозии аик-1 и аик-2 в агрессивных средах / А.Х. Нарзуллаев, Х.С. Бекназаров, А.Т. Джалилов, Ш.Н. Киёмов [и др.] // Научный журнал Universum: Технические науки. – 2019. – № 7 (64). – С. 43–44.
6. Кузнецов Ю.И., Казанская Г.Ю., Цирульникова Н.В. Аминофосфатные ингибиторы коррозии стали // Защита металлов. – 2003. – Т. 39. – С. 141–145.
7. 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, нефтегазовой и пищевой промышленности». – 2016.
8. Эшмаматова Н.Б. Синтез и физико-химическое исследование олигомерных ингибиторов коррозии // Приволжский научный вестник. – 2013. – № 8 (24). – Т. 1. – С. 8–12.
9. Эшмаматова Н.Б., Акбаров Х.И. Исследование эффективности разработанных олигомерных ингибиторов в производственных условиях электрохимическими методами // Приволжский научный вестник. – Ижевск, 2012. – № 12. – С. 4–12.
10. Electrochemical, activations and adsorption studies for the corrosion inhibition of low carbon steel in acidic media / A.A. Khadom, A.S. Yaro, A.S. AlTaie, A.A.H. Kadum // Portug. Electrochim. Acta. – 2009. – № 27. – P. 699–712.
11. El-Etre A.Y., Abdallah M., El-Tantawy Z.E. Corrosion inhibition of some metals using lawsonia extract // Corros. Sci. – 2005. – № 47. – P. 385–395.