一种复配缓蚀剂对Q235碳钢的缓蚀性能及机理研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1229

摘要/Abstract

摘要：

为了进一步探究、提高绿色缓蚀剂的缓蚀性能和缓蚀机理，研究了一种Q235碳钢材料的复合绿色缓蚀剂。利用重量法、阻抗图谱（EIS、Bode）、动电位极化曲线、扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）探讨了在自来水介质中，钨酸钠、葡萄糖酸钠和Zn²⁺对Q235碳钢材料的缓蚀协同作用。结果表明：钨酸钠、葡萄糖酸钠和Zn²⁺三元药剂在该体系中有较强的协同缓蚀作用。当钨酸钠、葡萄糖酸钠、Zn²⁺质量浓度分别为40、20、4 mg/L时，协同缓蚀效果最好，缓蚀率最高达到90%以上。动电位极化数据证明该复合缓蚀剂为以抑制阳极为主的阳极型缓蚀剂，阻抗图谱的数据表明，三元配方药剂增强了在Q235碳钢表面电荷转移的阻力。采用扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）分别证明了三元复合配方药剂在碳钢表面形成了保护膜和膜中的主要成分。三元复合配方药剂在碳钢表面的吸附符合Langmuir吸附等温式，其是通过化学吸附和物理吸附两种方式吸附在碳钢材料表面的。

关键词: Q235碳钢, 协同效应, 吸附, 缓蚀, 表面分析

Abstract:

In order to further explore and improve the corrosion inhibition performance and mechanism of green corrosion inhibitor，a compound green corrosion inhibitor to Q235 carbon steel was investigated. The synergistic effect of sodium tungstate，sodium gluconate and Zn²⁺ on corrosion inhibition to Q235 carbon stees was studied by gravimetry，impedance spectroscopy（EIS，BODE），potentiometric polarization curve，scanning electron microscope（SEM） and energy spectrum analysis（EDS） in natural tap water medium. The results showed that sodium tungstate，sodium gluconate and Zn²⁺ had strong synergistic effect in the corrosive system. The optimum synergistic effect was obtained and the inhibition rate was more than 90% when the concentrations of sodium tungstate，sodium gluconate，sodium gluconate and Zn²⁺were 40 mg/L，20 mg/L and 4 mg/L respectively. The potential dynamic polarization data showed that the compound corrosion inhibitor was mainly an anodic corrosion inhibitor，and the data of impedance spectrum showed that the tri-compound agent enhanced the resistance of charge transfer on the surface of Q235 carbon steel. Scanning electron microscopy（SEM） and energy dispersive spectroscopy（EDS） were used to prove respectively that the ternary compound formula formed a protective film on the surface of carbon steel and its main components. The adsorption of ternary compound formula conformed to Langmuir adsorption isotherm，which adsorbed on the surface of carbon steel by chemical and physical ways.

Key words: Q235 carbon steel, synergistic effect, adsorption, corrosion inhibition, surface analysis

中图分类号:

TG174.42

刘会媛, 柳鑫华, 石春杰, 张红霞. 一种复配缓蚀剂对Q235碳钢的缓蚀性能及机理研究[J]. 工业水处理, 2022, 42(9): 124-132.

Huiyuan LIU, Xinhua LIU, Chunjie SHI, Hongxia ZHANG. Corrosion inhibition performance and mechanism of a compound corrosion inhibitor to Q235 carbon steel[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(9): 124-132.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I9/124

图/表 14

图1 钨酸钠对Q235钢的缓蚀性能

Fig. 1 Corrosion inhibition performance of sodium tungstate on Q235 carbon steel

图2 二元复配物对Q235钢缓蚀性能

Fig. 2 Corrosion inhibition performance of binary compound to Q235 carbon steel

图3 三元复配物对Q235钢的缓蚀性能

Fig. 3 Corrosion inhibition performance of ternary compound to Q235 carbon steel

图4 碳钢在含有钨酸钠、Zn²⁺缓蚀剂自来水中的C-C/θ关系

Fig. 4 C-C/θ relationship with sodium gluconate concentration to carbon steel in tap water containing corrosion inhibitor

表1 葡萄糖酸钠在含有钨酸钠、Zn²⁺缓蚀剂自来水中的吸附参数

Table 1 Adsorption parameters of sodium gluconate in tap water containing sodium tungstate and Zn²⁺ corrosion inhibitor

T/℃	K/（L·mg^-1）	斜率	R ²	ΔG ⁰/（kJ·mol^-1）
20	0.988 6	1.000 5	1.000	-33.6
40	0.969 6	1.049 5	0.996 5	-35.871
50	0.809 6	1.124 1	0.997 1	-36.5

表2 碳钢试片在含有不同缓蚀剂的自来水中测得的缓蚀率以及计算得到的S值

Table 2 Corrosion inhibition efficiency and S values calculated to carbon steel samples measured containing different corrosion inhibitors in tap water

钨酸钠/（mg·L^-1）	葡萄糖酸钠/（mg·L^-1）	Zn²⁺/（mg·L^-1）	η/%	S
40	20	—	62.75	—
40	—	4	41.94	—
40	20	4	93.67	3.42

图5 空白体系及三元体系的极化曲线

Fig. 5 Polarization curves of blank system and ternary system

表3 空白及三元缓蚀剂体系中的极化参数

Table 3 Polarization parameters of blank system and ternary system

极化参数	b _a/（V·dec^-1）	b _c/（V·dec^-1）	I _corr/（mA·cm^-2）	E _corr/mV	η/%
空白溶液	0.586	0.863	0.017 7	-786	—
三元缓蚀剂	0.242	0.811	0.000 791	-443	95.5

图6 Q235在空白和加入三元缓蚀剂体系中的Nyquist图

Fig. 6 Nyquist plots of blank system and ternary formula system

图7 对阻抗谱拟合的等效电路图

注：

R _ct为缓蚀体系电荷转移的电阻；R _s为缓蚀体系溶液电阻；由于Q235碳钢材料的表面不平整性由CPE代替理想的电容器。

Fig. 7 Equivalent circuit used to fit the impedance spectra

表4 拟合电化学参数及缓蚀效率

Table 4 Fitting electrochemical parameters and protection efficiency

影响因子	R _s/（Ω·cm^-2）	R _ct/（kΩ·cm^-2）	C _dl/（μF·cm^-2）	η/%
空白	7.10	4.98	35.1	—
加入缓蚀剂	4.63	95.3	6.32	94.8

图8 空白和加入三元缓蚀剂体系中的Bode图

Fig. 8 Bode plots of blank system and ternary formula system

图9 Q235碳钢试片在空白体系和三元缓蚀配方体系中的SEM和EDS

Fig. 9 SEM and EDS of Q235 carbon steel specimen in blank system and three-way corrosion inhibition formula system

表5 在空白体系和三元体系中碳钢试片表面膜的EDS元素分析

Table 5 EDS elemental analysis of surface film of carbon steel specimen in blank system and ternary system

元素	空白		三元缓蚀剂
元素	质量分数	原子百分比	质量分数	原子百分比
合计	100.00	100.00	100.00	100.00
C	7.46	25.17	4.63	17.74
O	4.09	10.35	1.70	4.89
Fe	87.42	63.47	92.12	75.88
S	0.12	0.15	—	—
Si	0.25	0.36	0.27	0.45
Mn	0.67	0.49	0.71	0.59
W	—	—	0.28	0.07
Zn	—	—	0.16	0.11
Na	—	—	0.13	0.26

参考文献 38

1	PENG Yu， HUGHES A E， DEACON G B，et al. A study of rare-earth 3-（4-methylbenzoyl）-propanoate compounds as corrosion inhibitors for AS1020 mild steel in NaCl solutions［J］. Corrosion Science，2018，145：199-211． doi:10.1016/j.corsci.2018.09.022
2	GOYAL M， KUMAR S， BAHADUR I，et al. Organic corrosion inhibitors for industrial cleaning of ferrous and non-ferrous metals in acidic solutions：A review［J］. Journal of Molecular Liquids，2018，256：565-573． doi:10.1016/j.molliq.2018.02.045
3	LI Xiaogang， ZHANG Dawei， LIU Zhiyong，et al. Share corrosion data［J］. Nature，2015，527：441-442. doi:10.1038/527441a
4	JIANG Shaobo， JIANG Linhua， WANG Zhuyin，et al. Deoxyribonucleic acid as an inhibitor for chloride-induced corrosion of reinforcing steel in simulated concrete pore solutions［J］. Construction and Building Materials，2017，150：238-247． doi:10.1016/j.conbuildmat.2017.05.157
5	LU Hao， ZHANG Shengtao， LI Weihua，et al. Synthesis of graphene oxide-based sulfonated oligoanilines coatings for synergistically enhanced corrosion protection in 3.5% NaCl solution［J］. ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（4）：4034-4043． doi:10.1021/acsami.6b13722
6	FAN Baomin， WEI Gang， ZHANG Zhan，et al. Characterization of a supramolecular complex based on octadecylamine and β-cyclodextrin and its corrosion inhibition properties in condensate water［J］. Corrosion Science，2014，83：75-85． doi:10.1016/j.corsci.2014.01.043
7	XING Xuteng， XU Xiaoyang， WANG Jihui，et al. Preparation and inhibition behavior of ZnMoO₄/reduced graphene oxide composite for Q235 steel in NaCl solution［J］. Applied Surface Science，2019，479：835-846． doi:10.1016/j.apsusc.2019.02.149
8	EL-LATEEF H A， KHALAF M M. Novel dispersed Tl₂O₃-SiO₂/polyaniline nanocomposites：In- situ polymerization，characterization and enforcement as a corrosion protective layer for carbon-steel in acidic chloride medium［J］. Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2019，573：95-111． doi:10.1016/j.colsurfa.2019.04.059
9	SHE Zhe， DI FALCO A， HÄHNER G，et al. Electrodeposition of gold templated by patterned thiol monolayers［J］. Applied Surface Science，2016，373：51-60． doi:10.1016/j.apsusc.2015.12.054
10	YU Fei， CHEN Shougang， LI Houmin，et al. Application of Self Assembled 6-aminohexanol layers for corrosion protection of 304 stainless steel surface［J］. Thin Solid Films，2012，520（15）：4990-4995． doi:10.1016/j.tsf.2012.03.006
11	HILL D， HOLLIMAN P J， MCGETTRICK J，et al. Study of the tribological properties and ageing of alkyphosphonic acid films on galvanized steel［J］. Tribology International，2018，119：337-344． doi:10.1016/j.triboint.2017.11.015
12	柳鑫华，王红，孙彩云. 海水中钨酸盐复合缓蚀剂对碳钢的缓蚀性能［J］. 材料保护，2009，42（8）：16-18．
	LIU Xinhua， WANG Hong， SUN Caiyun. Inhibition behavior and mechanism of tungstate compound inhibitor for carbon steel in seawater［J］. Materials Protection，2009，42（8）：16-18．
13	徐仲斌，张天红. 有关锌盐缓蚀剂问题的进一步探讨［J］. 腐蚀与防护，2000，21（9）：398-401． doi:10.3969/j.issn.1005-748X.2000.09.005
	XU Zhongbin， ZHANG Tianhong. Some problems of Zn²⁺ salt corrosion inhibitors［J］. Corrosion & Protection，2000，21（9）：398-401． doi:10.3969/j.issn.1005-748X.2000.09.005
14	HU Shuai， CHEN Zhenyu， GUO Xingpeng. Inhibition effect of three-dimensional（3D） nanostructures on the corrosion resistance of 1-dodecanethiol self-assembled monolayer on copper in NaCl solution［J］. Materials，2018，11（7）：1225． doi:10.3390/ma11071225
15	QIANG Yujie， FU Shulei， ZHANG Shengtao，et al. Designing and fabricating of single and double alkyl-chain indazole derivatives self-assembled monolayer for corrosion inhibition of copper［J］. Corrosion Science，2018，140：111-121． doi:10.1016/j.corsci.2018.06.012
16	ALONSO FRANK M， MELTZER C， BRAUNSCHWEIG B，et al ．Functionalization of steel surfaces with organic acids：Influence on wetting and corrosion behavior［J］. Applied Surface Science，2017，404：326-333． doi:10.1016/j.apsusc.2017.01.199
17	ZHANG Lincai， XU Mingzhu， HU Youdong，et al. Biofunctionization of biodegradable magnesium alloy to improve the in vitro corrosion resistance and biocompatibility［J］. Applied Surface Science，2018，451：20-31． doi:10.1016/j.apsusc.2018.04.235
18	BARTH J V. Molecular architectonic on metal surfaces［J］. Annual Review of Physical Chemistry，2007，58：375-407． doi:10.1146/annurev.physchem.56.092503.141259
19	FOSTON M， HUBBELL C， PARK D Y，et al. Surface modification by electrostatic self-assembly followed by covalent fixation［J］. Angewandte Chemie，2012，51（8）：1849-1852． doi:10.1002/anie.201106968
20	KRISTAN M E， HAJDARI G Z， OTMAČIĆ Ć H. Modification of cupronickel alloy surface with octadecylphosphonic acid self-assembled films for improved corrosion resistance［J］. Corrosion Science，2018，134：189-198． doi:10.1016/j.corsci.2018.02.021
21	ZHANG X H， LIAO Q Q， NIE K B，et al. Self-assembled monolayers formed by ammonium pyrrolidine dithiocarbamate on copper surfaces in sodium chloride solution［J］. Corrosion Science，2015，93：201-210． doi:10.1016/j.corsci.2015.01.023
22	MAHO A， DENAYER J， DELHALLE J，et al. Electro-assisted assembly of aliphatic thiol，dithiol and dithiocarboxylic acid monolayers on copper［J］. Electrochimica Acta，2011，56（11）：3954-3962． doi:10.1016/j.electacta.2011.02.020
23	KWOK S C T， CIUCCI F， YUEN M M F. Chemisorption threshold of thiol-based monolayer on copper：Effect of electric potential and elevated temperature［J］. Electrochimica Acta，2016，198：185-194． doi:10.1016/j.electacta.2016.03.068
24	CUI Mengqi， NG W S， WANG Xu，et al. Enhanced electrochromism with rapid growth layer-by-layer assembly of polyelectrolyte complexes［J］. Advanced Functional Materials，2015，25（3）：401-408． doi:10.1002/adfm.201402100
25	PAKIET M， TEDIM J， KOWALCZYK I，et al. Functionalised novel gemini surfactants as corrosion inhibitors for mild steel in 50 mmol/L NaCl：Experimental and theoretical insights［J］. Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2019，580：123699． doi:10.1016/j.colsurfa.2019.123699
26	刘妍. 聚天冬氨酸及其与葡萄糖酸钠复配物对碳钢缓蚀性能的研究［J］. 新疆有色金属，2011，34（6）：68-70． doi:10.4028/www.scientific.net/amr.233-235.50
	LIU Yan. Study on corrosion inhibition of polyaspartic acid and its compound with sodium gluconate on carbon steel［J］. Journal of Materials Protection，2011，34（6）：68-70． doi:10.4028/www.scientific.net/amr.233-235.50
27	仲亚男，闵鹏飞，卞达，等. 葡萄糖酸钠对7003铝合金的缓蚀性能及其与苯甲酸钠的协同作用［J］. 陕西师范大学学报（自然科学版），2015，43（6）：54-58．
	ZHONG Yanan， MIN Pengfei， BIAN Da，et al. Inhibition effect of sodium gluconate on corrosion of 7003 aluminum alloy and the synergistic effect with sodium benzoate［J］. Journal of Shaanxi Normal University（Natural Science Edition），2015，43（6）：54-58．
28	于静敏，柳鑫华，梁英华. 海水中碳钢钨系复合缓蚀剂的研究［J］. 材料保护，2007，40（2）：17-19． doi:10.3969/j.issn.1001-1560.2007.02.006
	YU Jingmin， LIU Xinhua， LIANG Yinghua. Tungstate species corrosion inhibitor for protection of carbon steel in seawater［J］. Materials Protection，2007，40（2）：17-19． doi:10.3969/j.issn.1001-1560.2007.02.006
29	霍宇凝，蔡张理，赵岩，等. 聚天冬氨酸及其与锌盐的复配物对碳钢缓蚀性能的影响［J］. 华东理工大学学报，2001，27（6）：669-672．
	HUO Yuning， CAI Zhangli， ZHAO Yan，et al. Effect of the corrosion inhibition behavior of polyaspartic acid and its mixture of zinc ion on carbon steel［J］. Journal of East China University of Science and Technology，2001，27（6）：669-672．
30	柳鑫华，贾静娴，张红霞，等. 乙醇胺改性聚环氧琥珀酸衍生物的合成及其阻垢缓蚀性能［J］. 表面技术，2020，49（8）：292-301．
	LIU Xinhua， JIA Jingxian， ZHANG Hongxia，et al. Synthesis of ethanolamine modified polyepoxysuccinic acid derivatives and their corrosion inhibition properties［J］. Surface Technology，2020，49（8）：292-301．
31	曹楚南. 腐蚀电化学原理［M］. 2版. 北京：化学工业出版社，2004：94-99．
32	MENDONÇA G L F， COSTA S N， FREIRE V N，et al. Understanding the corrosion inhibition of carbon steel and copper in sulphuric acid medium by amino acids using electrochemical techniques allied to molecular modelling methods［J］. Corrosion Science，2017，115：41-55． doi:10.1016/j.corsci.2016.11.012
33	文明通. 2-膦酸丁烷-1，2，4-三翔酸的缓蚀阻垢性能研究［D］. 广州：广东工业大学，2001．
34	KHAN G， BASIRUN W J， KAZI S N，et al. Electrochemical investigation on the corrosion inhibition of mild steel by Quinazoline Schiff base compounds in hydrochloric acid solution［J］. Journal of Colloid and Interface Science，2017，502：134-145． doi:10.1016/j.jcis.2017.04.061
35	LUO Xiaohu， PAN Xinyu， YUAN Song，et al. Corrosion inhibition of mild steel in simulated seawater solution by a green eco-friendly mixture of glucomannan（GL） and bisquaternary ammonium salt（BQAS）［J］. Corrosion Science，2017，125：139-151． doi:10.1016/j.corsci.2017.06.013
36	张晨. CO₂/H₂S腐蚀体系中缓蚀剂的缓蚀机理及协同效应研究［D］. 北京：北京化工大学，2018．
	ZHANG Chen. Study of the corrosion inhibition mechanism and the synergistic corrosion inhibition effect of inhibitors in CO₂/H₂S system［D］. Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2018．
37	EL-SABBAH M M B， BEDAIR M A， ABBAS M A，et al. Synergistic effect between natural honey and 0.1 mol/L KI as green corrosion inhibitor for steel in acid medium［J］. Zeitschrift Für Physikalische Chemie，2019，233（5）：627-649． doi:10.1515/zpch-2018-1208
38	CHEN Jianxin， WANG Cai， HAN Jian，et al. Corrosion inhibition performance of threonine-modified polyaspartic acid for carbon steel in simulated cooling water［J］. Journal of Applied Polymer Science，2019，136（15）：47242． doi:10.1002/app.47242

[1]	唐恒军, 邱彪, 司马卫平, 唐建. 酸改性酒糟生物炭对Cr（Ⅵ）的去除性能研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 144-151.
[2]	江惟, 蔡萧蝶, 文昕宇, 陈思莉, 王劲松, 张政科. 介孔硅/海藻酸钠复合材料的制备及其对放射性Sr²⁺的去除[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 90-98.
[3]	李秀玲, 宾冰, 龚盈盈, 武哲, 曾湘楚. 铁锰改性桑枝生物炭的构筑及其对水体磷的吸附[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 175-184.
[4]	王庆元, 张彦平, 李一兵, 李芬. 农膜-秸秆生物质炭对亚甲基蓝的吸附性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 110-120.
[5]	陈亚松, 苗时雨, 张驰, 李明然, 王佳琪, 张燕羽, 姜伟. 除磷吸附材料的制备及吸附机制研究进展[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 1-9.
[6]	王文豪, 程业兴, 王雨银, 侯婷婷, 吴晓峰, 李玉才. 不同种类活性炭对mZVI/活性炭吸附还原Cr（Ⅵ）的影响[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 150-158.
[7]	刘清, 黄健滨, 李伟凡, 招国栋, 杨景景. 单宁酸复合海藻酸钠微球富集U（Ⅵ）的性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 58-65.
[8]	张伟业, 申婧, 潘子鹤, 宋一朋, 成怀刚, 张慧荣. 饱和活性炭热再生过程残余物形成及影响因素分析[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 17-25.
[9]	张翠红, 王靖, 王洁, 袁文蛟. 季铵盐改性二氧化硅的制备及其吸附钒（Ⅴ）的性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 104-114.
[10]	邓志华, 刘蕊, 李碧青. 不同生物炭的制备及其对重金属和抗生素的吸附性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(1): 94-103.
[11]	郭紫瑞, 李红艳, 张峰, 崔佳丽, 杨群, 李赟. Fe₂O₃-CuO/rCG催化降解水中苯并三氮唑的效能与机理[J]. 工业水处理, 2024, 44(9): 118-126.
[12]	邓钦, 钟溢健, 李金城, 时慧慧, 韦春满, 覃佳佳. 新型除磷填料的制备及再生能力试验[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 140-148.
[13]	刘畅益, 田佳旺, 张浩东, 秦哲. 改性芦苇材料的吸附脱氮性能及其资源化探究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 122-132.
[14]	胡雅, 孙晓蕾, 陆静宇, 孙秀云. 泰妙菌素废盐活性炭的制备及吸附EDTA-Pb（Ⅱ）的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 133-139.
[15]	张昊宇, 周亿康, 汪燕, 潘乐, 王云飞, 朱德璋, 吴燕. 茶叶基多孔炭的制备及对甲基橙吸附的研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(8): 171-177.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容