一种离子液体用作碳钢缓蚀剂的方法 【技术领域】
本发明涉及一种防止、延缓碳钢在酸性介质中腐蚀的缓蚀剂，具体涉及一种离子液体用作碳钢缓蚀剂的方法，属于金属腐蚀与防护技术领域。
背景技术
石油和化学工业生产中酸性介质对金属设备的腐蚀造成的经济损失是惊人的，加入缓蚀剂是常用的解决方法。近年酸性介质中碳钢有机缓蚀剂的研究和应用已经取得了较大的进展。2005年，沈建等人的研究表明，苯并咪唑类化合物在5％盐酸溶液中对碳钢具有较好的缓蚀效果。苯并咪唑由于1，3位上两个N原子的高活性而极易在金属表面附着，可通过引入合适的取代基来提高缓蚀性能。2006年，Chetouani等研究了三吡唑取代三甲胺作为缓蚀剂的作用机理。2006年，李伟华公开了一种三唑类碳钢酸洗缓蚀剂(CN 101139723A)，可防止酸洗过程中基体金属的过度浸蚀和酸液的过多消耗。2007年，李春梅等人研究了酸性介质中聚天冬氨酸对45#碳钢的缓蚀作用及其影响因素。开发新型高效、低毒的绿色环保有机缓蚀剂是目前缓蚀剂的发展趋势。
本发明提出一种用于酸性介质的吡咯烷酮离子液体缓蚀剂。离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子组成的、在室温或室温附近温度下呈液态的盐类，一般是指熔点在100℃以下的低温有机熔盐，具有挥发性极小、不可燃、化学稳定性和热稳定性好等环保特性。因此本发明的吡咯烷酮类离子液体缓蚀剂区别于普通有机缓蚀剂，符合缓蚀剂的发展趋势，具有工业应用前景。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种把离子液体用作盐酸介质中的碳钢缓蚀剂的方法。
本发明采用的技术方案：
一种离子液体用作碳钢缓蚀剂的方法，在15℃～70℃的0.1mol/L～3mol/L盐酸介质溶液中，1-辛基-2-吡咯烷酮离子液体加入浓度为0.5mmol/L～5mmol/L。
所述1-辛基-2-吡咯烷酮离子液体是由1-辛基-2-吡咯烷酮阳离子和无机或有机阴离子组成，具有以下化学结构通式(I)：
其中B-为HSO4-、NO3-、H2PO4-、CH3COO-、PTSA-、BF4-、PF6-、CH3SO3-、Br-或Cl-。
离子液体的制备方法(参照专利CN 1880303A)：在250ml三口烧瓶中称取19克的1-辛基-2-吡咯烷酮，冰浴下缓慢滴加等物质量的上述阴离子相应的酸。加料完毕后，60℃搅拌反应12小时。产物用环己烷洗涤三次，80℃真空干燥6小时即得产品，室温下为淡黄色液体。
本发明的有益效果：
1.本发明中吡咯烷酮离子液体用作碳钢缓蚀剂，与普通有机缓蚀剂相比，具有离子液体的优点，没有可测的蒸气压，因此在溶液中不挥发，没有恶臭气味。生物毒性低。
2.缓蚀剂的制备原料易得，工艺简单，条件温和；缓蚀剂水溶性好，添加量少，适用介质浓度范围宽，对碳钢的缓蚀率可达到90％以上，缓蚀效果显著。属于绿色高效缓蚀剂。
【附图说明】
图1是Q235碳钢在未加和加入不同离子液体缓蚀剂的1mol/L盐酸溶液中的交流阻抗图(Nyquist图)，曲线1为未加缓蚀剂的盐酸溶液(空白)，曲线2为加入了5mmol/L 1-辛基-2-吡咯烷酮，曲线3、4和5分别为加入了5mmol/L 1-辛基-2-吡咯烷酮四氟硼酸盐/盐酸盐/硫酸氢盐。横坐标Z′表示阻抗的实部，纵坐标Z″表示阻抗的虚部，单位均为Ω·cm2。
图2是Q235碳钢在未加和加不同浓度缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐的1mol/L盐酸溶液中的极化曲线图。曲线1为未加缓蚀剂的盐酸溶液(空白)，曲线5、6和7分别为加入了5mmol/L、1mmol/L和0.5mmol/L的1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐。横坐标E表示电压(V)，；纵坐标lgi表示电流密度(A·cm-2)的对数。
【具体实施方式】
分别以挂片失重法和电化学法对本发明的缓蚀效果进行评价。
挂片失重法
(I)评价方法
将Q235碳钢试片(2cm×1cm×0.1cm)分别挂入已加和未加缓蚀剂的盐酸介质溶液中，进行浸泡试验。参照SY/T5273-2000方法测定缓蚀率。
(2)评价步骤
I.用去离子水和浓盐酸溶液配制0.1mol/L～3mol/L的盐酸溶液。
II.打磨、清洗碳钢试片，分析天平称重。
III.配制添加和未添加(空白)缓蚀剂的盐酸溶液。
IV.碳钢分别浸入添加和未添加缓蚀剂的试验介质溶液(50ml)，分别在15℃～70℃下恒温试验3～24小时。
V.取出碳钢试片，分别用去离子水与乙醇清洗，干燥，称重，按以下公式计算缓蚀率：
η=Δm0-ΔmΔm0×100]]>
式中：η-缓蚀率，％；
Δm0-空白试验中试片质量损失，g；
Δm-加缓蚀剂试验中试片的质量损失，g。
电化学法
(1)评价方法
电化学测试系统采用德国ZAHNER IM6。实验中采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为Q235碳钢，工作面积为1cm2，非工作表面用环氧树脂封装。交流阻抗谱的测量频率为0.1Hz～60kHz，交流激励信号幅值为5mV，极化曲线扫描速率为0.5mV/s。
(2)评价步骤
I.用去离子水和浓盐酸溶液配制不同浓度的盐酸溶液。
II.打磨、清洗碳钢试片。
III.配制添加和未添加(空白)缓蚀剂的盐酸溶液。
IV.测定碳钢在不同的试验介质溶液中的交流阻抗Nyquist和极化曲线图，然后以对实验结果进行计算和分析。
图1是Q235碳钢在未加和加入不同离子液体缓蚀剂的1mol/L盐酸溶液中的交流阻抗图(Nyquist图)，曲线1为未加缓蚀剂的盐酸溶液(空白)，曲线2为加入了5mmol/L 1-辛基-2-吡咯烷酮，曲线3、4和5分别为加入了5mmol/L 1-辛基-2-吡咯烷酮四氟硼酸盐/盐酸盐/硫酸氢盐。。交流阻抗Nyquist图中，阻抗弧的弦长对应于电极地传递电阻Rt，Rt越大，说明缓蚀剂性能越好。从图1可知，与空白相比，四种缓蚀剂均具有一定的缓蚀性能，三种离子液体缓蚀性能均优于1-辛基-2-吡咯烷酮，其中1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐缓蚀性能最佳。结果表明，缓蚀剂加入盐酸体系后，在碳钢表面形成有效的屏蔽层，起缓蚀作用。
图2是Q235碳钢在未加和加不同浓度离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐的1mol/L盐酸溶液中的极化曲线图。曲线1为未加缓蚀剂的盐酸溶液(空白)，曲线5、6和7分别为加入了5mmol/L、1mmol/L和0.5mmol/L的1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐。表1是Q235碳钢在1mol/L盐酸溶液中添加不同浓度离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐的极化曲线计算结果。
表1极化曲线计算结果
注：试验介质溶液为1mol/L盐酸溶液。
由图2和表1可见，相对于空白，随着加入1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐浓度的增加，腐蚀电流密度减少，表明缓蚀剂具有明显的缓蚀效果。
下面实施例是对本发明方法的进一步说明，但本发明并不限于下述实施例。
实施例1：试验介质为1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐2mmol/L。在30℃下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中6小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为96％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。
实施例2：试验介质为3mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮盐酸盐3mmol/L。在15℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中6小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为95％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。
实施例3：试验介质为3mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮四氟硼酸盐4mmol/L。在30℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中6小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为95％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。
实施例4：试验介质为1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐3mmol/L。在50℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中6小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为96％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。
实施例5：试验介质为采用1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮盐酸盐0.5mmol/L。在30℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中6小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为90％。碳钢局部表面颜色稍深。
实施例6：试验介质为1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐3mmol/L。在30℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中3小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为97％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。在相同条件下测得1-辛基-2-吡咯烷酮缓蚀率为86％。
实施例7：试验介质为1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮四氟硼酸盐3mmol/L。在15℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中3小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为95％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。
实施例8：试验介质为0.1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐5mmol/L。在30℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中24小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为91％。碳钢局部表面颜色稍深。
实施例9：试验介质为1mol/L盐酸溶液，加入离子液体缓蚀剂1-辛基-2-吡咯烷酮硫酸氢盐4mmol/L。在70℃条件下将碳钢试片分别浸没于添加缓蚀剂和未添加缓蚀剂的盐酸溶液中3小时，由试片的质量损失测得离子液体的缓蚀率为95％。碳钢表面无明显腐蚀痕迹。
以上实施例的挂片失重法测定结果见表2。
表2挂片失重法测定结果
注：Δm＝m1-m2.缓蚀剂种类3、4和5分别为1-辛基-2-吡咯烷酮四氟硼酸盐/盐酸盐/硫酸氢盐，6为1-辛基-2-吡咯烷酮。