CN101818349B - 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用,其方法为:将钢铁浸没于含有上述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂的酸液中,对钢铁进行清洗。本发明的有益效果为:离子液体作为缓蚀剂,极易溶于水等生产中常见溶液,有利于在使用中的渗透;与常用的无机缓蚀剂相比,对环境和生物没有毒害作用,弥补了现有缓蚀剂毒副作用大的不足;本缓蚀剂可有效抑制钢铁材料在酸性介质中的腐蚀反应,缓蚀效率好。
Description
技术领域
本发明属于缓蚀剂领域,具体涉及一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用。
背景技术
钢铁是现代重要的建筑材料之一,广泛应用于海、陆、空交通运输、桥梁、车辆、机械设备、石油化工、城市建设等诸多领域。钢铁一般需要用酸液洗涤,这样势必会使钢铁材料受到腐蚀,造成浪费。钢铁腐蚀影响设备使用寿命的同时,还造成了生产和生活的安全隐患。采取有效的措施减缓抑制钢铁腐蚀反应的发生尤为重要,添加缓蚀剂就是一种易于操作的有效手段,因其具有用量少、成本低、选材范围广、缓蚀效率高而得到最为广泛的应用。
常用的缓蚀剂分为无机和有机两种。无机缓蚀剂包括亚硝酸盐和铬酸盐等,这类物质使钢铁表面生成钝化膜,阻止钢铁进一步腐蚀;有机缓蚀剂大多数为含N、S、O的有机物,常见的有硫脲及其衍生物、苯并三氮唑及其衍生物等,此类物质通过化学吸附与钢铁表面形成比较牢固的膜,将钢铁基底与周围的腐蚀介质隔离开来,抑制侵蚀性物质对钢铁的腐蚀。但上述现有的缓蚀剂大都具有毒副作用,在生产和使用过程中对操作人员和和生态环境存在较大危害,不满足当今绿色化学的发展要求。因此,环境友好型缓蚀剂成为金属腐蚀与防护领域研究的趋势,如何改善现有生产技术、合成新型无毒高效缓蚀剂是生产、实验亟待考虑的问题。
离子液体是一种绿色环保的有机溶剂,它具有很多独特的性能,在电化学、分离提纯、脱硫、色谱等领域得到广泛应用,但在缓蚀剂领域并没有相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用。1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为缓蚀剂环境友好、溶解性好,用在强酸环境中缓释效果良好,解决了现有缓蚀剂毒副作用大的不足。
本发明是通过以下措施实现的:
一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用,适用于用酸液对钢铁表面进行清洗这一过程。其方法为:将钢铁浸没于含有上述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂的酸液中,对钢铁进行清洗。这样,在清洗钢铁表面时就会减轻酸液对钢铁的腐蚀,对钢铁起到保护作用。
上述方法中,所述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂在酸液中的加入量为0.01g/L-1g/L;所述酸液的浓度为0.1mol/L-1mol/L;所述酸液为稀硫酸或稀盐酸,钢铁浸没在酸液中的温度为20-25℃,浸没时间为3-4小时。
本发明所用到的离子液体为1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐,结构式为:
1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐的制备方法为:(1)将氯代正十四烷和N-甲基咪唑等摩尔混合放入锥形瓶内,然后置于微波炉内加热,微波功率为210w,加热温度为90-100℃,加热方式为间歇式,每隔10s加热一次,每次加热30s,反应液产生黄色分层后停止加热;(2)反应后将反应液放置一段时间直到其变为固体;(3)用丙酮将固体溶解,在5℃下重结晶,抽滤;(4)重复步骤(3)三次得到白色粉末,将白色粉末在30℃下真空干燥12h,即得到纯净的1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体。
1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐为离子液体,水溶性能极好,在较宽的温度范围内不挥发,对生态无毒害,绿色环保。现今,离子液体被用于多个领域,但是在缓蚀剂领域却并未见报道,本发明人经过大量实验研究,得出1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐能满足酸性条件下对钢铁腐蚀的抑制作用,并且效果良好。1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐为含氮杂环化合物,氮原子含有孤对电子,可向钢铁材料的表面铁原子空轨道提供电子进行吸附,形成有机分子膜,将钢铁基底与周围的侵蚀性介质隔离开来,抑制钢铁腐蚀,从而起到缓蚀作用。1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐分子中含有长链取代基,可形成具有一定厚度的分子膜层从而保证缓蚀性能。此外,杂环带正电荷,在作为缓蚀剂应用时,可在钢铁材料上外加负电位,一方面可加速离子液体向钢铁表面的移动利于成膜,另一方面对钢铁材料也是一种阴极保护技术。
本发明的有益效果:离子液体作为缓蚀剂,极易溶于水等生产中常见溶液,有利于在使用中的渗透;与常用的无机缓蚀剂相比,对环境和生物没有毒害作用,弥补了现有缓蚀剂毒副作用大的不足;本缓蚀剂可有效抑制钢铁材料在酸性介质中的腐蚀反应,缓蚀效率好。
附图说明
图1为实施例1中不同浓度的缓蚀剂在0.1mol/L硫酸溶液中25℃的极化曲线;其中,a.不加缓蚀剂,b.缓蚀剂浓度为0.01g/L,c.缓蚀剂浓度为0.1g/L,d.缓蚀剂浓度为1.0g/L。
图2为实施例5中不同浓度的缓蚀剂在0.1mol/L盐酸溶液中25℃的极化曲线;其中,a.不加缓蚀剂,b.缓蚀剂浓度为0.01g/L,c.缓蚀剂浓度为0.1g/L,d.缓蚀剂浓度为1.0g/L。
具体实施方式
下面结合具体实施例及缓释效果对本发明作进一步说明。
1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐的制备方法如下:
(1)称取氯代正十四烷23.2g(0.1mol)、N-甲基咪唑8.21g(0.1mol),将它们放入锥形瓶内(250mL),调节微波炉功率为210W,升温至反应温度(90-100℃),加热方式为间歇式加热,每10s加热一次,每次加热30s,以此循环,直至产生黄色分层后停止加热;
(2)将反应液常温下冷却,一段时间后变成黄色固体;
(3)用丙酮将固体完全溶解,然后放入冰箱内冰冻大约30min(5℃),然后抽滤;
(4)重复步骤(3)三次,得到白色粉末,然后将白色粉末在真空干燥箱中30℃下干燥12h,得到纯净的样品。
采用电化学测试方法(极化曲线)和挂片失重法对本发明产品的缓蚀性能进行评定,条件:浸泡温度为20-25℃,浸泡时间3-4小时。
1、挂片失重法
实验试件为铁片,依次用800#、1200#、2000#水磨砂纸进行打磨至表面光亮为止。测量尺寸,在丙酮中清洗脱脂,用滤纸吸干,放入干燥器内干燥24h。将干燥后的试件准确称重。将试件用尼龙丝悬挂,浸泡在含有不同浓度的缓蚀剂或无缓蚀剂的稀盐酸或稀硫酸中。试件要全部进入溶液,每个试件浸泡深度要求大体一样,上端应在页面以下20mm。自试件进入溶液时开始记录腐蚀时间,4h后将试件取出,用水反复清洗除去表面腐蚀产物。然后用丙酮清洗滤纸吸干,放在干燥器内干燥24h后称重。
腐蚀速率计算公式:
v:试件的腐蚀速率,g/cm2·h;
m0:试件腐蚀前质量,g;
m:试件腐蚀后质量,g;
S:试件面积,cm2;
t:试件腐蚀时间,h。
缓蚀效率计算公式:
v0:空白硫酸溶液中试件的腐蚀速率;
v:加入缓蚀剂的硫酸溶液中试件的腐蚀速率。
2、电化学测试
电化学测试采用极化曲线法,测试体系为三电极体系电解池,测试仪器采用德国Zahner公司的电化学工作站(型号Zennium),电解液为含有不同浓度的缓蚀剂或无缓蚀剂的稀盐酸或稀硫酸。
工作电极为铁电极,辅助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极,扫描范围-0.8V-0.4V(所记录电位均相对于饱和甘汞电极),电位扫描速度为5mV/s。
下述实施例1-6中,a表示酸液,b表示酸液+0.01g/L缓蚀剂,c表示酸液+0.1g/L缓蚀剂,d表示酸液+1.0g/L缓蚀剂。
实施例1
在1L浓度为0.1mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以0.1mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为25℃,浸泡时间4小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.0445 | / |
b | 0.0049 | 89 |
c | 0.0040 | 91 |
d | 0.0035 | 92.1 |
其中,a.0.1mol/L硫酸;
b.0.1mol/L硫酸+0.01g/L 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐;
c.0.1mol/L硫酸+0.1g/L 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐;
d.0.1mol/L硫酸+1.0g/L 1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐;
在100ml浓度为0.1mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行进行电化学测试,以0.1mol/L的稀硫酸溶液为对照。结果如见图2所示。极化曲线测试结果显示,与不加缓蚀剂的酸液相比,加入缓蚀剂后阳极和阴极的腐蚀电流密度大大减小,缓蚀剂可有效抑制钢铁在酸液中的腐蚀;腐蚀电位变化不明显,说明此缓蚀剂同时抑制了阴极反应和阳极反应,是混合型缓蚀剂。
实施例2
在1L浓度为0.5mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以0.5mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为20℃,浸泡时间4小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.2225 | / |
b | 0.0267 | 88 |
c | 0.0235 | 89.4 |
d | 0.0213 | 90.4 |
实施例3
在1L浓度为0.7mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0).1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以0.7mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为25℃,浸泡时间3小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.3115 | / |
b | 0.0442 | 85.8 |
c | 0.0389 | 87.5 |
d | 0.0345 | 88.9 |
通过实验测试获得的缓蚀效率为90%,显示为高效缓蚀剂。
实施例4
在1L浓度为1mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以1mol/L的稀硫酸溶液为对照。浸泡温度为25℃,浸泡时间4小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.445 | / |
b | 0.0667 | 85 |
c | 0.0623 | 86 |
d | 0.0534 | 88 |
实施例5
在1L浓度为0.1mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以0.1mol/L的稀盐酸溶液为对照。浸泡温度为25℃,浸泡时间4小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.0235 | / |
b | 0.00188 | 92 |
c | 0.0014 | 94 |
d | 0.00129 | 94.5 |
在100ml浓度为0.1mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行进行电化学测试,以0.1mol/L的稀盐酸溶液为对照。结果如见图1所示。极化曲线测试结果显示,与不加缓蚀剂的酸液相比,加入缓蚀剂后阳极和阴极的腐蚀电流密度大大减小,缓蚀剂可有效抑制钢铁在酸液中的腐蚀;腐蚀电位变化不明显,说明此缓蚀剂同时抑制了阴极反应和阳极反应,是混合型缓蚀剂。
实施例6
在1L浓度为1mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以1mol/L的稀盐酸溶液为对照。浸泡温度为25℃,浸泡时间4小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.2185 | / |
b | 0.0262 | 88 |
c | 0.0218 | 90 |
d | 0.0215 | 90.2 |
实施例7
在1L浓度为0.5mol/L的稀盐酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的缓蚀剂,然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以0.5mol/L的稀盐酸溶液为对照。浸泡温度为25℃,浸泡时间4小时,结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.0625 | / |
b | 0.0105 | 90.4 |
c | 0.0088 | 91.3 |
d | 0.0076 | 92 |
实施例8
在1L浓度为0.2mol/L的稀硫酸中分别加入0.01g/L、0.1g/L、1.0g/L的1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐钢铁缓蚀剂(以下简称缓蚀剂),然后加入实验试片——铁片进行挂片失重实验,以0.2mol/L的稀硫酸溶液为对照。结果如下:
编号 | 失重(Δm/g) | 缓蚀效率(%) |
a | 0.0890 | / |
b | 0.0102 | 88.5 |
c | 0.0088 | 90.1 |
d | 0.0076 | 91.4 |
Claims (1)
1.一种1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体作为钢铁缓蚀剂的应用,其特征是:将钢铁浸没于含有1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂的酸液中,对钢铁进行清洗,钢铁浸没温度为20-25℃,时间为3-4h;所述酸液为稀硫酸或稀盐酸,浓度为0.1mol/L-1mol/L,所述1-十四烷基-3-甲基咪唑氯盐离子液体缓蚀剂在酸液中的加入量为0.01g/L-1g/L。
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