水解聚丙烯酰胺对碳钢在海水中的缓蚀研究

论文摘要

实施海洋开发,成为新世纪重要的经济增长点。在所有涉海产业中,金属的腐蚀都是最难克服的问题。腐蚀防护的手段有多种,其中添加缓蚀剂作为一种效果明显、成本较低、工艺简单的方法,越来越受到人们的重视。近年来,政府不断加大环保力度,因而缓蚀剂的选择也向着新型绿色的方向发展。油田使用的水解聚丙烯酰胺（HPAM）,在金属表面有一定吸附作用,又因其为环境友好型试剂,可开发在海水缓蚀剂领域的应用。针对HPAM在海水中的缓蚀性能,本论文主要从三个方面进行了研究:1、观测Q235钢在添加HPAM的海水中的腐蚀行为,并分析了缓蚀效能随浓度等条件的变化规律;2、结合量子化学计算等手段,对HPAM在碳钢表面的吸附和缓蚀机理进行了深入的理论分析;3、将HPAM与无机缓蚀剂复配,积累数据,探索其协同效应的机理和应用价值。全文的具体研究方法及结论如下:1.在常温下利用失重法、极化曲线、电化学阻抗以及各种宏观和微观观察方法,对添加不同浓度HPAM、不同浸泡时间下的Q235钢试样,进行了腐蚀规律研究,发现Q235钢在天然海水中腐蚀严重,加入不同浓度HPAM缓蚀剂后,腐蚀电流密度减小,腐蚀速率减小,且随投加浓度的增加,缓蚀率先增大后减小,400mg/L时缓蚀率达到峰值65%。同时根据电化学曲线分析得出,HPAM为偏阴极型的缓蚀剂,在Q235钢表面是多分子层吸附。2.采用B3LYP密度泛函方法,得到了HPAM的空间优化构型,从各原子Mulliken电荷分析的结果来看,位于同一侧的O和N原子上带有较强的负电性,可能成为在碳钢表面阳极区吸附的活性中心。然后探索了HPAM的前线分子轨道,发现O原子HOMO电子云分布密度最大,因此其对吸附的贡献较大。总的来看,HPAM与碳钢表面的吸附,是静电吸引和HPAM分子轨道-Fe原子d轨道形成化学键的综合作用的结果。3.分别以不同浓度的硫酸锌和HPAM复配,在常温下使用三种手段评价了缓蚀效果。发现单独使用硫酸锌效果不理想,HPAM和硫酸锌联合使用,比使用单一组分的缓蚀率有大幅提升,最高达到85%左右,说明HPAM和硫酸锌存在协同效应。极化曲线可以看出二者复配为混合型缓蚀剂,能够对阴极和阳极反应同时造成抑制。对腐蚀产物进行宏观和SEM观察,发现吸附膜可能为二者鳌合物。另外,论文还针对有机缓蚀剂结构与缓蚀效能的关系,进行了理论研究。得到了一些规律——包含电负性官能团和双键或三键π电子的有机物,能在金属表面形成有效的化学吸附,因而这种活性基团越多,缓蚀效能就越高。另一方面,分子的正电性是静电吸附的主要影响因素,具有吸电子特性的取代基可以强化在金属负电区的静电吸附。同时,较为稳定的鳌合结构更有利于发挥效能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 海水缓蚀剂的研究历程
• 1.2.2 HPAM 作碳钢海水缓蚀剂的可行性探讨
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 HPAM 在海水中缓蚀行为的研究
• 2.1 实验试剂、材料与设备
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验材料
• 2.1.3 实验仪器与设备
• 2.2 实验方法和原理
• 2.2.1 重量法
• 2.2.2 极化曲线法（Tafel 曲线）
• 2.2.3 电化学阻抗法（EIS）
• 2.2.4 腐蚀形貌分析
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 失重实验
• 2.3.2 极化曲线实验
• 2.3.3 电化学阻抗实验
• 2.3.4 腐蚀形貌分析实验
• 第三章 缓蚀机理的研究
• 3.1 有机类缓蚀剂机理简介
• 3.1.1 有机缓蚀剂的分类
• 3.1.2 有机物缓蚀的吸附理论
• 3.1.3 有机胺的缓蚀研究
• 3.2 有机缓蚀剂结构与效能的关系研究
• 3.2.1 分子结构对缓蚀效能的影响
• 3.2.2 分子结构与缓蚀效能的关系规律小结
• 3.3 HPAM 缓蚀作用的量子化学讨论
• 3.3.1 HPAM 分子的构型优化
• 3.3.2 HPAM 的电子结构与缓蚀能力
• 3.3.3 HPAM 的前线分子轨道与缓蚀能力
• 第四章 HPAM 与其他组分复配的协同效能
• 4.1 辅助试剂硫酸锌的选择依据
• 4复配的实验结果及讨论'>4.2 HPAM 与ZNSO₄复配的实验结果及讨论
• 4.2.1 失重实验
• 4.2.2 电化学实验
• 4.2.3 腐蚀形貌观察
• 第五章 结论及展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文