新型咪唑啉缓蚀剂浓度检测及其在Q235钢表面膜生长和衰减规律研究

论文摘要

油气田开发过程中广泛存在CO2 ,CO2溶入水后对钢质设备有极强的腐蚀性。目前,各油田最常用的防腐方法就是添加缓蚀剂,既经济有效又不影响油田的正常生产。咪唑啉类缓蚀剂有优良的缓蚀性能,无特殊的刺激性气味,热稳定性好,毒性低,在油田管线设备的防护实践中被广泛应用。对咪唑啉缓蚀剂浓度的检测及其在碳钢表面膜生长和衰减规律的研究可以指导现场加样量和加样时间、合理有效的使用和保存缓蚀剂,对缓蚀剂在油田现场的使用有重要意义。针对油田现场高温高压,CO2含量和Ca2+、Mg2+、SO42、Cl-等各种无机离子含量较高的腐蚀环境特点,本实验室合成了一种新型的咪唑啉缓蚀剂,并运用红外、紫外、核磁共振碳谱、质谱等分析方法表征了其分子结构。该缓蚀剂在支链上引入硫原子加强了咪唑啉在金属表面的吸附,可以更加有效的减缓CO2对碳钢的腐蚀。本文主要围绕以下三个问题对其展开了研究:用紫外分光光度法研究了咪唑啉随温度变化的水解规律,并提出了开环度的概念。研究发现:随着温度升高,咪唑啉的水解速率增大,开环比例增加。85℃下,4h内已有一半咪唑啉开环发生水解;25℃下水解则比较缓慢,且开始4h内变化不大。在此基础上研究了咪唑啉缓蚀剂最佳检测波长、检测时间、检测温度以及其他因素等对浓度检测的影响,研究表明,盐溶液在高温下也会有紫外吸收,对溶液测定造成干扰,冷却至25℃后再测定可以排除这种干扰;其它物质如有机复配剂,CO2,Fe3+等对咪唑啉缓蚀剂紫外吸收影响不大。将取得的现场水样冷却至25℃后4h内,分别测定其228nm和205nm处吸光度值,利用自合成的咪唑啉和酰胺产品分别绘制的两条标准曲线,可以计算得出咪唑啉缓蚀剂总浓度和开环程度,该检测方法有良好的线性,准确度较高,可以适用于复杂的油水相共存的环境。用失重试验、交流阻抗和弱极化等方法研究了咪唑啉缓蚀剂在Q235钢表面膜生长和衰减规律。研究表明:85℃下,随着缓蚀剂浓度的增加,缓蚀剂缓蚀性能并不是一直增加,而是有一个极值浓度,本文所用缓蚀剂为40 mg·L-1。交流阻抗和弱极化方法研究表明,40mg·L-1和60mg·L-1的缓蚀剂其成膜较快, 24h即可成膜,且膜层有自动修复功能,在电极浸泡初期,成膜较致密,在膜层出现传质过程受阻引起的Warburg阻抗,但其膜寿命较短,在120h时即出现较明显衰减,而40 mg·L-1的缓蚀剂在148h时仍保持一个良好的状态。20mg·L-1的缓蚀剂其成膜较慢,在48h时达到顶峰,随后逐渐衰减,自我修复表现不明显。25℃下,Q235钢在40mg·L-1的咪唑啉缓蚀剂中自腐蚀电流密度较85℃下有所下降,电荷转移电阻也有较大幅度的提高,成膜更加致密紧实。这说明一方面温度的升高,会促进腐蚀反应的进行;另一方面温度升高,也使咪唑啉水解反应更加严重,降低了其缓蚀效率;85℃下,40 mg·L-1的未加入硫脲基的咪唑啉其成膜相对较慢,在48h达到最好状态。在该条件下,Q235钢在浸泡72h-120h期间的交流阻抗谱图低频端出现一感抗弧,即此时体系中吸附在电极表面的缓蚀剂出现脱附现象,反过来说明由于硫脲基的引入,增强了咪唑啉环的吸附性能。用失重试验、交流阻抗和弱极化等方法研究了咪唑啉缓蚀剂的稳定性。用交流阻抗研究了放置两个月和在85℃下水解72h后40mg·L-1的咪唑啉在Q235钢表面成膜性能,发现无论成膜寿命还是成膜强度都不如新鲜的咪唑啉缓蚀剂,其共同的原因就是水解后生成的酰胺其吸附性能比咪唑啉弱,影响了成膜性能,导致缓蚀率的下降;用紫外吸收分光光度法研究了失重试验过程中咪唑啉缓蚀剂紫外谱图的变化,研究表明,不同浓度的缓蚀剂其开环速率和比例都是不一样的,咪唑啉缓蚀剂浓度越高,其开环比例越大,在48h时水解开环反应已基本完成,因此造成不同浓度咪唑啉缓蚀剂在失重试验过程中摩尔吸光系数ελ=228nm和ελ=205nm的差异;用紫外吸收分光光度法研究了电化学试验过程中咪唑啉缓蚀剂紫外谱图的变化,研究表明,25℃下的咪唑啉缓蚀剂其水解倾向要远小于85℃,电化学试验过程中在λ=228nm和λ=205nm处的峰值不同于失重试验,不仅比较大而且一直呈增长趋势,推测由于外加电流的引入,使得缓蚀剂发生了变化,增强了其在该波长处的紫外吸收。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 咪唑啉缓蚀剂合成及其缓蚀性能评价方法
• 1.2 咪唑啉缓蚀剂浓度检测方法研究现状
• 1.3 缓蚀剂膜性质的研究
• 1.4 本课题的研究背景和主要研究内容
• 2 咪唑啉缓蚀剂的分子设计和表征
• 2.1 咪唑啉缓蚀剂的分子设计
• 2.2 咪唑啉缓蚀剂的表征
• 2.2.1 红外谱图
• 2.2.2 紫外谱图
• 2.2.3 核磁共振碳谱
• 2.2.4 质谱
• 2.3 本章小结
• 3 咪唑啉缓蚀剂的浓度检测方法研究
• 3.1 可见光显色分光光度法检测咪唑啉缓蚀剂浓度初探
• 3.1.1 实验原理
• 3.1.2 实验溶液配制
• 3.1.3 标准工作曲线的绘制
• 3.1.4 结果与讨论
• 3.2 紫外吸收分光光度法检测咪唑啉缓蚀剂浓度
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 仪器与试剂
• 3.2.3 试验方法
• 3.2.4 结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 2盐溶液中咪唑啉缓蚀剂膜在Q235 钢表面生长和衰减规律研究'>4 饱和CO₂盐溶液中咪唑啉缓蚀剂膜在Q235 钢表面生长和衰减规律研究
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 失重实验
• 4.1.2 弱极化法
• 4.1.3 电化学交流阻抗法（EIS）
• 4.2 实验仪器及试剂
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验装置及仪器设备
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 空白腐蚀盐溶液的电化学特征
• 4.3.2 浓度对缓蚀性能及缓蚀剂膜在Q235 钢表面生长和衰减规律的影响..
• 4.3.3 温度对咪唑啉缓蚀剂膜在Q235 钢表面生长和衰减规律的影响
• 4.3.4 硫脲基对咪唑啉缓蚀剂膜在Q235 钢表面生长和衰减规律的影响
• 4.4 本章小结
• 5 咪唑啉缓蚀剂的稳定性研究
• 5.1 试验方法
• 5.1.1 失重试验
• 5.1.2 交流阻抗试验
• 5.1.3 紫外吸收分光光度法测定缓蚀剂浓度试验
• 5.2 试验仪器及试剂
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 样品放置时间对缓蚀性能以及缓蚀剂在Q235 钢表面成膜性能的影响
• 5.3.2 咪唑啉85℃下水解产物在Q235 钢表面的成膜性能
• 5.3.3 失重和电化学试验过程中咪唑啉缓蚀剂紫外吸收谱图的变化
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 附图 咪唑啉缓蚀剂核磁共振碳谱
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文