茶渣提取物在HCl中对Q235钢的缓蚀性能研究.pdf

96 第 25 卷第 5 期遵义师范学院学报2023 年 10 月Q235 钢具有良好的强度、可塑性和可焊接等性能，目前已广泛应用于高压输电铁塔、锅炉、桥梁、船舶等领域。然而，Q235 钢在使用过程中易发生腐蚀，从而导致设备失效，甚至引发安全事故。使用缓蚀剂是金属防腐蚀的常用手段，由于植物型缓蚀剂具有高效、环保、易制备等优点1-5，目前受到了广泛关注。例如，Jorge 等6从柑橘皮中提取出了对碳钢具有缓蚀性能的果胶；本课题组7研究表明，广玉兰叶提取物能有效减缓 Q235 钢在盐酸中的腐蚀。贵州省遵义市茶叶资源丰富，在茶叶加工生产过程中不可避免会产生下脚料，当前对这部分茶渣的利用途径较少，且附加值低8。为此，本文通过蒸馏水浸提法制备了茶渣提取物（TRS），通过傅里叶红外光谱分析了 TRS的成分，采用电化学测试与扫描电镜研究了 TRS 的缓蚀性能，以期为茶渣提取物用作金属缓蚀剂提供实验依据。1 实验1.1 实验材料Q235 钢化学组成：C 12%，S 1.0%，Si 14%，P1.9%，Mn 35%，Fe 36.1%。茶渣购买于遵义市湄潭县。1mol/L HCl 采用浓盐酸和蒸馏水配制。Q235钢被切割成 1cm1cm1cm 和 0.5cm0.5cm0.5cm的试样，分别用于制备工作电极和 SEM 测试试样。1.2 茶渣提取物的制备收稿日期：2022-07-08基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合基础-ZK2022569 号）；遵义师范学院 2021 年乡村振兴专项项目（黔教合 KY 字2012017-16 号）；遵义师范学院学术新苗培养及创新探索项目（遵师XM20211 号-6）；遵义师范学院博士基金项目（遵师BS201911号）；贵州省大学生创新创业训练计划项目（S202110664025 号，S202110664027 号）作者简介：王皓，男，山东新泰人，遵义师范学院化学化工学院 2019 级本科生。茶渣提取物在 HCl 中对 Q235 钢的缓蚀性能研究王皓，刘嘉奇，陶爱宁，周利红，周汇兰，陈书军*（遵义师范学院 化学化工学院，贵州 遵义 563006）摘要：为探究茶渣的有效利用途径，采用蒸馏水提取法制备了茶渣提取物（TRS），研究了其对Q235 钢的缓蚀性能。结果表明：TRS作为一种混合型缓蚀剂，能有效抑制Q235 钢在盐酸中的腐蚀，缓蚀性能随TRS浓度增加而增强，随溶液温度升高而变弱，当 TRS 添加量为 2.0g/L 时，其在 1mol/L 盐酸溶液中对 Q235 钢的缓蚀效率可达 92.69%。关键词：缓蚀；茶渣；红外光谱；Q235 钢；提取物中图分类号：TG174文献标识码：A文章编号：1009-3583（2023）-0096-04Corrosion Inhibition of Tea Residues Extracts for Q235Steel in HCl MediumWANG Hao,LIU Jia-qi,TAO Ai-ning,ZHOU Li-hong,ZHOU Hui-lan,CHEN Shu-jun*(School of Chemistry and Chemical Engineering,Zunyi Normal University,Zunyi 563006,China)In order to expand the utilization ways of tea residues,the extracts of tea residues(TRS)have been prepared using the distilledwater refluxing method.The corrosion inhibition of TRS has been studied,and the results support that The TRS is a mixed inhibitor thatcan inhibit the Q235 steel corrosion.The corrosion inhibition of TRS increases with increase of its concentration,and decrease with in-crease ofsolution temperature.The concentration of TRS is 2.0 g/L,its corrosion inhibition efficiency is 92.69%in 1 mol/LHCl mediumfor Q235 steel.corrosion inhibition;tea residues;FT-IR spectroscop;Q235steel;extracts第 25 卷第 5 期2023 年 10 月遵义师范学院学报Journal of Zunyi Normal UniversityVol.25,No.5Oct.2023 97 茶渣提取物（TRS）制备流程：将购买的茶渣洗净、烘干、磨碎，取 20g 茶渣粉末，加入 400mL 蒸馏水，100加热回流 4h，真空抽滤，将滤液冷冻干燥，得到深棕色固体（TRS）。采用 IRPresti 型傅里叶变换红外光谱仪分析 TRS 的成分，波数范围为 4004000cm1。1.3 电化学测量使用 CHI660E 电化学工作站进行电化学实验。采用三电极体系，Q235 钢试样作为工作电极，铂电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极。开路电位测试时间设置为1200s，使工作电极表面达到稳定状态。电化学阻抗测试采用 5mV 的正弦电压作为激励信号，扫描频率范围设置为 10510-2Hz。动电位极化曲线测试的电位扫描区间设置为 EOCP250mV，扫描速率设定为 1mV/s。1.4 扫描电镜测试分别采用 400#7000#的砂纸打磨Q235 钢试样至光亮，将打磨后的钢试样分别浸泡在含有和不含2.0g/L TRS 的 1mol/L HCl 溶液中 3h，分别用丙酮、无水乙醇与蒸馏水超声清洗，吹干浸泡后的试样，用KYKY-EM6900 型扫描电镜观察试样腐蚀后的表面形貌。2 结果与讨论2.1 物质结构表征图 1 为茶渣提取物的红外光谱图。在 3273cm-1处为水、多糖或茶多酚中的-OH 伸缩振动吸收峰；2926cm-1处为C-H伸缩振动吸收峰9；1651cm-1处为酰胺I带中C=O伸缩振动吸收峰；1455cm-1、1326cm-1处为C-H弯曲振动吸收峰10；613cm-1处为N-H面外弯曲振动吸收峰。以上特征吸收峰表明 TRS 与茶叶的化学组成相似11，含有丰富的 N、O 杂原子以及不饱和基团，这些杂原子或不饱和基团可作为吸附图 1 TRS 红外光谱图基吸附在金属表面12，形成薄膜从而阻止腐蚀介质对金属的侵蚀。由此可以判断，TRS 可以作为金属潜在的高效缓蚀剂。2.2 电化学测试2.2.1 动电位极化曲线图 2 为Q235 钢在 298K、不同浓度TRS、1mol/LHCl 中的动电位极化曲线。由图 2a 与 2b 可知，添加 TRS 后腐蚀电流密度减小，因此 Q235 钢的腐蚀得到抑制。此外，随着 TRS 浓度增加或溶液温度降低，极化曲线阴、阳极腐蚀电流密度明显减小，表明适当增加TRS浓度或者降低溶液温度，有利于TRS缓蚀能力的提高。对比图中阴、阳极腐蚀电流密度可以发现，阴极极化电流密度降低得更加显著，意味着TRS在HCl中对Q235 钢是一种阴极抑制更为明显的混合型缓蚀剂。(a)298K 时 Q235 钢动电位极化曲线(b)不同温度时 Q235 钢动电位极化曲线图 2 Q235 钢在 1mol/L HCl 中的动电位极化曲线为了定量分析碳钢在 HCl 介质中的缓蚀性能，利用Tafel外推法得到腐蚀电流密度（Icorr）、腐蚀电位（Ecorr）、阴极斜率（c）、阳极斜率（a）以及缓蚀效率（=(Icorr,0-Icorr)/Icorr,0），结果列于表 1、表 2。如表 1 所示，加入 TRS 后，腐蚀电位变化值小于 85mV，由此可以判断 TRS 为混合型缓蚀剂13。从表 1、表 2 中数据可以看出，随着提取物浓度增加或者溶液温度王皓等茶渣提取物在 HCl 中对 Q235 钢的缓蚀性能研究 98 第 25 卷第 5 期遵义师范学院学报2023 年 10 月降低，腐蚀电流密度不断减小，缓蚀效率也逐渐提高。在 293K、TRS 加入量为 2.0g/L 时，腐蚀电流密度下降至 0.033mAcm-2，缓蚀效率高达 95.41%。表 1 Q235 钢在 298K、不同浓度 TRS、1mol/L 盐酸中的极化曲线参数TRS(g.L-1)Ecorr(mV.SCE-1)c(mV dec-1)a(mV dec-1)Icorr(mAcm-2)(%)空白-43458.0257.810.719-0.2-42881.5159.810.21470.240.5-41383.8250.810.13581.221.0-41576.0348.620.08588.182.0-45157.8454.520.04394.02表 2 不同温度下 Q235 钢在 2g/L TRS、1mol/L 盐酸中的极化曲线参数T(K)Ecorr(mV.SCE-1)c(mV dec-1)a(mV dec-1)Icorr(mA cm-2)(%)空白-43458.0257.810.719-293-47659.0266.020.03395.41298-45157.8454.520.04394.02303-45467.4060.820.07090.26313-45356.0356.380.10485.542.2.2 交流阻抗测试图 3 是 Q235 钢在不同条件下 HCl 溶液中的交流阻抗谱。如图 3a，随着 TRS 在盐酸溶液中浓度的增加，容抗弧的半径显著增大，说明 Q235 钢表面腐蚀反应的电子传输过程减缓，即 Q235 钢与 HCl 溶液界面的电荷转移电阻增大。这表明加入 TRS 后，增加了 Q235 钢表面的电荷传递阻力，从而抑制了Q235 钢的腐蚀。从图 3b 可见，随着腐蚀溶液温度升高，容抗弧的半径减小，这是由于温度升高，TRS分子的热运动加剧，TRS 分子在 Q235 钢表面的脱附效应增强，降低了 TRS 对腐蚀介质的阻隔能力。(a)298K 时 Q235 钢的交流阻抗谱(b)不同温度时 Q235 钢的交流阻抗谱图 3 Q235 钢在 1mol/LHCl 中的交流阻抗谱通过图 4 的等效电路拟合阻抗谱数据，拟合结果见表 1、表 2。其中，Rs为溶液电阻，Rct表示腐蚀反应的电荷转移电阻，Cdl表示界面双电层电容，为缓蚀效率，计算公式如式（1），式中 Rct和 Rct,0分别表示添加和未添加 TRS 时的电荷转移电阻。（1）由表 3 可知，Rct与的数值随着提取物浓度的增加而增大，双电层电容 Cdl值随着 TRS 浓度增加而减小，表明增加TRS浓度有利于更多的TRS分子在金属表面吸附，从而起到增强抑制金属腐蚀的作用。从表 4 可以看出，随着溶液温度的升高，Rct与的数值不断降低，Cdl值逐渐增大，说明升高温度降低了 TRS 在盐酸中对 Q235 钢的缓蚀性能。图 4 拟合电化学阻抗谱数据的等效电路表 3 Q235 钢在 298K、不同浓度 TRS、1mol/L 盐酸中的阻抗图谱拟合参数TRS(g.L-1)Rs(cm2)Cdl(F/cm2)Rct(cm2)(%)空白0.6409120.817.52-0.20.832656.9547.9163.430.50.758340.8083.6379.051.00.762226.88129.886.502.00.669620.83226.192.25 99 表 4 不同温度下 Q235 钢在 2.0g/LTRS、1mol/L 盐酸中的阻抗图谱拟合参数T(K)Rs(cm2)Cdl(F/cm2)Rct(cm2)(%)空白0.6409120.817.52-2930.774519.13239.792.692980.669520.83226.192.253030.676120.03162.889.243130.695921.68102.882.962.3 SEM 分析图5 是Q235钢在不同条件、HCl溶液中浸泡 3h后的 SEM 图。由图 5a 可以发现，Q235 钢在含有2.0g/L TRS 的盐酸溶液中浸泡后，表面出现轻微腐蚀，抛光打磨的痕迹依然清晰可见。而图 5b 中的Q235 钢浸泡后，出现了较为严重的腐蚀，表面变得粗糙并出现大量腐蚀坑。因此，SEM 测试结果表明TRS 能有效抑制 Q235 钢在盐酸中的腐蚀，这一结论与电化学测试结果相吻合。图 5 Q235 钢试片在腐蚀液中浸泡 3h 后的 SEM 形貌图3 结论（1）以蒸馏水为溶剂，通过加热回流制备得到了茶渣提取物TRS，红外研究表明TRS含有丰富的N、O 杂原子以及不饱和基团的共轭结构，可以作为潜在的金属缓蚀剂。（2）电化学测试显示，TRS 对 Q235 钢具有良好的缓蚀性能，其缓蚀能力随TRS浓度的增加而增强，随温度升高而降低。SEM 测试结果进一步证明了TRS 对 Q235 钢具有良好的缓蚀性能。参考文献：1CHEN S,ZHAO H,CHEN S,et al.Camphor leaves extract as aneoteric and environment friendly inhibitor for Q235 steel inHCl medium:Combining experimental and theoretical resear-chesJ.Journal of Molecular 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Q235 钢的缓蚀性能研究