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多潘立酮对黄铜在两种含氯溶液中的缓蚀行为研究

作　者: 刘坤
导　师: 向斌
学　校: 重庆大学
专　业: 化学
关键词: 缓蚀剂多潘立酮黄铜量子化学计算吸附行为
分类号: TG174.42
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

以铜、锌为主的合金黄铜因其优良的力学性能和工艺性能,在现代工业中应用极广,但在含氯离子的水溶液中黄铜的腐蚀较快。因此对于在含氯溶液中性能优良、环境友好的黄铜缓蚀剂研究倍受各国学者的关注。本文通过失重法、极化曲线法、交流阻抗法和量子化学计算等方法,分别测定和评价多潘立酮在1mol/L HCl溶液和3.5%NaCl溶液中对黄铜的腐蚀抑制情况。结果表明,黄铜在1mol/L HCl溶液中的腐蚀速度大于在3.5%NaCl溶液中的腐蚀速度,多潘立酮对黄铜合金在1mol/L HCl溶液和3.5%NaCl溶液中的腐蚀均能起到很好抑制作用,其缓蚀效果在1mol/LHCl溶液中较在3.5%NaCl溶液中显著。在1mol/L HCl溶液中多潘立酮对黄铜的缓蚀效率会随着浓度的增加而增大,当添加150mg/L多潘立酮时,缓蚀效率最高,为91.5%,继续增大多潘立酮浓度时,缓蚀效率反而降低。在3.5%NaCl溶液中多潘立酮对黄铜的缓蚀效率也随着浓度的增加先增大后减小,缓蚀效率最高为88.5%,对应多潘立酮添加量为150mg/L。这是由于多潘立酮分子中存在咪唑啉酮五元环和含氮六元环,可以提供孤对电子与铜原子的空轨道成键,与吸附在黄铜表面的氯离子、水分子形成竞争吸附,从而在黄铜表面形成一层吸附膜抑制了腐蚀进行,随着缓蚀剂浓度的增加,吸附膜愈来愈完整。当缓蚀剂浓度达到150mg/L时,黄铜表面吸附的缓蚀剂分子形成的吸附膜最完整,缓蚀效率也最高。然而继续增加缓蚀剂浓度时,溶液中过多的缓蚀剂分子可与吸附的分子间发生分子间的作用力,导致已吸附缓蚀剂分子吸附形态变化而破坏吸附膜完整性,此外,缓蚀剂分子与溶液中Cu2+发生络合效应导致黄铜腐蚀反应平衡移动,加剧黄铜腐蚀,降低缓蚀效率。失重法和电化学方法所得结论相一致。运用量子化学计算方法对多潘立酮分子进行了构型优化,Fukui指数表明,多潘立酮分子中活性吸附中心为咪唑啉酮结构和含氮六元环,咪唑啉酮结构中氮原子,氧原子和苯环上连接的氯原子较易提供电子与黄铜表面发生相互作用,而含氮六元环较易接受来自黄铜的电子。将缓蚀效率IE%=θ分别代入Temkin ,Frumkin和Langmuir吸附等温式进行拟合发现多潘立酮在黄铜表面的吸附行为符合Langmuir吸附等温模型。热力学计算结果显示,在含150mg/L的多潘立酮的1mol/LHCl溶液中多潘立酮在黄铜表面的吸附能是-15.742kJ/mol,属于物理吸附;在含150mg/L多潘立酮的3.5%NaCl溶液中的吸附能是-21.057kJ/mol,说明在3.5%NaCl中,缓蚀剂在黄铜的表面吸附既有物理吸附也有化学吸附,但以物理吸附为主。动力学研究发现,添加缓蚀剂时的指前因子A和表观活化能Ea均比未添加缓蚀剂时要大许多。活化能增大是因为缓蚀剂分子吸附在黄铜表面,覆盖了易于发生腐蚀的表面活性点,从而抑制了黄铜在这两种腐蚀溶液中的腐蚀。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-10
1 绪论  10-28
  1.1 引言  10-11
    1.1.1 铜及其合金概述  10
    1.1.2 铜及其合金的腐蚀与防护  10-11
  1.2 缓蚀剂  11-18
    1.2.1 缓蚀剂概述  11-16
    1.2.2 咪唑啉类缓蚀剂及其合成方法  16-17
    1.2.3 咪唑啉衍生物类缓蚀剂的缓蚀机理  17-18
    1.2.4 咪唑啉类缓蚀剂的研究展望  18
  1.3 常用缓蚀机理的研究方法  18-24
    1.3.1 失重法  18-19
    1.3.2 电化学分析法  19-22
    1.3.3 谱学电化学法  22-23
    1.3.4 量子化学计算方法  23-24
  1.4 缓蚀剂的吸附行为研究  24-26
    1.4.1 吸附热力学研究  24-25
    1.4.2 吸附动力学研究  25
    1.4.3 缓蚀剂吸附影响因素  25-26
  1.5 本课题选题意义与研究内容  26-28
    1.5.1 选题意义  26-27
    1.5.2 研究内容  27-28
2 多潘立酮在1mol/LHCl 溶液中对黄铜的缓蚀性能研究  28-42
  2.1 引言  28-29
  2.2 实验材料和研究方法  29-31
    2.2.1 主要实验仪器  29-30
    2.2.2 主要实验试剂  30
    2.2.3 主要金属材料  30
    2.2.4 失重试验  30
    2.2.5 电化学实验  30-31
    2.2.6 Cu~(2+)对缓蚀效率的影响  31
  2.3 温度对缓蚀效果的影响  31
    2.3.1 失重实验  31
    2.3.2 电化学方法  31
  2.4 结果与讨论  31-41
    2.4.1 失重数据与讨论  31-33
    2.4.2 交流阻抗谱结果与讨论  33-37
    2.4.3 Tafel 极化曲线结果与讨论  37-40
    2.4.4 加入Cu~(2+)所得阻抗的结果与讨论  40-41
  2.5 本章小结  41-42
3 多潘立酮在 3.5%NaCl 溶液中对黄铜的缓蚀性能研究  42-54
  3.1 引言  42-43
  3.2 实验材料和研究方法  43-44
    3.2.1 主要实验仪器  43
    3.2.2 主要实验试剂  43-44
    3.2.3 主要金属材料  44
    3.2.4 失重实验  44
    3.2.5 电化学试验  44
  3.3 结果与讨论  44-53
    3.3.1 失重数据与讨论  44-46
    3.3.2 交流阻抗谱结果与讨论  46-49
    3.3.3 Tafel 极化曲线结果与讨论  49-53
  3.4 本章小结  53-54
4 缓蚀作用的理论分析  54-62
  4.1 量子化学计算  54-57
    4.1.1 几何优化及前线轨道分析  54-55
    4.1.2 Mulliken 原子电荷密度  55-56
    4.1.3 反应活性分析  56-57
  4.2 多潘立酮分子在黄铜表面的吸附行为研究  57-62
    4.2.1 热力学分析  57-59
    4.2.2 动力学分析  59-62
5 结论与展望  62-64
  5.1 结论  62-63
  5.2 展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-70
附录  70
  A. 作者在攻读硕士学位期间所发表的文章  70

多潘立酮对黄铜在两种含氯溶液中的缓蚀行为研究

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