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植酸對A3鋼緩蝕作用的研究

發布時間:2011-4-29 13:54:07  打印本頁 || 關閉窗口
翟海濤 魯道榮*  鄧君和    
                                                                   (合肥工業大學化工學院,安徽合肥,230009)
 
      摘要:采用線性掃描伏安法、交流阻抗法和SEM,研究了植酸(即肌醇六磷酸酯)在3.50% NaCl溶液中對A3鋼的緩蝕作用。計算了NaCl溶液中不同濃度植酸在A3鋼表面的覆蓋度θ,以及電荷傳遞極化電阻Rp和雙電層電容Cd;研究了植酸濃度對A3鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流、陽極極化度Pa的影響;用SEM觀察了NaCl溶液中存在與不存在植酸時A3鋼表面被腐蝕的狀況。結果表明,植酸在3.50% NaCl溶液中是一種陽極緩蝕劑,它可以使A3鋼腐蝕電流減小、極化電阻增大,對A3鋼具有明顯的緩蝕作用,其緩蝕效率與植酸濃度有關。
 
    關鍵詞:植酸;A3鋼;覆蓋度;極化電阻;雙電層電容
 
Study on Corrosion inhibition process of Phytic Acid for A3 steel
Zhai hai-tao,   Lu Dao-rong*,  Deng Jun-he
(HeFei University of Technology, HeFei, AnHui China, 230009, E-mail:[email protected])
 
Abstract: This experiment applied Linear Sweep Voltammetry (LSV), AC Impedance (IMP) to study restrain of corrosion on A3 steel by using Phytic Acid in 3.5% sodium chloride solution. According to the results of the experiment, we calculated the coverage rate of Phytic Acid on the A3 steel  (θ),the impedance of the electrode process (Rp),and the double layer capacity(Cd). We study the effects of the Phytic Acid on the voltage of the automatic corrosion ,current of the automatic corrosion、the positive polarization degree of the A3 steel. We also observed the state of the A3 steel surface after the corrosion by SEM. The experiment shows that Phytic Acid is an anodic inhibitor on metal. Its effect is that it makes the corrosion current down and increases the resistance of the polarization. And it can inhibit the corrosion of the A3 steel obviously. Its inhibiting efficiency is related to the concentration of the Phytic Acid. Meanwhile.
 
Key words: Phytic Acid,  A3 steel,  coverage rate,  polarization resistance,  double layer capacity
 
 
       在經濟發達的沿海城市和地區,人們對海水資源比以往更加關注,國外許多擁有海水資源的發達國家都大量采用海水作為工業冷卻用水,其應用領域主要分布在電力、鋼鐵、化工、能源(石油、煤炭)、建材、有色金屬和食品等行業[1]。因為海水中含有較高濃度的氯化鈉(約3.5%NaCl),氯離子是導致金屬腐蝕的主要因素之一,它能降低金屬腐蝕反應的活化能,加劇了金屬材料的腐蝕,所以用海水作為冷卻水時,必須防止海水中氯離子對冷卻系統中金屬管道的腐蝕。本文采用濃度為3.50%NaCl溶液作為腐蝕介質,用線性掃描伏安法、交流阻抗法和SEM研究了植酸(即肌醇六磷酸酯)對A3鋼的緩蝕作用。植酸是一種易溶于水且與金屬離子有較強的螯合力的物質[2],它的分子式為C6H18O24P6,分子量為660.4,其空間結構式為[3]
1.實驗方法
植酸由實驗室自制,含量約為70%;將A3鋼片打磨光亮并制成工作電極,面積為3×3mm2,其余部分用環氧樹脂膠密封;配制3.50%NaCl溶液;電化學測試采用三電極體系,以飽和甘汞電極作參比電極,鉑電極作輔助電極,測試在CHI660B型電化學工作站(上海辰華儀器公司生產)上進行。穩態極化曲線的電勢掃描范圍為-0.600V ~ 0.800V,掃描速率為0.2mv/s;交流阻抗實驗在自腐蝕電位下進行,測試頻率為0.01~105Hz,振幅為5mv;塔菲曲線的電勢掃描范圍為-0.850V ~ 0.800V,掃描速率為0.2mv/s;實驗溫度為30℃,用超級恒溫槽(常州國華電器有限公司生產)控制。
 
2.實驗結果與討論
 
2.1 植酸濃度對A3鋼的極化曲線的影響
在3.50%NaCl溶液中,分別加入質量百分濃度為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、2.00%的植酸,考察其對A3鋼腐蝕性的影響,實驗結果見圖1。
1 不同濃度植酸中A3的極化曲線 
                      Fig1  The polarization curve of A3 steel in the different concentration Phytic Acid
 從圖1可以看出,當氯化鈉溶液中存在植酸時,A3的腐蝕電流明顯比不存在植酸時小,且隨著陽極過電勢的增加,植酸對A3鋼的緩蝕作用增大;在相同過電勢條件下,隨著植酸濃度增加,A3鋼的腐蝕電流逐漸減小,當植酸濃度為1%時腐蝕電流**小,當濃度繼續增加至2%時,A3鋼的腐蝕電流反而增大。根據電化學理論可知,緩蝕劑對電極反應的阻化作用可以看作是覆蓋層的“封閉效應”,產生極化的主要原因是由于緩蝕劑在電極表面吸附并與電極表面的原子反應,從而生成了一層保護膜,覆蓋了電極表面的活性中心,因而減緩了腐蝕。根據實驗測試的陽極腐蝕電流密度,可計算出植酸在A3鋼表面的覆蓋度θ  
       θ=1-J/J0 [4]
 式中J J0 分別為在相同過電勢η(本實驗取η=0.5v)條件下,NaCl溶液中含有植酸和不含植酸時的A3鋼陽極電流密度,根據圖1與上式可求出在η=0.5v時,不同濃度植酸在A3鋼表面的覆蓋度θ,結果見表1。
                            表1  A3鋼表面的覆蓋度與植酸濃度的關系
                   Tab1 The relation on the overcast rate of A3 steel surface and the concentration of Phytic Acid
    從表1可以看出,隨著植酸濃度增大,θ值增加, A3鋼表面的活性中心被覆蓋的越多,其腐蝕電流越小,當植酸濃度為1.00%時θ值****,對應的腐蝕電流**小,隨后當植酸濃度繼續增大時,θ值反而降低,腐蝕電流反而增加,這可能由于少量植酸分子從A3鋼表面脫落所致。 
2.2 交流阻抗實驗
根據等效電路原理,可以從交流阻抗譜得到溶液電阻Rl、電荷傳遞反應極化電阻Rp和電極表面雙電層電容Cd等重要的腐蝕參數。在高頻區范圍內, 電極反應主要由電化學反應步驟控制[5],在低頻區,電極反應主要受到濃差極化控制。
實驗測試了不同植酸濃度時A3鋼電極的交流阻抗譜,結果見圖2。
 圖2 不同濃度植酸條件下A3鋼的交流阻抗譜
Fig2  A.C. Impedance picture of A3 steel in Phytic Acid with the different concentration
從圖2可以看出,隨著植酸濃度的增加,A3鋼電極在高頻區的容抗弧會增大。這表明植酸的加入使得A3鋼電極表面的電荷傳遞受到了抑制,從而增大了A3鋼電極的極化電阻,減緩了A3鋼的腐蝕;從圖2可以得到溶液電阻R1、電荷傳遞反應極化電阻Rp,并計算得到A3鋼電極表面的雙電層電容Cd[6]結果見表2。
                        表2 不同濃度植酸對A3鋼的腐蝕參數的影響
                             Tab2  The impedance parameter of A3 steel in Phytic Acid with the different concentration
 
從表2可知,隨著植酸濃度的增加,溶液電阻R1和反應極化電阻Rp均隨之增加,但R1增加的幅度不明顯,這是因為植酸本身是一種弱的電解質,因而植酸濃度的增加會導致溶液電阻的增大;而電荷傳遞反應電阻Rp隨著植酸濃度的增加而明顯增大,由此看出植酸的加入阻礙了A3鋼電極的電荷傳遞,從而抑制了A3鋼基體的腐蝕。同時,隨著植酸量的增加,A3鋼表面的雙電層電容Cd呈現出逐漸減小的趨勢,這可能是由于A3鋼基體表面與植酸生成一層絡合物膜,當植酸濃度較小時,生成的膜較薄,因而極化電阻較小,隨著植酸濃度增大,生成的膜不斷加厚,極化電阻不斷增加,因而雙電層電容Cd值降低,當濃度達到某一臨界值以后,A3鋼基體表面的絡合物膜已生長完善,其極化電阻達到****,Cd值達**小;當植酸濃度繼續增至2.00%時,由測試可知,極化電阻反而減小,雙電層電容反而增大。由此我們可以推斷,植酸濃度達到較適宜值時,有利于A3鋼基體表面保護膜的穩定。
2.3 植酸濃度的變化對A3鋼的塔費曲線的影響
根據塔菲曲線圖,我們可以求出A3鋼腐蝕過程中的自腐蝕電位、自腐蝕電流和塔菲斜率等重要參數。其中**常用的方法是反推法[7] [8]。實驗測試了不同濃度植酸時A3鋼的塔菲曲線,結果見圖3。
  圖3 不同濃度植酸中A3鋼電極的塔菲曲線
Fig3  The Tafel curves of A3 steel in Phytic Acid with the different concentration
由圖3可知,隨著植酸濃度的增加,A3鋼電極的自腐蝕電位正移,自腐蝕電流密度逐漸降低;陽極極化度Pa和陰極極化度Pc測試結果見表3。
  表3 不同濃度植酸中A3鋼的腐蝕參數
Tab 3    The corrosion parameter of A3 steel in Phytic Acid with the different concentration
根據表3可知:隨著植酸濃度的增加,陽極極化度Pa增加,陰極極化度Pc沒有表現出明顯變化規律;由此我們可以判斷,植酸對A3鋼具有良好的緩蝕作用,它增加了陽極極化,是一種典型的陽極型緩蝕劑。
2.4 SEM測試
將A3鋼置于不含植酸的NaCl溶液和含0.75%植酸的NaCl溶液中,分別進行線性伏安掃描,掃描從開路電位開始,終止電位為0.4V,掃描速率為0.5mv/s,實驗溫度為30℃。實驗結束后,對A3鋼表面進行SEM測試,結果見圖5,其中(a)圖為不含植酸的NaCl溶液中A3鋼表面腐蝕狀況,(b)圖為含0.75%植酸的A3鋼表面腐蝕狀況。
從圖5可以看出,在不加植酸的NaCl溶液中,A3鋼發生了明顯的腐蝕,而在植酸含量為0.75%的NaCl溶液體系中,A3鋼的腐蝕顯著減弱。說明在3.50%的NaCl溶液中,植酸對A3鋼的腐蝕具有顯著的抑制作用。
 
3.結論
(1)    在3.50%NaCl溶液中,隨著植酸濃度的增加,對A3鋼表面的覆蓋度也隨之增加,腐蝕電流降低,植酸對A3鋼具有緩蝕作用。
(2) 通過交流阻抗圖發現,隨著植酸濃度的增加, A3鋼電極的電荷傳遞電阻明顯增大,表明植酸抑制了A3鋼的腐蝕。
(3) 通過塔菲曲線發現,隨著植酸濃度的增加,A3鋼的自腐蝕電流下降,自腐蝕電位升高,陽極極化度增大,從而表明植酸是一種陽極型緩蝕劑。
 
.參考文獻:
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[3] 趙地順 劉會茹  徐智策  龐登甲  王春芳  植酸鹽緩蝕劑及其機理研究[J].高等化學學報 2005,2(2):334~336
[4] 辜敏∗   李強   鮮曉紅  卿勝蘭   劉克萬 PEG-Cl作用下的銅電結晶過程研究[J].化學學報 2007,10(65):881~886
[5] 周瓊花, 曾愛香, 朱志平, 楊道武, 彭木林 吐溫- 80 對碳鋼在硫酸溶液中的緩蝕作用研究[J].長沙理工大學學報( 自然科學版)2005,2(3):89~91
[6] 查全性等 著 電極過程動力學導論[M].北京:科學出版社,2002:226
[7] 劉秀晨 安成強等 主編 金屬腐蝕學[M].北京:國防工業出版社,2002:71~72
[8] A.Y. El-Etre, Inhibition of acid corrosion of carbon steel using aqueous extract
of olive leaves,[J]Journal of Colloid and Interface Science 314 (2007) 578~583

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