两种新合成的喹啉类缓蚀剂在酸性介质中对碳钢和纯铜的缓蚀性能研究

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近年来,喹啉类衍生物因具有五元含氮杂环结构和低毒性,在缓蚀剂领域受到广泛关注。但是从报道的文献看,现今合成的喹啉类衍生物的缓蚀效率依旧不高,同时毒性的研究十分缺乏,寻求高效低毒型喹啉类缓蚀剂依旧是现今的研究热点。本文以喹啉和苄氯为原料,合成了两种喹啉类衍生物:5-苯并喹啉(BQ)和6-(喹啉-5-亚甲基)苯-1,2,3,4,5-磺酸(QBPA),并对其进行了核磁和红外光谱表征。通过毒性预测软件T.E.S.T对近年来发表的几种典型缓蚀剂和本文合成的缓蚀剂进行了毒性预测。通过失重和电化学实验研究了BQ和QBPA在1 M HCl中对碳钢和在0.5 M H2SO4中对纯铜的缓蚀作用,结合量子化学计算和分子动力学模拟方法对缓蚀剂的缓蚀机理进行了研究。主要研究结果如下:(1)利用T.E.S.T软件对苯并噻唑类、苯并咪唑类、吡啶类、希夫碱类、含硫杂环化合物、BQ和QBPA等十一(类)种缓蚀剂的健康毒性(Ames致畸变性、发育毒性、小鼠经口LD50)和生态毒性(大型蚤LC50、96h黑头呆鱼LC50)进行预测,发现只有BQ和QBPA既无健康毒性同时生态毒性很低,是环境友好型缓蚀剂。(2)BQ和QBPA对碳钢在1 M HCl中的腐蚀具有优异的缓蚀效果,且随缓蚀剂浓度增加而增强,在1 mM浓度下达到缓蚀效率:96.54%(BQ)和98.03%(QBPA)。BQ和QBPA在碳钢上的吸附符合Langmuir吸附模型,均是物理化学混合吸附,且QBPA更倾向于化学吸附。电化学测试表明BQ和QBPA均是阴阳极混合型缓蚀剂。(3)BQ和QBPA对纯铜在0.5 M H2SO4中的腐蚀具有优异的缓蚀效果,在1 mM浓度下达到缓蚀效率:96.7%(BQ)和98.3%(QBPA)。极化曲线测试表明两种缓蚀剂均是阴极型缓蚀剂,明显阻碍了氧气从溶液本体向金属表面的传递;阻抗谱测试表明BQ和QBPA的加入没有显著改变纯铜的腐蚀机制,主要是通过占据金属表面的活性位点达到缓蚀作用。在缓蚀剂浓度较高时Warburg阻抗消失,说明在阴极反应中氧气的传质过程不再是主要影响因素。BQ和QBPA在纯铜上的吸附符合Langmuir吸附模型,且均以化学吸附为主。(4)研究发现,对1 M HCl中碳钢和0.5 M H2SO4中纯铜的缓蚀效果QBPA均优于BQ。量子化学计算发现BQ的HOMO和LUMO轨道集中在喹啉环上,而QBPA的HOMO轨道在喹啉环和相邻的亚甲基上,LUMO轨道在磺酸基及与之相连的苯环上,因此QBPA比BQ有更多的吸附位点,缓蚀效果强于BQ。
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