盐酸介质中组氨酸与抗坏血酸复配对铜的缓蚀作用

郑红艾,沈莉莉

(上海电力学院能源与环境工程学院,上海 20009)

铜及其合金由于具备优良的导热性,已被广泛应用于加热及冷却系统中.此外,铜在酸性含氧介质中的腐蚀现象也日益受到关注.苯并三氮唑(BTA)是铜及其合金的特效缓蚀剂,其最佳作用范围是在中性和碱性环境中,而在酸性介质中其缓蚀效果会急剧下降.氨基酸类化合物具有无毒、易降解的特点,已成为缓蚀剂研究中逐步受到关注的领域［1-5］.上海电力学院氨基酸类缓蚀剂研究课题组在前期实验中,已经证实在酸性介质中碱酸性氨基酸对铜的缓蚀效果较好.本实验选用原材料来源丰富、成本低的碱性组氨酸为研究对象,采用电化学极化曲线、电化学阻抗谱等研究方法继续考察组氨酸及其与抗坏血酸复配在酸性介质中的缓蚀作用规律,并探讨其作用机理.

1 实验部分

1.1 实验药品

实验所用的药品均为 AR,所选用的组氨酸和抗坏血酸结构式如下:

(1)组氨酸结构式 其结构形式为:

(2)抗坏血酸结构式 其结构形式为:

1.2 实验仪器及方法

本实验采用仪器为 CHI660C电化学工作站.交流阻抗的测试频率在 0.05～100 kHz,激励信号峰值为 5mV.极化曲线法扫描的初终电位分别为 -0.4 V和 0.2 V,扫描速率为 2mV/s.电化学实验采用三电极体系,工作电极为纯铜材质电极,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极.铜电极用环氧树脂密封制成,电极表面积为 0.4 cm2(8mm×5mm),测量前用金相砂纸逐级打磨抛光,使金属表面呈现出均匀的金属光泽,然后用脱脂棉蘸无水酒精、丙酮除油,最后用去离子水冲洗干净后放入电解池中.交流阻抗和极化曲线的测量均是在铜电极浸入含各种浓度缓蚀剂的模拟盐酸溶液中 1 h后进行的.

2 结果与讨论

2.1 极化曲线实验

为了考察组氨酸浓度对铜电极缓蚀效果的影响,在本次实验中先将铜电极分别浸泡在 10-5～10-3mol/L组氨酸溶液中 1 h,通过极化曲线实验考察组氨酸浓度对铜电极的影响规律,如图 1所示.实验中,空白表示温度为 20℃时 0.25mol/L的 HCl溶液.

图1 铜电极在各浓度组氨酸溶液中浸泡 1 h的极化曲线

由图 1可知,铜电极在浓度为 0～10-3mol/L的组氨酸的 HCl溶液中浸泡 1 h后的自腐蚀电流分别为 5.194 e-007A/cm2,5.010 e-007A/cm2,4.874 e-007A/cm2,4.548 e-007A/cm2,4.409 e-007A/cm2,4.232 e-007A/cm2,可见各浓度组氨酸对铜电极都具有一定的缓蚀效果,且组氨酸浓度越大,缓蚀效果越显著.组氨酸对铜电极腐蚀的阴极反应有明显的抑制作用,对阳极反应作用不明显.

在复配实验中,选用缓蚀效果最好的组氨酸(其浓度为 10-3mol/L)与不同浓度的抗坏血酸进行复配.图 2为铜电极分别在 10-3mol/L组氨酸、抗坏血酸与组氨酸复配溶液中浸泡 1 h的极化曲线.

从图 2可以看出,组氨酸溶液中加入不同浓度的抗坏血酸进行复配,铜电极在 10-3mol/L组氨酸、抗坏血酸和各浓度组氨酸复配溶液中的自腐蚀电流分别为 4.232 e-007A/cm2,4.317 e-007A/cm2,3.986 e-007A/cm2,3.440 e-007A/cm2,3.040 e-007A/cm2,复配溶液缓蚀效果明显好于单独的氨基酸和抗坏血酸的缓蚀效果,且缓蚀效果随抗坏血酸浓度的增大而显著.

图2 铜电极在组氨酸及组氨酸与抗坏血酸复配溶液中浸泡 1h的极化曲线

2.2 交流阻抗实验

图3为铜电极在各浓度组氨酸溶液中浸泡 1 h的 Nyqulst曲线.图 4为铜电极在 10-3mol/L组氨酸、抗坏血酸及各浓度组氨酸复配溶液中浸泡1 h的 Nyqulst曲线的比较.

图3 铜电极在含组氨酸的 HCl溶液中浸泡 1 h的 Nyqulst曲线

图4 铜电极在 10-3 mol/L组氨酸及组氨酸与抗坏血酸复配溶液中浸泡 1 h的 Nyqulst曲线

图3和图 4中各阻抗谱线均呈一弧形,按︱Z︱=(Z′2+Z″2),可计算出该铜电极的阻抗模值 Z越大,耐蚀效果越好.而未添加组氨酸时,Nyquist图中相应的弦长最短,Z最小.随着组氨酸浓度的增大,Nyquist图中相应的弦长增大,缓蚀效果增强.在复配实验中,Z值随抗坏血酸浓度的增加而逐渐增大,铜电极的耐蚀性也逐渐提高.

由于组氨酸的侧链有一个咪唑环,含有较多的亲水性的极性基 -NH2,这种极性基团的中心原子 N含有独对电子,它与金属的电子空轨道进行配位结合,与金属铜表面有一定吸附作用,容易在金属表面形成膜,使得酸性腐蚀介质与金属铜表面隔开,起到保护金属的作用.同时,抗坏血酸是一种除氧剂,能和金属发生钝化反应,可在金属表面形成薄的致密的保护性氧化物层,抑制金属腐蚀.组氨酸和抗坏血酸复配的缓蚀效果均好于两种物质单独使用时的缓蚀效果.

3 结 论

(1)组氨酸和抗坏血酸单独使用对铜电极均有一定的缓蚀效应,缓蚀效果随其浓度的增加逐渐增强;

(2)各种浓度的组氨酸及其与抗坏血酸复配溶液对铜电极腐蚀的阴极反应都有抑制作用;

(3)各浓度复配溶液的缓蚀效果比单独的组氨酸缓蚀效果好,且随着复配溶液浓度增加,缓蚀效果增强.

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