餐饮废油衍生物抑制剂的抗微生物腐蚀研究

郭容婷， 刘 峥， 王 胜， 陈则胜， 吕奕菊

(桂林理工大学化学与生物工程学院 电磁化学功能物质广西区重点实验室， 广西 桂林 541004)

0 前 言

由于硫酸盐还原菌导致的微生物腐蚀广泛存在于石油领域和海洋领域，微生物腐蚀会造成金属材料的孔蚀，严重威胁工业生产安全，并给工业生产带来巨大经济损失，是不容忽视的腐蚀元凶[1-3]。 在腐蚀体系中添加缓蚀剂是较为简便高效的防护措施。

苯并咪唑化合物是一类含有氮原子的五元杂环化合物。 由于分子中的N 原子含有孤对电子，且分子结构中存在p-π 共轭效应，使得苯并咪唑分子能牢固地吸附在金属表面形成一层吸附膜，从而减缓金属腐蚀。研究报道表明，苯并咪唑化合物在酸腐蚀以及CO2腐蚀中，有着优异的缓蚀性能[4-6]；同时，苯并咪唑化合物还有着优异的生物活性[7，8]，能有效抑制微生物的生长。 因此，苯并咪唑化合物在作为微生物腐蚀抑制剂方面有着巨大潜力。

本工作利用餐饮废油制备了苯并咪唑餐饮废油抗微生物腐蚀抑制剂，将餐饮废油所含的丰富长碳链脂肪酸与胺基进行酰胺化环化反应得到苯并咪唑衍生物，此反应相当于将疏水性长碳链引入苯并咪唑分子中，所制备的苯并咪唑餐饮废油衍生物在具有苯并咪唑分子优异的抑菌性能和缓蚀性能的同时，增强了苯并咪唑分子在金属表面的疏水性，减少了微生物在金属表面的附着。 利用失重法、电化学测试技术、扫描电镜探究了抑制剂在模拟海水中对碳钢的抗微生物腐蚀性能，使用分子动力学模拟方法模拟研究了苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂在Fe 表面的吸附构型及性能参数。

1 试 验

1.1 苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的制备

首先对餐饮废油进行过滤处理，除去废油中的不溶性杂质。 然后往废油中加入5%～10%(质量分数)的活性白土并搅拌均匀，对废油进行脱色处理后过滤。最后将废油加热至100 ℃以除去废油中的水分，直至油中无气泡生成。

以40 mL N-甲基吡咯烷酮作为溶剂介质，将称取的9.154 0 g 餐饮废油、4.154 0 g 3，4-二氨基甲苯加入到圆底烧瓶中充分溶合后，再加入0.665 4 g(质量分数5%)三氯化铝作为酰化反应催化剂，在150 ℃下磁力搅拌进行酰化反应3 h，然后采用阶梯式升温法，直至反应开始生成水回流，在此状态下继续反应2 h，待冷却后，经减压蒸馏除去N-甲基吡咯烷酮和水，黑色黏稠状液体则为苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂2-十七烷基-5-甲基-1H-苯并[d]咪唑。 合成过程见图1。

图1 苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的合成路线(Rn 为不同碳链长度的烷基)Fig. 1 Schematic illustration of the synthesis of benzimidazole catering waste oil derivatives inhibitors(Rn is an alkyl group with different carbon chain lengths)

1.2 溶液的配制

1.2.1 硫酸盐还原菌培养液的配制与增殖

硫酸盐还原菌培养液的配制:分别称取2.60 g postgate 培养基粉末、0.55 g 乳酸钠加入到500 mL 蒸馏水中，用玻璃棒搅拌使其充分溶解，使用氢氧化钠溶液调节溶液pH 值为7，使用锥形瓶进行分装，再置入压力蒸汽灭菌器中，121 ℃灭菌20 min，灭菌完成后冷却至室温，再放入冰箱冷藏备用。 postgate 培养基成分(g/L)如下:磷酸二氢钾0.50，氯化铵1.00，硫酸钠1.00，氯化钙0.05，六水氯化镁2.00，酵母提取物1.00，抗坏血酸0.10，巯基乙酸钠0.10，七水合硫酸亚铁0.50。

硫酸盐还原菌培养液的接种与增殖:从冰箱中取出冷藏的液体培养基，置入恒温水浴锅中加热至35℃。 在洁净工作台上，用接种环将购买的硫酸盐还原菌菌种从固体培养基上刮出，置入加热完成的液体培养基中，再使用灭菌后的液体石蜡密封，使液体培养基液面与空气隔绝。 将接种完成的锥形瓶放入恒温震荡培养箱中，在30 ℃条件下进行培养。 一段时间后，当液体培养基变黑时，则表明硫酸盐还原菌接种成功。增殖操作是在洁净工作台上，用移液枪取5 mL 菌液注入新鲜液体培养基中，再使用灭菌后的液体石蜡密封，其他步骤与接种相同。

1.2.2 腐蚀溶液的配制

腐蚀溶液是利用100 mL 人工海水和10 mL 硫酸盐还原菌液混合配制的模拟海水溶液，人工海水配方(g/L)如下[9]:NaCl 24.530，MgCl25.200，Na2SO44.090，CaCl21.160，KCl 0.695，NaHCO30.201，H3BO30.027，SrCl20.025，NaF 0.003。 以安全无毒的二甲基亚砜为溶剂，将苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂溶解分散于模拟海水中，称取不同质量的苯并咪唑餐饮废油衍生物微生物腐蚀抑制剂于2 mL 二甲基亚砜溶剂中，超声震荡使其完全溶解，再将其加入模拟海水定容至20 mL，即配制成含有100，200，300，400，500 mg/L 苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的溶液。

1.3 测试分析

1.3.1 缓蚀剂抑菌性能测试

(1)最大可能数(MPN)法测定菌液中硫酸盐还原菌数量 使用MPN 法测定菌液中硫酸盐还原菌数量，即使用移液枪取5 mL 菌液注入45 mL 灭菌生理盐水中，此时菌液稀释度为10-1；再量取5 mL 稀释度为10-1的菌液注入45 mL 灭菌生理盐水中，此时菌液稀释度为10-2，以此类推，完成菌液的7 个浓度梯度的稀释。使用移液枪取2 mL 稀释菌液置于洁净试管中，每个浓度梯度接种3 管，再注入一定量液体培养基，最后使用灭菌的液体石蜡密封，试管口塞入棉花塞，将试管架置入恒温培养箱中，在30 ℃条件下培养4 d 后取出，进行计数。

当试管中有黑色沉淀产生，则表明该试管有硫酸盐还原菌。 按照此依据，统计出每个浓度梯度的3 根平行试管中存在硫酸盐还原菌的试管数。 找出3 管全部存在硫酸盐还原菌的最大稀释梯度，再选取该稀释梯度后的2 个更高的稀释梯度，利用此3 个稀释梯度作为指标，算出组合指数，最后查阅标准表即可得出菌液中硫酸盐还原菌的菌数。

(2)缓蚀剂抑菌性能测试 由于二甲基亚砜(DMSO)性质稳定，能与大多数溶剂互溶，对金属腐蚀无影响，且不会影响硫酸盐还原菌的生物活性[10]，故选用DMSO 作为溶剂，将缓蚀剂与菌液均匀混合。

首先利用MPN 法测定原菌液的硫酸盐还原菌浓度，然后在洁净锥形瓶中置入99 mL 该菌液，加入1 mL含缓蚀剂的DMSO 摇匀，注入液体石蜡密封，将锥形瓶置入恒温震荡培养箱，在30 ℃条件下培养2 h。 取出菌液，利用MPN 法测定抑菌试验后菌液中硫酸盐还原菌的浓度，利用公式(1)计算出缓蚀剂的抑菌率:

1.3.2 抑制剂的缓蚀性能测试

(1)失重法 将配制好的100，200，300，400，500 mg/L 含抑制剂溶液加入到20 mL 样品瓶中，并设置一组空白试验。 碳钢片在使用前先进行称重，记录质量后将碳钢片置于20 mL 样品瓶中，利用恒温水浴锅控制温度为35 ℃进行腐蚀试验，14 d 后取出碳钢片，对碳钢片进行清洗称重，每组试验平行测定3 次，测试完成后分别利用以下公式[11]计算平均质量损失Δm(g)、腐蚀速率(vcorr)和腐蚀抑制率(ηw，%):

(2)电化学测试 使用CHI760-E 电化学工作站进行电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化曲线的测试。 电化学交流阻抗谱(EIS)的频率设置为1.0×(105～10-2)Hz，振幅设为0.01 V，将开路电位值(EOCP)设置成初始电位值。 腐蚀抑制率(ηz)由公式(5)进行计算:

式中:Rct为碳钢片在含有不同浓度抑制剂的模拟海水中的电荷转移电阻，Ω·cm2；为空白组的电荷转移电阻，Ω·cm2。

动电位极化曲线测试的初始电位和最终电位分别设置为EOCP+300 mV、EOCP-300 mV，扫描速率设置为0.5 mV/s。 使用Tafel 外推法获得腐蚀电流密度(Jcorr)值。 腐蚀抑制率(ηp)由公式(6)进行计算:

(3)扫描电镜观察 利用Gemini300 扫描电镜(SEM)观察腐蚀前后的Q235 碳钢片的表面形貌。

1.3.3 苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的分子动力学模拟分析

利用Materials Studio 5.5 软件对苯并咪唑餐饮废油衍生物微生物腐蚀抑制剂在Fe (110)表面的吸附构型以及各项吸附性能参数进行模拟计算。 通过Material studio 中的Visualizer 模块构建Fe 基底的模型图[12]以及苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂结构，如图2所示。

图2 抑制剂以及Fe 基底的初始模型Fig. 2 Initial model diagram of inhibitor and Fe substrate

分子动力学模拟是通过Forcite 模块完成的，在进行分子动力学模拟前对所建的吸附模型进行优化，并在模拟前选择Compass 力场，选择等温等压的NVT 正则系综，温度设置为298 K(25 ℃)，Electrostatic 和van der Waals 均选择Atom Based。 为保证一定的计算精度，时间步长选择1 fs，每100 步输出一帧，总的动力学模拟时间为50 ps，共50 000 步。

2 结果与讨论

2.1 抑菌性能

表1 为不同浓度的苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂对硫酸盐还原菌的抑制性能参数。 由表1 可以看出，苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂在低浓度添加量下就显示出抑菌性能，且缓蚀剂的抑菌性能随着缓蚀剂浓度的增加而逐渐增加，当缓蚀剂浓度为500 mg/L时，对硫酸盐还原菌的抑制率可达98.0%，表明苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂有着良好的抑菌性能。

表1 不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂的抑菌性能参数Table 1 Bacteriostatic performance parameters of different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivatives inhibitors

2.2 缓蚀性能

2.2.1 失重法

苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加显著提高了Q235 碳钢试片在模拟海水中的抗微生物腐蚀性能，随着抑制剂添加浓度的增加，Q235 碳钢试片的腐蚀速率在逐渐减小，腐蚀抑制率逐渐增大，当抑制剂添加浓度达到500 mg/L 时，腐蚀抑制率达到了91.95%，如表2 所示。 这是由于苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂的苯环上丰富的π 电子以及咪唑杂环上N 的孤对电子提供了许多吸附位点使得抑制剂分子在Q235 碳钢试片表面形成了防护膜，从而有效阻止了模拟海水对Q235碳钢试片的腐蚀。

表2 在35 ℃下，碳钢试片在不存在和存在不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中浸泡14 d 的腐蚀参数Table 2 Corrosion parameters of carbon steel test pieces immersed in simulated seawater solution in the absence and presence of different concentrations of benzimidazole wastecatering oil derivative inhibitor for 14 days at 35 ℃

2.2.2 电化学性能测试

(1)开路电位 开路电位作为腐蚀体系的热力学性质，表明金属对溶解在腐蚀介质中的缓蚀剂的敏感性。 在存在缓蚀剂的情况下，开路电位的正向位移表示缓蚀剂的吸附降低了金属表面在腐蚀介质中的腐蚀趋势[4]。 苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加使得腐蚀体系的开路电位正移，如图3 所示，这表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加减缓了Q235 在模拟海水中的腐蚀，且随着抑制剂添加浓度的不断增大，开路电位正移的程度也随之增大，这可以归因于抑制剂在Q235 碳钢试片表面吸附膜的增厚给Q235 碳钢片提供了更大的防护作用。

图3 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的开路电位Fig. 3 Open circuit potential diagrams of carbon steel test pieces in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivative inhibitors

(2)电化学交流阻抗谱 在有无苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的情况下，Nyquist 谱的形状没有明显变化，都呈现出单一分离的扁平容抗弧，如图4a 所示。这表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加不会改变Q235 碳钢片的腐蚀机理[13]。 平坦的半圆形阻抗谱表明，腐蚀行为主要受电荷转移过程的影响[14]。 在添加了苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的情况下，圆弧的直径明显大于空白组的，这表明添加苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂可以有效抑制Q235 碳钢片在模拟海水中的腐蚀。 此外，随着抑制剂浓度的增加，直径进一步增加，表明腐蚀抑制效率随着抑制剂添加浓度的增加而提高。

另外，如图4b 所示，尖锐的单峰相角曲线表明体系受界面/电极反应所导致的电荷转移电阻所控制；最低频率下的阻抗模量随苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂浓度的增加而增加，lg ｜Z｜和lgf之间观察到极好的线性关系，斜率接近-1，显示出典型的电容行为，这表明缓蚀剂分子在Q235 碳钢上形成了吸附层，且吸附层的厚度随着抑制剂添加浓度的增加而增厚，有效地抑制了模拟海水对Q235 碳钢的腐蚀。

图4 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的Nyquist 和Bode 谱Fig. 4 Energyquist plots of carbon steel test pieces in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivatives inhibitor

为了更好地研究抑制剂的腐蚀抑制行为，利用Zview 软件对电化学交流阻抗数据进行拟合。 图5 为碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的等效电路，图中Rs为模拟海水的溶液电阻，Rct为电荷转移电阻，CPE为恒相元件，用来代替EIS 测试中的双层电容(Cdl)，使得拟合的电化学数据更加贴近实际腐蚀环境[15]。 拟合的电化学数据列于表3。 如表3 所示，随着抑制剂添加浓度的增加，Rct的值显著增加，腐蚀抑制率随之增加。 在500 mg/L 的抑制剂添加浓度下腐蚀抑制率可达83.76%。 此外，CPE比例参数Y0的值也显着降低，这可能是由于局部介电常数的降低和双电层电容器厚度的增加。 一方面，由于抑制剂分子的介电常数小于H2O的介电常数，抑制剂分子吸附可以有效降低局部介电常数值。 另一方面，抑制剂分子的体积明显大于H2O分子的体积。 因此，抑制剂在Q235 碳钢/溶液界面上的吸附导致双电层电容器厚度的增加。 根据以上分析，苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂在金属表面的吸附程度随添加浓度的增加而增加，并通过在金属/溶液界面的吸附作用形成保护膜，从而阻碍了电荷转移过程的发生，进一步提高了Q235 碳钢在模拟海水中的耐腐蚀性能。

图5 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的等效电路Fig. 5 Equivalent circuit diagrams of carbon steel test pieces in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivatives inhibitor

表3 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的EIS 参数Table 3 EIS parameters of carbon steel test pieces in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivative inhibitors

(3)动电位极化曲线 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的动电位极化曲线见图6，拟合参数见表4。 随着抑制剂添加浓度的增加，腐蚀电流密度降低，腐蚀抑制效率显着提高，证明了添加苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂有效抑制了Q235 碳钢在模拟海水中的腐蚀反应；抑制剂的添加使得腐蚀电位正移，这表明苯并咪唑餐饮废油衍生物为抑制阳极型抑制剂；同时βa和βc的变化不大，表明添加苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂不会改变Q235 碳钢的腐蚀机理[16]。 这与前面的试验结果一致。

表4 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的极化曲线拟合参数Table 4 Polarization curve parameters of carbon steel test pieces in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivative inhibitors

图6 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的动电位极化曲线Fig. 6 Potentiodynamic polarization curves of carbon steel specimens in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivative inhibitors

2.2.3 腐蚀形貌

图7 为碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的SEM 形貌。

图7 碳钢试片在不添加和添加不同浓度苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的模拟海水溶液中的SEM 形貌Fig. 7 Scanning electron microscope images of carbon steel test pieces in simulated seawater solution without and with different concentrations of benzimidazole catering waste oil derivatives inhibitors

如图7 所示， 在没有苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂添加下，碳钢片遭受了严重的腐蚀， 且全面腐蚀与局部孔蚀同时发生。 孔蚀的主要原因是硫酸盐还原菌的附着以及模拟海水中氯离子的存在。 随着苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加，碳钢片的腐蚀情况逐渐减轻，当抑制剂的添加浓度达到500 mg/L 时，碳钢片表面几乎无腐蚀情况发生，这表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂具有优异的腐蚀抑制性能，可以很好地阻止碳钢片在模拟海水中的腐蚀。

2.3 分子动力学模拟分析

为了更好了解苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂的缓蚀机理，对苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂在Fe(110)表面的吸附行为进行了分子动力学模拟分析。

2.3.1 体系的平衡

分子动力学模拟过程中体系的各个能量变化可作为体系达到平衡状态的依据。 体系的势能、动能、非键作用能和总能量随时间变化呈现周期性变化趋势，这表明分子动力学模拟体系已达到平衡状态，如图8 所示。

图8 苯并咪唑餐饮废油衍生物分子在Fe (110)表面吸附的能量曲线Fig. 8 Energy curve of adsorption of benzimidazole catering waste oil derivatives inhibitors on Fe (110) surface

2.3.2 分子动力学模拟结果

抑制剂分子在Fe (110)表面呈现水平吸附构型，分子中的活性位点与Fe 形成吸附使得分子能够牢牢地水平吸附在Fe (110)表面，如图9 所示，此种吸附构型更利于抑制剂分子在金属表面形成牢固的吸附保护层[17，18]。 通常情况下，金属基材上吸附层的强度取决于所研究的分子与金属表面之间形成的键的性质，径向分布函数(RDF)的模拟结果可用于检测化学、物理或两者兼并的成键类型[19，20]。 苯并咪唑环中的苯环骨架、C＝N 以及C-N 中的氮原子与Fe (110)之间的RDF函数值都在0.10～0.35 nm 的范围之内，如图10 所示。这表明抑制剂分子与Fe (110)表面形成的是化学吸附，化学吸附的键型表明抑制剂分子在金属表面的吸附层紧密牢靠，理论上可体现出抑制剂分子优异的缓蚀性能。相互作用能Einteraction和结合能Ebinding可分别用来描述缓蚀剂分子与Fe (110)表面的相互作用与吸附能力，Einteraction和Ebinding分别通过以下公式计算得到[21，22]:

图9 苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂在Fe (110)表面的吸附构型图Fig. 9 Adsorption configuration diagram of benzimidazole waste catering oil derivative inhibitor on Fe (110) surface

图10 抑制剂分子各个基团与Fe (110)表面的RDF 函数图Fig. 10 RDF function diagram of each group of inhibitor molecule and Fe (110) surface

苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂分子在Fe (110)上的相互作用能Einteraction为-698.364 kJ/mol，为较高的负值。 这表明该分子的原子与金属表面的铁原子之间的相互作用较强烈[23]，结合能Ebinding为698. 364 kJ/mol，较高的正值说明抑制剂分子与金属表面的铁原子之间的吸附能力较强。 综上所述，通过对能量参数的分析可以证明苯并咪唑餐饮废油衍生物缓蚀剂分子可以很好地吸附在Fe 表面形成一层防护膜，从而有效减缓腐蚀介质对Fe 的腐蚀作用。

3 结 论

(1)失重法试验结果表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加，能有效减缓Q235 碳钢片在模拟海水中的腐蚀，当抑制剂添加量为500 mg/L 时，腐蚀抑制率可达91.95%。

(2)电化学测试结果表明随着苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加，开路电位正移，腐蚀电流减小，电荷转移电阻增大，这表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加有效抑制了碳钢片在模拟海水溶液中的腐蚀，同时电化学测试表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加不会改变Q235 碳钢片的腐蚀机理，且腐蚀行为主要受电荷转移过程的影响。

(3)扫描电镜测试表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂的添加有效抑制了碳钢片在模拟海水溶液中发生的全面腐蚀和微生物孔蚀。

(4)分子动力学模拟结果表明苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂分子在Fe (110)表面为水平吸附构型；RDF 函数计算结果表明抑制剂分子与Fe (110)表面的Fe 原子形成的是化学吸附；能量计算结果表明抑制剂分子能较好地吸附在Fe (110)表面形成一层防护膜。模拟计算结果从理论上佐证了苯并咪唑餐饮废油衍生物抑制剂具有优异的抗微生物腐蚀性能。