天然植物提取物在腐蚀环境下对金属缓蚀研究

摘要

钢与许多金属材料相比，具有良好的力学性能和成本低廉等优点，在许多行业中都有广泛应用。无机酸性水溶液(如硫酸和盐酸)在工业过程中起到非常重要的作用，如采用酸性溶液进行钢铁酸洗、化学清洗、加工、矿石生产和油井酸化等。然而，钢在酸性介质中极易受到腐蚀。某些有机分子能够有效抑制钢腐蚀。但是通常有机缓蚀剂难以实现对环境友好，且价格昂贵。因此，研究新型绿色无毒或低毒性的价格低廉有机缓蚀剂是解决这一问题的关键。从天然植物中提取的有效成分作为候选有机缓蚀剂是一种有效的策略。　　本论文利用索氏提取器采用加热回流法分别提取了皂角、无患子果皮和荷叶中的有效成分作为Q235钢在1M HCl溶液中的绿色缓蚀剂。主要研究工作如下：　　①在温度为25℃的条件下，皂角提取物在乙醇/H2O(v/v,50/50)混合溶液中能够发生自组装，产生有序的聚集体。利用扫描电镜、透射电镜和动态光散射等手段，表征了聚集体的形状和尺寸。傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱证实所制备的皂角提取物聚集体在碳钢样品表面表现出化学吸附作用。利用扫描电镜和原子力测试对钢表面进行了形貌观察。经电化学方法测定，所形成的稳定皂角提取物聚集体在1.0mol/L HCl溶液中具有抗腐蚀性能。根据动电位极化曲线的结果得到皂角提取物属于混合型缓蚀剂。通过Langmuir吸附等温模型得到的皂角提取物的△G0ads值，表明皂角提取物与钢表面之间的相互作用为混合吸附。为深入了解皂角提取物与铁的相互作用，对皂角提取物的主要化学成分的前线轨道性质进行了分子模拟，从理论上解释了缓蚀机理。　　②采用扫描电子显微镜(SEM)和动态光散射(DLS)来表征无患子果皮提取物聚集体的形态和大小。通过傅立叶变换红外光谱和X射线光电子能谱获(XPS)进一步研究无患子果皮提取物聚集体在钢片表面的吸附机理。通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱研究了无患子果皮提取物聚集体对钢的缓蚀效果，并用扫描电镜和原子力测试(AFM)对钢表面进行了形貌观察。无患子果皮提取物与钢表面之间的吸附作用符合Langmuir吸附等温模型，通过计算得到属于混合吸附。结果表明无患子果皮提取物聚集体可以有效地吸附于钢试样表面，且在1.0mol/L HCl溶液中对钢具有良好的缓蚀效果。　　③在温度为25℃的条件下，荷叶提取物在THF/盐酸水溶液(v/v，50/50)混合溶液中能够发生自组装产生有序的聚集体。利用扫描电镜、透射电镜和动态光散射等手段，表征了聚集体的形状和尺寸。通过傅立叶变换红外光谱和X射线光电子能谱的结果得到荷叶提取物聚集体在所研究的碳钢样品表面存在化学吸附作用。利用扫描电镜和原子力测试直观的观察了荷叶提取物聚集体的缓蚀效果。通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱测定荷叶提取物聚集体的缓蚀效率，结果表明所形成的荷叶提取物聚集体对钢在HCl溶液中具有良好的缓蚀性能。荷叶提取物与钢表面之间的吸附符合Langmuir吸附等温模型，并且属于混合吸附。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2.1 缓蚀剂的定义

1.2.2 缓蚀剂的分类

1.3.1 国内植物提取物缓蚀剂研究进展

1.3.2 国外植物提取物缓蚀剂研究进展

1.4 植物提取物的制备方法

1.4.1 加热回流法

1.4.2 超声波提取法

1.4.3 微波提取法

1.4.4 酶转化提取法

1.5.1 皂角的概述

1.5.2 无患子的概述

1.5.3 荷叶的概述

1.6.1 交流阻抗法(EIS)

1.6.2 Tafel 曲线外推法

1.6.3 失重法

1.6.4 表面分析技术

1.6.5 量子化学计算

1.7.1 选题意义

1.7.2 研究内容

2 实验部分

2.1 实验试剂与材料

2.2.1 有机纳米聚集体的制备方法

2.2.2 有机纳米聚集体表面形态及尺寸大小的表征

2.3 缓蚀实验

2.3.1 电化学实验

2.3.2 表面分析

2.4 量子化学计算

3 皂角提取物聚集体缓蚀剂的研究

3.1 引言

3.2 皂角提取物制备

3.3 皂角提取物聚集体的形成

3.3.1 缓蚀剂 GSLE 和皂角苷 (Saponin) 聚集体在混合溶液中的形成

3.4皂角提取物聚集体的缓蚀性能分析

3.4.1 傅立叶变换红外(FT-IR)、全反射红外(ATR-IR)和拉曼光谱分析

3.4.2 X射线能级谱图分析(XPS) ① Fe 2p3/2的 XPS 谱图分析

3.4.3 X射线衍射分析 (XRD)

3.4.4 钢表面 SEM(扫描电子显微镜)和 AFM(原子力显微镜)分析

3.4.5 AFM (原子力显微镜) 分析

3.5 电化学测试分析

3.5.1 动电位极化曲线 (Tafel) 分析

3.5.2 交流阻抗谱(EIS)分析

3.6 等温吸附线

3.7 量子化学计算

3.8 本章小结

4 无患子果皮提取物聚集体缓蚀剂的研究

4.1 引言

4.2 无患子提取物制备

4.3.1 缓蚀剂 SMGPE聚集体在混合溶液中的形成

4.4 无患子果皮提取物聚集体的缓蚀性能分析

4.4.1 傅立叶变换红外 (FT-IR)、全反射红外 (ATR-IR)分析

4.4.2 X射线能级谱图分析(XPS) ① Fe 2p3/2 的 XPS 谱图分析

4.4.3 钢表面 SEM(扫描电子显微镜)和 AFM(原子力显微镜)分析①钢表面SEM(扫描电子显微镜)分析

4.5 电化学测试分析

4.5.1 动电位极化曲线(Tafel)分析

4.5.2 交流阻抗谱(EIS)分析

4.6 等温吸附线

4.7 本章小结

5 荷叶提取物聚集体缓蚀剂的研究

5.1 引言

5.2 荷叶 (Nelumbo nucifera Gaertn leaves) 提取物制备

5.3 荷叶提取物聚集体的形成

5.3.1 缓蚀剂荷叶提取物聚集体在混合溶液中的形成

5.4 荷叶提取物聚集体的缓蚀性能分析

5.4.1 傅立叶变换红外 (FT-IR)、全反射红外 (ATR-IR)

5.4.2 X射线能级谱图分析(XPS) ① Fe 2p3/2的 XPS 谱图分析

5.4.3 钢表面 SEM (扫描电子显微镜) 和 AFM (原子力显微镜)分析 ①钢表面 SEM (扫描电子显微镜)分析

5.5 电化学测试分析

5.5.1 动电位极化曲线(Tafel)分析

5.5.2 交流阻抗谱 (EIS) 分析

5.6 等温吸附线

5.7 本章小结

6 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C学位论文数据集

致谢