Исследование эффективности разработанных ингибиторов электрохимическими и гравиметрическим методами

Ингибирование поверхности металла на катодных и анодных участках подразумевает существование определенной разности потенциалов между ними и, следовательно, протекание электрического тока. Этот ток, называемый коррозионным, эквивалентен количеству прокорродировавшего металла. В процессе коррозии потенциалы катодных и анодных участков не остаются постоянными, наблюдается поляризация, следствием которой является сближение потенциалов катода и анода и уменьшение коррозионного тока. Исследование антикоррозионных свойств ингибиторов заключается в экспериментальном изучении поляризационного сопротивления стального электрода или зонда в растворе фона и в присутствии различных ингибиторов. Все экспериментальные данные получены с использованием в качестве фона 3% ного раствора Na₂SO₄. На рис.1 (а, б), в качестве примера, приведены результаты измерений поляризационного сопротивления стального зонда в слабокислых средах, а также в присутствии ингибиторов: растворов полифосфата натрия, пирофосфата кальция, полиэлектролитов, а также двухкомпонентных ингибиторов полифосфат-унифлок, полифосфат-NaКМЦ, пирофосфат-NaКМЦ, пирофосфат-желатин. Из рис.1 видно, что введение в фоновый раствор индивидуальных ингибиторов увеличивает поляризационное сопротивление, а при введении двухкомпонентных смешанных ингибиторов наблюдается еще большее увеличение поляризационного сопротивления стального зонда. Такой результат указывает на резкое торможение электрохимического процесса и позволяет получить предварительные результаты об эффективности тех или иных ингибиторов.

А Б

Рис. 1. Кривые поляризационного сопротивления стального электрода. В фоновом растворе (1); в присутствии 0,001% растворов ингибиторов: (NaPO₃) _n- NaКМЦ (2); (NaPO₃) _n- желатин (3); (NaPO₃) _n - унифлок (4) (а) и Са₂Р₂О₇ - желатин (2); Са₂Р₂О₇ - NaКМЦ (3); Са₂Р₂О_{7 (}4); NaКМЦ (5); Желатин (6) (б).

На рис.2 (а, б) приведены результаты исследования кинетики электродных процессов и поляризационных измерений процесса коррозии стального электрода при различных температурах, а также в присутствии двухкомпонентных ингибиторов полифосфат натрия-унифлок и полифосфат натрия-желатин, из которого видно, что величина стационарного потенциала коррозии Е_ст. постоянна относительно нормального хлорсеребряного электрода в фоновом растворе и составляет - 0,670 В при температуре 20 ⁰С. При добавлении к нему желатина значение потенциала коррозии увеличивается до - 0,490 В, наблюдается смещение поляризационных кривых на 180 мВ (рис.2 а), а при добавления унифлока на 190 мВ (рис.2 б) в сторону более положительных значений, характеризуя преимущественно торможение скорости анодной реакции. Одновременно с изменением потенциала коррозии наблюдается уменьшение тока коррозии, что указывает на смешанный механизм действия ингибитора.

Результаты расчетов значений стационарного потенциала (Е_ст) и тока коррозии ( ), коэффициента торможения (g), степени защиты (Z) и относительного стандартного отклонения при различных температурах приведены в таблице 1. Как видно из таблицы, растворы ингибиторов (NaPO₃) _n- унифлок при эквимолярном соотношении компонентов, при всех изученных температурах эффективны и принимают значения степени защиты от 91,40 до 95,16%. Присутствие смешанного ингибитора (NaPO₃) _n- NaКМЦ оказывает значительно меньшее действие на процесс электрохимической коррозии. Так, если при 20⁰С степень защиты данного смешанного ингибитора равна 76,80%, то с повышением температуры защитный эффект незначительно изменяется и при достижении 80⁰С снижается до 68,93% (табл.1).

Отметим, что само по себе повышение величины скорости коррозии с ростом температуры не может служить доказательством того, что в ходе эксперимента увеличивалась доля активной поверхности металла. Достаточно высокие скорости коррозии могут наблюдаться в некоторых случаях и из пассивного состояния. Между тем, информация о состоянии поверхности стали в ходе коррозионных испытаний очень важна, так как

а

б

Рис. 2. Поляризационные кривые стального электрода. В фоновом растворе (1 и 1`); в присутствии 0,001% растворов смесей (NaPO<sub>3</sub>) <sub>n</sub>-желатин (а) и (NaPO<sub>3</sub>) <sub>n</sub>-унифлок (б) при эквимолярном соотношении компонентов (2 и 2`). (кривые 1 и 2 при 20⁰С, кривые 1` и 2` при 80⁰С).

Пассиваторы эффективны только в случае низких скоростей коррозии из пассивного состояния. Однозначно судить о состоянии поверхности образцов можно по величине электродного потенциала. В связи с этим параллельно коррозионным были проведены хронопотенциометрические измерения. Измерения потенциала электрода во времени в фоновом растворе (рН=5,00) в зависимости от температурных условий и добавок ионов Ca²⁺, Na⁺, Zn²⁺, PO , P₂O , COO^-, NH и Cl показали, что без каких-либо внешних воздействий со временем потенциал стали имеет тенденцию к облагораживанию. Таким образом, имеется выраженная тенденция к переходу стали в пассивное состояние, но для теории и практики эксплуатации оборудования из Ст.3 в слабокислых растворах необходимо выяснить насколько такое состояние устойчиво. Согласно экспериментальным данным наибольшим облагораживающим действием, среди индивидуальных ингибиторов на коррозионный потенциал стали при 20 ⁰С, в первые 5 минут испытаний обладает полифосфат натрия. Добавка NaКМЦ слабо активирует поверхность сплава, а композиция, состоящая из полифосфата и желатина или унифлока, слабо пассивирует ее. С изменением температуры агрессивной среды до 80 ⁰С качественная картина влияния добавок ингибиторов на значения коррозионного потенциала в начальный момент времени не меняется. Отметим весьма слабую зависимость потенциала электрода от времени при различных температурах в течение 0,5 часов испытаний в присутствии ингибиторов. Таким образом, наилучшими ингибирующими свойствами обладает композиция, состоящая из (NaPO₃) _n и унифлока, а композиции (NaPO₃) _n -NaКМЦ несколько менее предпочтительны. Действие анодных

Таблица 1.

Ингибитор	t, 0С	-Ест, В	c, мА	g	Z,%	Sr*10-2
Фон		0,670	405,28	-	-	-
(NaPO3) n	0,510	93,98	4,31	76,81	0,018
(NaPO3) n-NaКМЦ	0,540	94,02	4,31	76,80	0,013
(NаPO3) n-желатин	0,490	24,39	16,61	93,98	0,013
(NаPO3) n-унифлок	0,480	19,61	20,67	95,16	0,126
(NаPO3) n-ZnCl2	0,580	85,92	4,72	78,80	0,085
Фон		0,710	412,36	-	-	-
(NaPO3) n	0,540	105,81	3,90	74,34	0,051
(NaPO3) n-NaКМЦ	0,560	88,99	4,63	78,42	0,135
(NаPO3) n-желатин	0,560	36,82	11, 20	91,07	0,035
(NаPO3) n-унифлок	0,540	21,89	18,83	94,69	0,092
Фон		0,745	426,13	-	-	-
(NaPO3) n	0,590	126,05	3,38	70,42	0,092
(NaPO3) n-NaКМЦ	0,590	70,35	6,06	83,49	0,006
(NaPO3) n-желатин	0,600	44,87	9,50	89,47	0,162
NаPO3) n-унифлок	0,610	24,88	17,13	94,16	0, 203
Фон		0,780	448,07	-	-	-
(NaPO3) n	0,605	159,38	2,81	64,43	0,264
(NaPO3) n-NaКМЦ	0,630	139,22	3,22	68,93	0,038
(NaPO3) n-желатин	0,580	39,07	11,47	91,28	0,219
NаPO3) n-унифлок	0,580	39,56	11,31	91,40	0,162
(NаPO3) n-ZnCl2	0,725	75,95	5,90	83,05	0,183

Результаты электрохимического определения степени защитного действия (NaPO₃) _n и его смесей с полиэлектролитами или хлористым цинком (С_инг. =0,001%) в фоновом растворе (рН=5,00) при различных температурах ингибиторов основано на пассивации анодных участков корродирующей поверхности металла. Легко восстанавливаясь на катодных поверхностях, они ведут себя как деполяризаторы, резко снижая скорость анодного перехода в раствор ионов корродирующего металла. К анодным замедлителям относятся и некоторые соединения, не обладающие окислительными свойствами: фосфаты и полифосфаты. Их ингибирующее действие проявляется только при наличии растворенного кислорода, который и играет роль пассиватора. Такие вещества лишь способствуют адсорбции кислорода на поверхности металла. Кроме того, они тормозят анодный процесс растворения из-за образования защитных слоев, представляющих собой труднорастворимые продукты взаимодействия ингибитора с ионами переходящего в раствор металла. Так, например, фосфаты, адсорбируясь на поверхности стали, образуют с ионами железа экранирующие слои, состоящие из Fe₂O₃ и FePO₄. Полифосфаты в разбавленных растворах в нейтральной среде при обычных температурах имеют линейную структуру со степенью полимеризации от 3 до 200, т.е. они являются олигомерами с молекулярной массой около 8000-9000. По-видимому, именно поэтому они наиболее активны в этих условиях. А с повышением температуры или с изменением рН среды линейная структура полифосфатов переходит в

Таблица 2

Результаты гравиметрического определения степени защиты пирофосфатом кальция и его смесей с полиэлектролитами (С_инг. =0,001%) в фоновом растворе (рН=5,00) при различных температурах сетчатую или образовываются кольцевые метафосфаты, которые при дальнейшем увеличении температуры переходят в ортофосфаты. Такими изменениями структуры полифосфатов можно объяснить снижение степени защиты полифосфатов с увеличением температуры.

Известно, что при гидролизе полифосфата образуются дигидрофосфат-ионы:

Ионы H₂PO ускоряют реакцию восстановления растворенного кислорода на катодных участках, которую можно представить следующим образом:

½ O₂+H₂PO +2е ^- ®PO +H₂O

Образующиеся в результате этой реакции ионы PO взаимодействуют с ионами Fe³⁺ и при этом на поверхности металла осаждается FePO_4:

Fe³⁺+ PO ® FePO₄¯

В присутствии Fe³⁺ на катодных участках поверхности металла осаждаются фосфаты железа, образующие непроницаемый защитный слой:

PO +Fe³⁺+2H₂O® FePO₄×2H₂O

Пирофосфат ионы более подвижны, по сравнению с полифосфатами, их защитный эффект несколько выше в изученных средах. Механизм противокоррозионной защиты пирофосфатов заключается в том, что они при протекании процесса коррозии в фоновых средах образовывают комплексные и малорастворимые соединения типа Me [Me₂ (P₂O₇) ₂] и Me [Me₂ (PO₃) ₈], которые обладают устойчивостью в слабокислых и слабо щелочных средах рН=5¸9, где значения Z изменяются в пределах 81,9¸90,9% (табл.2). Результаты гравиметрических исследований и расчетов значений скорости коррозии, коэффициента торможения и степени защиты смешанными ингибиторами на основе Ca₂P₂O₇ и полиэлектролитов при различных температурах также приведены в таблице 2. Видно, что наиболее значительные результаты, превышающие на 8-10% защитный эффект используемых в промышленности импортных ингибиторов "NALKO" (Германия) и "KW-2353" (Россия), получены в присутствии 0,001% ных растворов смешанного полимерного ингибитора Ca₂P₂O₇-унифлок при их эквимолярном соотношении. Величина степени защиты данного полимерного ингибитора принимает значения в интервале от 92,31 до 94,28%.

При использовании в качестве ингибитора двухкомпонентной системы пирофосфата натрия с добавками NaКМЦ в нейтральных средах степень защиты от коррозии достигает до 96,83% (табл.3). Такую же высокую степень защиты имеют и двухкомпонентные ингибиторы на основе пирофосфата и унифлока, где Z достигает значения 97,64%. В растворах двухкомпонентных ингибиторов содержатся полиионы R-COO^-, которые также могут адсорбироваться на поверхности стали. Наличие последних даже в отсутствие фосфатов способствует упрочнению пассивационного слоя, а с полифосфатами его использование особенно эффективно.

Представляло интерес выявление влияния рН среды на степень защиты исследуемых ингибиторов. При уменьшении кислотности эффективность однокомпонентного ингибитора падает, тогда как двухкомпонентные полимерные ингибиторы во всем интервале рН проявляют высокую степень защиты. Установлено явление синергизма в двухкомпонентных ингибиторах на полимерной основе, особенно сильно проявляющийся в системах (NaPO₃) _n-унифлок и Ca₂P₂O₇-желатин при рН=7¸9 и температурном интервале 20¸40 ⁰С.

Таблица 3. Результаты гравиметрического определения степени защиты двухкомпонентного ингибитора в фоновом растворе при различных рН

Таким образом, на основе проведенных электрохимических и гравиметрических исследований можно заключить, что наиболее эффективными в изученных средах являются двухкомпонентные ингибиторы на основе полифосфатов или пирофосфатов и производственного отхода - унифлока, а также желатина.

Количественная оценка эффективности смесевых ингибиторов по результатам электрохимических, коррозионных и гравиметрических исследований

Проведены исследования по определению совместного действия ингибиторов и поиску их наиболее эффективных композиций. Результаты получены для смеси ингибиторов, относящихся к одной реакционной серии, при их постоянной суммарной концентрации. Чтобы оптимизировать состав ингибиторных смесей необходимо установить все причины отклонения их действия от "аддитивности". Для этого требуются дополнительные исследования и в первую очередь по совместной адсорбции компонентов смесей на поверхности металла. В связи с этим заслуживают внимания эффекты взаимного усиления ингибирующего действия и адсорбции анионов. Так, в экспериментах по защите стали от коррозии смесями полифосфатов и полимеров при их определенных соотношениях наблюдается синергизм действия ингибиторов (рис.3).

Зависимость скорости коррозии стали в фоновом растворе от содержания пирофосфата в смеси двухкомпонентных ингибиторов.

Рис. 3. Желатин-Na₄P₂O₇ (1); NaКМЦ-Na₄P₂O₇ (2); унифлок-Ca₂P₂O₇ (3) С_инг. =0,001%, рН=8,00.

Для количественной оценки эффективности смешанного ингибитора в сравнении с его компонентами использовали коэффициент их взаимного влияния: , где и - коэффициенты торможения коррозии стали ингибитором; -скорость коррозии в присутствии смешанного ингибитора, -лишь одного из его компонентов. Условие соответствует взаимоусилению защитных свойств компонентов, - их взаимоослаблению.

Исследования показали, что при 20 ⁰С и рН=8,00 наиболее эффективными оказались композиции (NaPO₃) _n-унифлок и Na₄P₂O₇-унифлок при эквимолярно соотношении, где коэффициенты взаимного влияния принимают максимальные значения, равные 2,44 и 1,54, соответственно (табл.4). При повышенных температурах также наблюдались синергетические эффекты, что указывает на возможность совместного применения фосфорсодержащих соединений и полиэлектролитов в температурном интервале от 20 до 80 ⁰С.

Обосновываясь на собственные исследования и литературные данные можно полагать, что при выдержке образцов стали в растворе двухкомпонентных ингибиторов на поверхности формируются два слоя - тонкий слой оксида железа, на котором равномерно располагается слой рыхлого фосфата железа, в результате образуется однородная поверхность, покрытая мономолекулярным слоем высокомолекулярного соединения.

Таблица 4. Значения коэффициента торможения и коэффициента взаимного влияния компонентов полимерных ингибиторов (рН=8,00, Т=20 ⁰С и С_инг. =10 мг/л)

Ингибитор	Соотношение компонентов	K, (г/м2*сут)
(NaPO3) n-унифлок	1: 3	12,66	9,85	14,05	0,70
1: 2	6,86	18, 19	14,05	1,30
1: 1	3,95	34,37	14,05	2,44
2: 1	5,27	23,65	14,05	1,69
3: 1	8,44	14,78	14,05	1,05
Na4P2O7-унифлок	1: 3	11,56	10,79	11,56	0,33
1: 2	9,40	13,27	11,56	1,15
1: 1	7,46	17,81	11,56	1,54
2: 1	7,98	16,03	11,56	1,38
3: 1	10,62	11,74	11,56	1,01

Таким образом, исследуемые ингибиторы показали высокую эффективность замедления процесса растворения стали в слабо кислых и нейтральных средах. Отличительными свойствами данных полифосфатов, пирофосфатов и полиэлектролитов являются низкая оптимальная концентрация, дешевизна, универсальность, нетоксичность, а также то, что они являются местным сырьем. Наиболее вероятный механизм их защитного действия, как отмечалось выше, заключается в образовании малорастворимых соединений с ионами железа и последующей адсорбции полимерного компонента на образовавшийся слой, приводящей к замедлению его роста и, вследствие этого, уменьшению его пористости, толщины и увеличению ее защитных свойств. В пользу такого высказывания могут служить результаты адсорбционных исследований и расчеты констант адсорбционного равновесия по кинетическим исследованиям.

Исследование адсорбции ингибиторов методом поляризационных кривых

Степень заполнения поверхности () ингибирующим веществом рассчитывают и по кинетическим данным. При этом исходят из того, что адсорбированные органические вещества, так же как и неорганические ингибиторы, рассмотренные в литературе, полностью выводят из сферы анодной реакции ту часть поверхности, которая занята ингибитором (считают, что скорость анодной реакции на ней практически снижается до нуля). Часто эти же соображения используют, рассчитывая степень заполнения при саморастворении. При этом пользуются данными о скорости растворения в ингибированном и неингибированном электролитах. Емкостные измерения

Таблица 5.

Значения степени заполнения и константы адсорбционного равновесия полимерных ингибиторов в растворе фона (рН=8,00, Т=20 ⁰С и С_инг. =10 мг/л) показывают, что усиление ингибирующих свойств исследованных полифосфатов связаны с адсорбцией полимерного компонента на стальной поверхности. Опытные зависимости адсорбции двухкомпонентного ингибитора от их концентрации в растворе на стали в области высоких заполнений достаточно хорошо описываются изотермой Ленгмюра. В целом можно ожидать, что электроннодонорные молекулы с меньшим потенциалом ионизации, большим отрицательным зарядом на атоме азота активного центра и более положительным зарядом на атоме водорода в протонированной форме должны быть лучшими ингибиторами благодаря образованию сильных координационных или водородных связей с металлической поверхностью. Исследования показали (табл.5), что скорость растворения (К) стального электрода является функцией состава двухкомпонентного ингибитора и принимает наиболее низкие значения при эквимолярном соотношении компонентов. Изотермы Ленгмюра показали высокую адсорбционную способность полимерного ингибитора при данном соотношении. Значения степени заполнения поверхности электрода мономолекулярным слоем наиболее высоки, что подтверждается и расчетами константы адсорбционного равновесия (В) в зависимости от состава ингибиторов, которая в 3-4 раза превышает значения В, полученные при других соотношениях компонентов. Эти результаты являются еще одним подтверждением вышесказанного относительно механизма защитного действия данных ингибиторов. По-видимому, именно при эквимольном соотношении компонентов реализуется механизм образования двухслойной наноструктуры, состоящей из тонкого слоя оксида железа и равномерного слоя рыхлого фосфата железа, в результате чего образуется однородная поверхность, толщина которой составляет 3-4 нм. Полиэлектролит, являющийся поверхностно-активным компонентом ингибитора, очевидно, выполняет роль регулятора скорости электроосаждения фосфат ионов на поверхности стали, тем самым предотвращает чрезмерный рост фосфатного слоя и обеспечивает ее равномерность, затем адсорбируясь на ней образует мономолекулярный нанослой, толщиной порядка 3-5 нм, о чем свидетельствуют изотермы Ленгмюра.