聚环氧琥珀酸（PESA）的制备及缓蚀性能研究.doc
聚环氧琥珀酸（PESA）的制备及缓蚀性能研究 乐安源 湖北省大悟县阳平中学，432800【摘要】以马来酸酐为原料，钨酸钠作催化剂，过氧化氢作氧化剂，Ca(OH)2作引发剂，在一定条件下合成出目标产物聚环氧琥珀酸（PESA）；用红外光谱表征了聚环氧琥珀酸的分子结构；采用动电位电化学仪极化曲线测定单一聚环氧琥珀酸对Q235碳钢的缓蚀性能。探讨了PESA的缓蚀率与其使用浓度的关系；借助电化学阻抗谱探讨了聚环氧琥珀酸(PESA)的缓蚀机理。 关键词： 缓蚀剂；PESA；红外光谱；极化曲线；缓蚀率；缓蚀机理前言围绕性能、环境和经济来设计和研究的“绿色药剂”已成为21世纪水处理剂的发展方向1。聚环氧琥珀酸（PESA，1·氧杂环丙烷-2，3-二羧酸聚合物）分子带有氧原子，无磷非氮结构具有较好的抗碱特性2。起初作为清洗剂，后来Prector&GambleCompany及Betz公司将其作为阻垢剂3,4,5 。近年来，由于工业生产过程中节能降耗及绿色环保的需要，围绕聚环氧琥珀酸作为工业循环水的缓蚀剂的研究，越来越成为于工业化应用研究的焦点6,7。本实验采用多步合成法来制备聚环氧琥珀酸（PESA）8,9；借助红外光谱仪对其结构进行表征；借助动电位扫描仪对聚环氧琥珀酸对Q235碳钢的缓蚀性能及缓蚀机理进行了探讨。1 实验部分1.1.实验仪器 四口烧瓶、温度计、恒压滴液漏斗、恒温加热磁力搅拌器水浴装置、CS350电化学工作站（武汉科思特仪器有限公司）、Nicolet 380 智能傅立叶红外光谱仪；1. 2实验药品 马来酸酐（AR）、 氢氧化钠 （AR）、二水钨酸钠（AR）、30%过氧化氢（AR）、氢氧化钙（AR）、丙酮（AR）、无水乙醇（AR）、蒸馏水（自制） 1.2实验过程1.2.1合成原理 作者简介：乐安源， 1968年8月出生，湖北大悟人，中学化学教师，业余工程师 。1.2.2实验步骤在250 mL四口烧瓶中加入马来酸酐24.5g、蒸馏水约40mL，四口烧瓶装上温度计、冷凝管、恒速搅拌装置和恒压滴液漏斗，打开恒速搅拌装置，加热使马来酸酐溶解。缓慢滴加50%的NaOH溶液，加热升温至55时，加入适量Na2WO42H2O，控制H2O2水溶液滴加速度，调节溶液的pH值在6，升温至70，反应0.5h，得到无色透明溶液。冷却后加入适量丙酮，用玻璃棒搅拌一段时间，静置、沉淀、抽滤，真空干燥得白色粉末，即为环氧琥珀酸钠（ESA），备用。将环氧琥珀酸钠配成50%的水溶液，量取50ml倒入250 ml四口烧瓶中，装上温度计、冷凝管、恒速搅拌装置。加热升温至90时，加入引发剂Ca(OH)2，恒温反应2.5h，得到淡黄色粘稠透明液体。待溶液冷却后加入适量乙醇，萃取分层，将下层淡黄色溶液进行真空干燥，得到淡黄色粉末状固体，即为聚环氧琥珀酸（钠）固体(PESA)。 2 结果与讨论 2.1聚环氧琥珀酸的表征将干燥后的环氧琥珀酸钠和聚环氧琥珀酸（钠）分别与KBr以1 ：100的比例在红外灯下混合研磨，用Nicolet 380 智能傅立叶红外光谱仪进行分析。图2.1为环氧琥珀酸钠的红外光谱图，图2.2为聚环氧琥珀酸（钠）的红外光谱图。 图2.1 环氧琥珀酸钠的红外光谱 图2.2 聚环氧琥珀酸（钠）的红外光谱比较图1与图2可得，在图2中，波数为950 cm-1的环氧基特征吸收峰消失，而在1121 cm-1处出现COC开环后特征吸收峰，这说明环氧琥珀酸钠进行了聚合反应。此外，图2中还有以下吸收峰：1604 cm-1和1400cm-1处为COONa的吸收峰，1170 cm-1处为CH的吸收峰，由此可以推断图2即为聚环氧琥珀酸（PESA）的红外光谱图。2.2 PESA缓蚀性能的研究控制温度30时，利用自来水配制不同浓度的PESA溶液（60 mg/L、70mg/L、80 mg/L、90mg/L、100mg/L）。利用动电位扫描仪来测定Q235碳钢的极化曲线，并对其缓蚀率进行评价。 a (浓度为60 mg/L ) b(浓度为110mg/L)图2.3 Q235碳钢在不同PESA浓度条件下的极化曲线2.2.1 Q235碳钢PESA缓蚀介质中的极化曲线 借助CS350电化学仪，可以扫描得出Q235碳钢在PESA缓蚀介质中的腐蚀极化曲线，同时得出钢铁的自腐蚀速率。2.2.2 Q235碳钢PESA缓蚀介质中的缓蚀率借助动电位扫描仪，得出表1数据。结果显示：随着PESA浓度的增大，自腐蚀电位变化微小，自腐蚀速率随着PESA浓度的增大，呈下降趋势。缓蚀率随着PESA浓度的增大，呈上升趋势，在PESA浓度100 mgL时，缓蚀率达到64.9，缓蚀效果比较好。图2.4为PESA的缓蚀率与浓度的关系曲线。表1 Q235碳钢的腐蚀速率以及PESA的缓蚀率PESA加入量（mg/L）060708090100110自腐蚀电位（mV）-0.53-0.54-0.53-0.52-0.50-0.53-0.52自腐蚀速率（mm/a）1.160.930.780.470.640.410.66缓蚀率（）-19.733.059.344.964.943.3 图2.4 Q235碳钢在PESA缓蚀剂溶液中的缓蚀率曲线2.3 PESA的电化学阻抗谱利用动电位扫描仪得到的不同浓度条件下的PESA的电化学阻抗谱，如图2.5所示：极化电阻Rp在加入PESA后变大了，说明PESA通过物理化学反应在Q235碳钢表面形成了一层保护膜。Q235钢在缓蚀溶液中的自腐蚀电流密度，在加入PESA后变小，也表明：Q235碳钢表面形成的一层保护膜阻碍腐蚀电化学反应进行。原因可能是由于PESA分子链中的氧原子与Fe的d电子空轨道进行配位结合，从而生成稳定的五元环螯合物粘附于金属表面上，形成的保护膜将金属表面和腐蚀环境隔开，从而减少金属在腐蚀环境中的腐蚀速率，即PESA通过化学吸附覆盖在Q235碳钢表面，减缓其腐蚀，由此可以推断PESA属于吸附膜型缓蚀剂。同时， 根据Q235碳钢在不同浓度PESA缓蚀剂中对应的动电位扫描极化曲线以及表1数据，加入PESA后，Q235碳钢的自腐蚀电位几乎不变，由此可以判断PESA抑制Q235碳钢腐蚀过程的阴、阳反应，属于混合型缓蚀剂。3.全文总结1）以马来酸酐为原料，钨酸钠作催化剂，Ca(OH)2作引发剂，在一定条件下合成出目标产物聚环氧琥珀酸（PESA）；并借助用红外光谱表征了聚环氧琥珀酸的分子结构；2）采用动电位电化学仪极化曲线测定聚环氧琥珀酸对Q235碳钢的腐蚀速率，随着缓蚀剂浓度的增加，其缓蚀性能增加。3）借助电化学阻抗谱探讨了聚环氧琥珀酸(PESA)的缓蚀机理。PESA既对阳极过程又对阴极过程起抑制作用，它是一种吸附膜型缓蚀剂。 参考文献1 AnastasPT,WilliamsonTC,GreenChemsitry-DsigningChemistryfor Environment.ACS Symposium Serie.Washington D C: American Chemical Society，1996,1-15:812 S.C. Devito. In designing safer chemicals green chemistry for pollution prevention，ACS Symposium Series,1996：N0.640.3 熊蓉春,周庆,魏刚.绿色阻垢剂环氧琥珀酸的缓蚀协同效应J.化工学报，2003,54(9):1323-13254 熊蓉春,魏刚,周娣等. 绿色阻垢剂聚环氧琥珀酸的合成J.工业水处理,1999,19(3)：11-13.5 秦会敏等.绿色水处理剂聚环氧琥珀酸的研究进展J石化技术,2003,10(4):52-556 白华萍,赵志仁,雷武等聚环氧琥珀酸的合成及性能研究J .工业水处理,2002,22(12):24-267 吕志芳,董伟,夏明珠聚环氧琥珀酸的阻垢缓蚀性能研究J.工业水处理,2001,21(3) ：23-258 McGiffne,Gregory J. Method of controlling scale formation in brine concentration and evaporation system. 1999,43:531-536.9 Brown J, Michael, McDowelletal.Methods of controlling scale formation in aquous systems. 1991,23:456-460.5
