武汉东湖学院生命科学与化学学院 罗 慧 程时劲 刘黎亚 高慕容 安从俊
随着环境保护意识的加强和社会的可持续发展，添加绿色缓蚀剂已经成为防腐蚀技术中应用最广泛的方法之一，研究开发绿色缓蚀剂、满足绿色化学、降低产品的环境负荷，是腐蚀防护的前沿研究发展方向。本文利用RST-5200电化学工作站，采用三电极法，通过对塔菲尔极化曲线图的分析，对自制Q235碳钢电极在含有绿色植物提取液的溶液体系中的电化学行为进行研究。实验结果表明：樟树叶的硫酸提取液在硫酸介质中具有缓蚀性能，且腐蚀速率和腐蚀深度均随着樟树叶提取液浓度的增大而变小，即缓蚀性能随着提取液浓度的增大而增强。另外，在以硫酸为介质的开放和封闭体系中，其缓蚀能力随着樟树叶的浸泡时间的加长而降低。
腐蚀是现代工业和生活中的重要破坏因素。据不完全统计，全世界每年因腐蚀而报废的钢铁设备约相当于钢铁年产量的1/3，每年因腐蚀而损耗的金属达1亿吨以上,腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的3%～4%。
近年来，虽然研究产生的缓蚀剂种类颇多，但很多都是对人体有害的，如铬酸盐、汞盐等，另外，有机膦酸盐、磷酸盐、多聚磷酸盐等缓蚀阻垢水处理剂等含磷化合物容易引起水体的富营养化。我国沿海一些海域，发生的赤潮和海藻类大量繁殖，都是由含磷化合物所引起的。随着环境保护意识的加强和社会的可持续发展，添加绿色缓蚀剂已经成为防腐蚀技术中应用最广泛的方法之一，研究开发绿色缓蚀剂来满足绿色化学、降低产品的环境负荷，是腐蚀防护的前沿发展研究方向。
张万友等提出了植物缓蚀剂在酸性溶液中的应用，将不同的植物性缓蚀剂进行复配，可使缓蚀率达97%左右；汪晓军等对天然植物胶进行吡啶季铵化改性，制得了一种水溶性缓蚀剂，将其与乌洛托品和丙炔醇复配，对多种金属都有较好的缓蚀作用，其缓蚀增效作用可达到99%，而且在汽车水箱清洗中也得到了成功应用；法鲁奇（I.H.Farooqi）等将阔叶碱、姜黄色素等天然产物的水溶萃取物用作低碳钢在冷水系中的缓蚀剂，而且HEDP（羟基亚乙基二膦酸）若与天然化合物水溶萃取物混合，更能提高其缓蚀效率；李焰等研究了黄连提取物在lmoL/L HCl中对Q235钢缓蚀作用高达98%，能同时抑制碳钢表面腐蚀的阴、阳极反应，是一种优良的天然绿色缓蚀剂；林修洲等用水蒸气—蒸馏法从樟树叶中提取桉叶油，并将其作为盐酸酸洗缓蚀剂的主要成分，用正交实验法优选了复合缓蚀剂配方。
综上所述，继续深入地从天然植物及其废弃物中提取有效活性成分作为缓蚀剂，是防腐技术领域中的重要发展方向。
一、实验部分
1.原理
极化曲线法又称为塔菲尔（Tafel）直线外推法，是一种测定腐蚀速率的电化学方法。其主要原理是将金属样品制成电极浸入腐蚀介质中，测量记录稳态的电势及电流，通过电势对电流密度的对数作图，分别将阴极、阳极极化曲线的直线部分外推延长，所得两条直线的交点纵坐标对应的数值即为腐蚀电流密度的对数，从而得出对应的腐蚀电流密度，再由下述公式（1）计算得到其腐蚀速度(重量指标)与腐蚀深度（深度指标）。
式（1）中：υ为腐蚀速度（g/m2h）；d 为腐蚀深度(mm/年)；icorr 是腐蚀电流密度（mA/cm2）；M 为金属的克原子量(g)；n 为金属的原子价；F 为法拉第常数；ρ为金属的密度（g/cm3）。
提取液浓度=树叶质量/硫酸体积g/mL
2.主要仪器及试剂
（1）仪器：电化学工作站（郑州世瑞思仪器科技公司，RST-5200），铁电极（自制碳钢棒，有效面积0.4024mm2，非工作表面以环氧树脂涂封，顶端引出导线）。
（2）试剂：95%浓硫酸（分析纯）,蒸馏水,樟树叶（采摘自武汉东湖学院）。
3.实验步骤
（1）采摘新鲜樟树叶，挑拣除杂，用自来水清洗干净，烘干剪碎，称重，用15%的硫酸浸泡，减压抽滤，将所得的滤液进行两次平行实验。
（2）重复上述实验操作，考察浸泡时间和浸泡体系的不同对实验结果的影响。
二、实验数据处理及结果分析
1.樟树叶提取液浓度不同对缓蚀性能的影响
固定反应体系的酸度、温度、扫描速度、浸泡时间等条件，考察樟树叶提取液浓度的不同对缓蚀性能的影响，结果如图1所示。
图1 不同浓度樟树叶提取液在硫酸介质中的塔菲尔图
Fig.1 the Tafel graph of different concentration camphor leaf extracts in sulfate media
从图1分析可知，随着樟树叶提取液浓度的增大，腐蚀电位变大，腐蚀电流变小，说明不同浓度的提取液对缓蚀性能有不同的影响，即随着提取液浓度的增大，缓蚀效果加强。
根据公式（1）分别计算出不同浓度时的腐蚀速率，然后将腐蚀速度υ对提取液浓度c作图，如图2所示。(www.xing528.com)
从图2分析可知，当樟树叶在酸中浸泡2小时，提取液浓度在0.02～0.08g/ mL之间时，随缓蚀剂浓度的增加，电极的腐蚀速度明显减小，缓蚀效果明显；但当浓度超过0.08g/mL时，随缓蚀剂浓度的增大，腐蚀速度变化的趋势不明显。初步分析认为，低浓度时，随缓蚀剂浓度的增大，缓蚀剂的吸附量一般是增加的，但是，随着提取液的有效活性成分在金属表面覆盖度的增加，铁电极表面金属粒子与缓蚀剂粒子之间的吸附方式由化学吸附转变成物理吸附，吸附粒子间的作用力可能由化学键力变成范德华力,导致作用力发生质的转变，导致缓蚀性能变化不显著。
图2 樟树叶提取液浓度c与腐蚀速度υ的关系图
Fig.2 the graph about the relationship between concentration and corrosion rate
2.樟树叶在硫酸介质中浸泡时间的长短对其缓蚀性能的影响
固定反应体系的酸度、温度、提取液浓度、扫描速度等条件，考察樟树叶浸泡时间对其缓蚀性能的影响，结果如图3所示。
图3 樟树叶在硫酸中浸泡时间不同时的塔菲尔图
Fig.3 the Tafel graph of different immersion time of the camphor tree leaves in sulfate media
从图3分析可知，樟树叶在15%硫酸中浸泡的时间越长，腐蚀电位变化不大，但腐蚀电流变化较大，即樟树叶在酸中浸泡的时间越长，缓蚀能力反而降低。究其原因，可能是因为樟树叶中含有大量的易挥发油，其主要成分为桉油精（桉叶油醇）、d-樟脑、黄樟油醚、樟脑酮及d-蒎烯、尚含僮脑醇、龙脑奥等，且这些易挥发油具有抗腐的特点。用硫酸浸泡樟树叶时，浸泡时间加长，挥发油挥发较多，导致缓蚀性能降低。
据上分析，本文设计了一次实验，以验证上述原因分析是否合理可靠。设计实验如下：
重复实验步骤（2），将樟树叶浸泡半小时，探讨封闭体系和开放体系对缓蚀性能的影响，结果如图4所示。
图4 樟树叶在酸中浸泡时体系不同状态时的塔菲尔图
Fig.4 the Tafel graph of different immersionsystems of the camphor tree leaves in sulfate media
从图4分析可知，封闭体系的腐蚀电位比开放体系的大，但腐蚀电流比开放体系的小，即封闭体系的缓蚀能力比开放体系的强。这主要是因为当体系封闭时，由于易挥发性物质的挥发减少，导致体系的缓蚀能力较强，说明挥发性物质具有较强的缓蚀性能。
三、实验展望
本次在研究樟树叶提取液的缓蚀性能时，所进行的实验未能充分说明起缓蚀作用的有效成分，因此，可以继续进行实验，确定提取液中起缓蚀作用的具体物质，进一步确定这些物质起缓蚀作用的原理。同时，还可以针对其他植物展开实验进行研究，如笔者还较为详细地研究了竹叶提取液的缓蚀性能，其实验结果将另文发表。
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