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緩蝕劑進展與展望

1.開發綠色天然緩蝕劑
    目前所用的緩蝕劑以無機緩蝕劑和人工合成的有機緩蝕劑較多,相當一部分存在一定毒性。隨著環保意識的增強和環境保護法的嚴格限制,人們希望開發一種高效、低毒的新型緩蝕劑來取代那些緩蝕劑。而綠色天然緩蝕劑將是一種很好的選擇。
植物是天然緩蝕劑的一個重要來源,由于其天然及環境友好的特性一直是國內外科學家熱衷的研究對象。目前國內外已經用各種不同的方法從油橄欖葉、大蒜、海帶、迷迭香葉、黃連、樟樹葉、綠茶葉、油菜籽、竹葉等天然物質中提取相應的成份、研究了它們在酸性、中性、堿性的環境中對金屬的緩蝕作用,取得了一定的進展。關于動物提取物作為緩蝕劑的研究較少,為數不多的研究集中在河蚌水解產物、魚內臟水解產物、人類的頭發、雞蛋的水解產物等物質上。
從天然動植物中提取緩蝕劑不僅對環境友好,而且可以實現資源的合理優化配置,同時,各種天然提取緩蝕劑間還可以進行復配,形成優勢互補、價格低廉的高效綠色緩蝕劑。

2.利用廢棄物制備緩蝕劑
    利用廢棄物制備緩蝕劑可以達到變廢為寶的目的。例如利用生物廢料豆渣,采用浸漬方法制備氨基酸類緩蝕劑,利用化工生產下腳料制備緩蝕劑,用胱氨酸廢水制備緩蝕劑等。這樣不僅為廢棄物的綜合利用開辟了新的途徑,而且具有較好的經濟效益和環境效益。

3.高效緩蝕劑的開發
    提高緩蝕劑的緩蝕性能,減少緩蝕劑的添加量,不僅有助于降低緩蝕劑的使用成本,而且可以減少緩蝕劑對系統介質的影響。隨著工業和科學技術的發展,緩蝕劑科學技術也得到了進步,國內外的腐蝕和防腐工作者研究和開發的緩蝕劑向無毒、可生物降解、環保方向發展。高效緩蝕劑的研究呈現以下發展趨勢:
(1)進一步對現有緩蝕劑進行改性研究,提高其緩蝕性能。無論是有機緩蝕劑、無機緩蝕劑還是從生物體中提取的天然緩蝕劑,都可以從其結構或者化合態等方面進行改性,得到針對性強、緩蝕性能高的緩蝕劑。
(2)對現有的緩蝕劑進行復配研究,得到一種多功能的緩蝕劑,實現資源的優化利用。目前,復配是尋找高效緩蝕劑已經成為研究中的一種重要的手段,但其中的復配機理、緩蝕劑間的相互作用尚有待進一步完善。
(3)大力探索從天然植物、海產動植物中,提取、分離、加工新型緩蝕的有效成分,同時加強人工合成多功能基的低毒或無毒的有機高分子型緩蝕劑的研究工作。
(4)運用量子化學理論和分子設計等先進科學技術合成高效多功能環境保護的高分子型有機緩蝕劑。

4.多功能緩蝕劑的研發
    在一些使用緩蝕劑的介質中,除了添加緩蝕劑外往往還需要添加其他的一些化學藥劑。例如,在鋼廠酸洗工藝中,既要添加緩蝕劑防止酸液對金屬基體的腐蝕還要添加抑霧劑抑制酸霧的揮發;污水介質中,既要添加污水緩蝕劑防止污水介質對金屬管道的腐蝕,還需要添加殺菌劑對細菌進行殺滅以及添加阻垢劑防止污垢生成堵塞管道……。如果開發出多功能緩蝕劑,使開發的緩蝕劑同時具備其他的一些功效,這不僅大大節省成本,而且使用效率更高。目前國內外已經在多功能緩蝕劑開發方面做了部分工作。
例如水溶性咪唑啉衍生物是一種新型緩蝕劑,它對于碳鋼、合金鋼、銅、鋁等多種金屬有優良的緩蝕性能。以咪唑啉緩蝕劑為主的多組分復配體系,具有緩蝕、抑霧、促洗的多功能特點。在含硫、磷的化合物中引入咪唑啉等基團,從而獲得具有防銹性能的硫-磷型添加劑。這樣所研制出的硫-磷型添加劑同時具有良好的防銹、潤滑和抗氧化性能。絮凝-緩蝕劑是指在水處理中兼有強化固液分離和減緩腐蝕兩種功能的水處理劑。在油田采油中,部分油井產出介質中地層水礦化度高,Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、H2S及SRB含量高,pH值低,這種產出介質具有很高的腐蝕和結垢傾向。油井同時投加單向緩蝕劑和阻垢劑,既增加生產成本又增加工作量,而且必須解決阻垢劑和緩蝕劑的配伍問題,因此,針對油井腐蝕、結垢等影響因素,研究具有緩蝕和阻垢性能的緩蝕阻垢劑具有重要意義。

5.苛刻環境下的緩蝕劑研發
    目前在一些極端苛刻環境下,還沒有成熟的緩蝕劑能夠有效地抑制介質對金屬的腐蝕,因而有必要研發出能夠在這些苛刻環境下發揮功效的緩蝕劑。
    例如隨著資源利用的深入,比如油氣田的不斷開發,井下溫度越來越高,對酸化緩蝕劑的要求也越來越高,需要能夠滿足超高溫度環境的酸化緩蝕劑。
    用于高含H2S、CO2的油氣田的緩蝕劑,加拿大開發了胺類、吡啶和咪唑啉類緩蝕劑,SHELL公司開發了合成酸/多胺縮合物緩蝕劑,Cortec和Baker Petrolite公司研究的咪唑啉緩蝕劑,在高含硫環境中都發揮了十分有效的防腐作用。我國四川氣田在上世紀六十年代初,便應用緩蝕劑抑制氣井的硫化氫腐蝕。四川天然氣研究院和四川石油管道設計院與中科院長春應用化學研究所等單位合作,開展應用緩蝕劑抑制硫化氫腐蝕研究,研究發現頁氮、粗吡啶、4-甲基吡啶釜殘等能有效抑制硫化氫腐蝕。四川天然氣研究院開發了川天系列緩蝕劑,在四川氣田應用,對硫化氫腐蝕有較好的抑制作用。但是適用于更高溫度及更高壓力下的H2S、CO2緩蝕劑還有待于進一步開發。

6.緩蝕劑效果的快速評價
    石油天然氣工業生產系統中,由于介質的礦化度高,含硫化氫、二氧化碳,腐蝕嚴重,給油田生產造成了巨大的損失,為了有效的控制腐蝕需及時了解系統介質的腐蝕性,投加緩蝕劑的效果。經典的失重法測試時間太長,特別是對現場緩蝕劑的質量檢測,由于油田生產的環境與工況要求,不能及時的檢測緩蝕劑的質量,導致部分效果差的緩蝕劑進入生產,不但造成浪費而且不能時腐蝕得到控制,影響正常生產。因此,迫切需要快速測定介質的腐蝕性。
目前對緩蝕劑的快速評價多用電化學方法,或者是使用電化學儀器檢測。在研究的眾多電化學方法中,對于酸性緩蝕劑來說,恒電量法的優勢明顯,恒電量法不僅能迅速地測得 Rp 、Cd 值,而且可以獲得 Stern 公式中的 B 值,直接計算實際狀態下的腐蝕電流,能夠更加直接、準確地評價酸性緩蝕劑。使用電化學腐蝕測定儀簡便、快速,但從前期的測試數據反映:電化學腐蝕測定儀的測試數據誤差大,重現性差。為了了解電化學腐蝕測試儀的適應性,有研究者開展了用電化學腐蝕測試儀測試不同介質的腐蝕性,考察電化學腐蝕測試儀在不同介質中測試數據的重現性,提出適應電化學腐蝕測試儀測試的方法與條件,力求解決現場腐蝕快速測試問題。

7.利用分子設計開發緩蝕劑
    基于量子化學計算等理論工具,通過分子設計,利用化學合成手段得到高性能的緩蝕劑分子,這不僅可以節省大量的時間與資源,同時對緩蝕劑理論有促進作用。
    設計開發更多緩蝕性能好、適應能力強、經濟效益顯著的緩蝕劑對于應對各種復雜的腐蝕環境尤為重要。傳統的緩蝕劑研制方法是建立在猜測和大量實驗篩選的基礎上的,存在著一系列的問題:成本太高,研發周期太長,工作帶有一定的盲目性。因此,設計開發新型緩蝕劑迫切需要理論指導。
    隨著量子化學理論研究的發展和實驗技術、計算機硬件水平的進步,為新型緩蝕劑的開發設計提供了方向,通過構建緩蝕劑的定量結構-性能關系(QSAR)模型,設計、預測、合成新型高效緩蝕劑。QSAR模型指所研究的化合物的性質與其結構參數的定量關系,其中,化合物的性質的數據由實驗得出,結構參數變量為實驗測定或理論計算所得的物化參數、量化參數或幾何圖形參數,如分子體積、密度、熵、焓、分子表面積、疏水參數、軌道能量、電荷密度、極化率、偶極矩、自由價、離域能、分子連接指數等。
在設計具有特定功能的緩蝕劑分子時,必須考慮到影響緩蝕劑作用的因素范圍,需要從緩蝕劑的分子結構、金屬界面、腐蝕介質三個方面來進行討論。配位化學理論對選擇有機緩蝕劑的分子結構類型、設計緩蝕劑分子結構、設計合成緩蝕的工藝路線亦具有較強的指導意義。按照配位化學的觀點,可以將金屬界面、腐蝕介質、緩蝕劑分子結構三者統一在一個理論框架內,有利于統一處理三者之間的相互作用,為緩蝕劑分子的設計合成提供理論依據。
    綜上所述,利用分子設計開發緩蝕劑的基本思路為:從分子結構理論、軟硬酸堿理論、分子內協同效應、配位化學理論、量子化學理論等理論工具出發,按照緩蝕劑分子的結構特點加以分類、組合,采用某種分析方法找出緩蝕劑的緩蝕效率與其結構參數以及環境因素之間的關系,建立緩蝕劑相應的定量構效關系(QSAR)模型;根據所建立的QSAR模型,按照相應的要求有目的的設計、預測、合成所需要得高性能新型緩蝕劑;同時,充分利用相關實驗結果,提高新型緩蝕劑分子設計的成功率,節省大量的時間和資源,降低環境污染,實現分子裁剪緩蝕劑的目的。

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