事半功倍——缓蚀剂在腐蚀中的发展与应用

2023-03-20 10:54:09 作者：本网发布来源：网络分享至：

蚀刻版画，是人们利用金属腐蚀的过程创造出的一种艺术形式，艺术家在涂有防腐层的金属表面上描线，刮去防腐层，露出金属板，然后浸泡在酸液中，露出的金属板上的划痕被腐蚀成细槽，金属板上墨后，图像被忠实的转印下来。这样创作出的作品结构新颖、造型美观、具有很强的立体感和艺术感染力，而且几乎永远不会变色和老化。腐蚀在被人们合理的利用后，为我们留下了富有价值的艺术品，然而，在生活中，不加干预的腐蚀，往往带来更多的是危险和破环。

伦勃朗的蚀刻版画《基督宣道》作于约1648年

腐蚀，原为化学用词，新华词典对其释义为：通过化学作用，使物体逐渐消损破环，又可引申指腐烂、消失、侵蚀。生活中这样的案例比比皆是，如常年饮用碳酸饮料引起的蛀牙、长期使用的金属厨具生锈、酸雨对建筑表面的溶解，导致建筑物出现“黑壳”效应等，腐蚀过程往往是缓慢而不易察觉的，如同癌细胞的发展，早期没有任何症状，却不声不响地蚕食着物体本身，当发展至“晚期”产生严重的破环后才能引起重视。

2019年出版的《中国腐蚀调查报告》中指出：我国由于腐蚀造成的损失高达2.5万亿，约为国民生产总值的5%；据世界腐蚀组织（WCO）在《对于材料破坏和腐蚀控制世界必须进行知识传播与研究发展》的《白皮书》中写道：“在全世界，腐蚀对经济和环境的破坏方面（包括公路、桥梁、油气设施、建筑、水系统等）。目前，世界年腐蚀损失可达1.8万亿美元”，除此之外，因腐蚀带来的安全隐患而导致的间接损失更是数不胜数，化工车间管道腐蚀产生裂缝，导致有害气体大量泄漏，桥梁吊杆生锈断裂导致桥面坍塌等等，这些问题的发生，不仅会带来不必要的损失，同时也对人体健康和人身安全造成隐患，所以，如何采取有效的措施减少腐蚀，将“癌症”消灭在初期迫在眉睫。

海水对桥梁的腐蚀

一、缓蚀剂的作用原理及分类

金属腐蚀是生活中最普遍的一种腐蚀，按照腐蚀机制，金属腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀，其中，电化学腐蚀对金属的影响最为严重。电化学腐蚀是指金属在水溶液中，与离子导电的电解质发生电化学反应产生的破坏，腐蚀金属表面上存在着阴极和阳极，金属原子在阳极氧化失去电子，成为离子状态转移到介质中，而阴极则发生还原反应，吸收来自阳极的电子，两个反应相辅相成，腐蚀过程中有电流产生。由于设备运作的环境中，无法完全隔绝空气中的水分，一旦在局部构成短路电池，其反应过程会更加深入彻底，对金属而言，电化学腐蚀带来的危害，远比化学腐蚀更加严重而持久。

电化学腐蚀原理

电化学腐蚀的形成所受影响因素众多，针对其形成特点，目前常见的防腐方法有涂层保护、电化学保护、改进金属内在组成和缓蚀剂保护等，其中，缓蚀剂因其具有添加量较小但效果明显、来源丰富等优势，被认为是解决金属腐蚀问题的一种最高效且低成本的手段。

缓蚀剂是一种以适当的浓度和形式存在于环境（介质）中时，可以防止或减缓腐蚀的化学物质或几种化学物质的混合物，一般加入微量或少量（0.1%～1%）缓蚀剂即可得到缓蚀效果，缓蚀剂应用范围广泛，可用于中性介质（循环冷却水）、酸性介质（除锅垢的盐酸）、碱性介质（金属空气电池电解液添加剂）和气体介质（气相缓蚀剂）中。

缓蚀剂种类多样，按照其自身构成，可分为无机缓蚀剂、有机缓蚀剂和复合缓蚀剂。早期应用于国内外工业中的缓蚀剂大多是无机缓蚀剂和有机类的纯化学试剂缓蚀剂，常见的包括金属氧化物、铬酸盐、锡酸盐、苯丙三氮唑、氨基酸类（甘氨酸、半胱氨酸和天冬氨酸等）、喹啉衍生物（8-氨基喹啉、8-硝基喹啉）、表面活性剂（十六烷基三甲基溴化铵）等，这类缓蚀剂对铜、铝、锌及其合金均有较好的缓蚀效果，尤其对碳钢的缓蚀，更是效果显著。

然而，随着缓蚀剂在工业上的广泛应用，人们逐渐意识到，无机盐缓蚀剂虽对金属腐蚀有较好的抑制作用，但其对环境以及人体健康均有危害，如铬酸盐中六价铬具有毒性，长期接触极易致癌，含氮含磷的有机物更是难以降解，对环境也是负担，因此，随着科学技术的不断进步，人们环保意识也在逐渐加强，加之国际形势的变化，开发绿色天然、环境友好型的缓蚀剂逐渐成为研究的重点，一些天然提取物，如羽扇豆提取物、多糖及多糖衍生物等因其具有大量的活性吸附中心，具有较好的缓蚀效果而备受关注。

之后，随着工业社会的发展，人们对缓蚀剂的要求也在不断提高，单一组成的缓蚀剂已不能满足需要，为进一步提高天然产物的缓蚀性能，通常将其与其他缓蚀剂一起复配使用，不同缓蚀剂之间的合理搭配，在起到自身的缓蚀作用的同时，两两搭配还能起到互相促进、相辅相成的效果，不仅可以提高聚合物缓蚀剂的稳定性，新物质的加入又可在一定程度上促进有机分子与金属离子的络和作用，使其像一张巨大的“毯子”覆盖在金属表面，使金属免受腐蚀性破环，达到“1+1>2”的效果。

铝合金在未添加缓蚀剂和添加缓蚀剂的氢氧化钠溶液中浸泡2小时形貌

二、缓蚀剂的应用

近年来，由于矿物能源的有限性，煤、石油等化石燃料逐渐枯竭，全球能源需求日益增长，开发新的清洁能源以及安全高效的储能方式已迫在眉睫，电池行业正在寻求一种可再生回收的电池体系替代传统电池。

与已广泛使用的锂离子电池相比，金属-空气电池因其容量大、比能量高、成本低、放电稳定、污染性较小等优点，被认为是极具有未来发展潜力的新型绿色电源。其中铝因其资源丰富、价格低廉，成为了金属-空气电池中最具吸引力的电极材料，但是，纵然铝-空气电池有诸多优点，且具有良好的应用前景，铝电极在碱性电解液中存在严重的析氢腐蚀，极大地影响电池的性能和寿命，阻碍其广泛应用，因此研究人员将高效、绿色的缓蚀剂应用于铝-空气电池的研究中，可以很大程度的减缓铝电极的腐蚀速率，提高铝电极的利用率和寿命，从而最终延长电池的使用年限。

在现有的研究中，无机物和有机物复配缓蚀剂应用最多，其中，无机物常见的有金属氧化物、稀土元素等，分别与氨基酸类、葡萄糖等多糖类、表面活性剂等有机大分子物质配合使用，以氧化钙与L-天冬氨酸为代表，在碱性电解质中氧化钙形成的氢氧化钙通过几何覆盖效应附着在铝合金表面，在充分发挥自身缓蚀效力的同时，还充当了“针线”，将天冬氨酸分子与铝离子和氢氧化钙充分“连接”起来，织成了细密的“网”—— Ca(OH)₂-L-Asp和Al-Asp单分子复合膜层，从而有效的抑制了铝合金的析氢腐蚀反应。

氧化钙与L-天冬氨酸复配缓蚀剂缓蚀机理

虽然，针对缓蚀剂的研究已有百余年的历史，缓蚀剂的开发、应用在化工、石油、电力、机械、金属加工、交通运输、核能及航天等领域中，起着极其重要的作用，缓蚀剂的品种、质量也都得到了进一步的完善，但“金无足赤，人无完人”，缓蚀剂本身还存在很大的发展空间，开发更加高效的缓蚀剂并对缓蚀剂的性能不断优化依旧是研究热点。同时，该研究还需不断调整实验条件，如复配比例、缓蚀剂浓度、适宜温度、合适的电流密度等，寻求能够达到最佳效果的状态。

与此同时，随着表征技术的不断进步，可以从更新颖、更据说服力的角度，对缓蚀剂的作用机理进行解答，以便更好的将其应用于实际工作中。

三、总结

科学技术是一把双刃剑，它既能给我们带来福音，开辟出崭新、繁荣的新世界，但也会为我们制造一些麻烦，所谓“良药苦口利于病”。科学技术这把双刃剑正需要对于科技理性而全面的思考才能使其始终在人类的掌握之下。如今，人类的生活在科技的指引下愈发多彩，但腐蚀问题就像这华丽皮囊下的一只蛀虫在悄然地蚕食着一切，一丝一毫的安全隐患，一分一毫的资源流失，积少成多，最终会带来巨大的危害。腐蚀是一个永恒的问题，我们必须正视它，并充分地了解它，只有这样，我们才能更好地弥补已经发生的、预防还未发生的，将危险扼杀在摇篮中，或者将腐蚀为我们所用，“变废为宝”，使其为我们创造出更多的价值，为科技的发展贡献一份力量。

来源：缓蚀剂与水处理

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