II Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

АНАЛИЗ ИНГИБИТОРОВ КОРРОЗИИ МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОСКОПИИ
Ананьина О.С.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


 1.Введение

Термин коррозия происходит от латинского слова corrodere, что означает «разъедать», «разрушать». Коррозия металлов – разрушение металлов вследствие физико-химического воздействия внешней среды, при котором металл переходит в окисленное (ионное) состояние и теряет присущие ему свойства.

Коррозия металлов наносит большой ущерб народному хозяйству нашей страны. Потери от коррозии металлов складываются из стоимости изготовления металлических конструкции ,пришедших в негодность вследствие коррозии, из безвозвратных потерь в виде продуктов коррозии и из косвенных убытков. Поэтому очень важна защита металлических конструкций от коррозийных процессов.

Защита нефтепромыслового и нефтеперерабатывающего оборудования от коррозии позволяет значительно увеличить срок его службы и, следовательно, снизить затраты на ремонтные работы. Особенно актуальна защита от коррозии стала в последние годы в условиях увеличения темпов нефтедобычи. Наиболее эффективным и перспективным способом защиты оборудования нефтепромыслов от коррозии является применение ингибиторов коррозии - поверхностно-активных веществ, растворимых в воде или в жидких углеводородах. Ингибиторы образуют на поверхности металла защитные адсорбционные пленки, препятствующие доступу агрессивной среды к поверхности металла. Введение в агрессивную среду даже небольших количеств ингибиторов значительно снижает скорость коррозии металла.

В настоящее время на российском рынке предложен широкий ассортимент ингибиторов коррозии для нефтепромыслового и нефтеперерабатывающего оборудования. Предлагаемые ингибиторы коррозии демонстрируют достаточно высокую защитную способность, однако, характеризуются высокой стоимостью.

Цель научно- исследовательской работы:

Провести анализ ингибиторов с помощью ИК-спектрометра

Задачи:

-Познакомится с понятием «коррозия»

-Рассмотреть основные виды коррозии

-Изучить основные методы борьбы с коррозией, в частности, применение ингибиторов.

-Познакомиться со способами лабораторного синтеза азотсодержащих ингибиторов, провести их анализ с помощью ИК-спектрометра.

Методы исследования:

  • Изучение и анализ литературных источников

  • Проведение практической и экспериментальной работы

  • Формулирование выводов

II.Литературный обзор

1.Коррозия и её виды.

Технический прогресс во многих отраслях промышленности тормозится из-за ряда нерешенных проблем борьбы с коррозией. Эта проблема является наиболее актуальной в промышленно развитых странах с большим металлофондом .Экономические убытки от коррозии металлов огромны. При этом потери металлов, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций ,изделий и т.д. ,составляют от 10 до 20% годового производства стали.

Как уже было отмечено, коррозия –разрушение металла под воздействием окружающей среды.

Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует) называется коррозионной или агрессивной средой. По степени воздействия на металлы коррозионные среды целесообразно разделить на:

-неагрессивные;

-слабоагрессивные;

-среднеагрессивные;

-сильноагрессивные.

Для определения степени агрессивности среды при атмосферной коррозии необходимо учитывать условия эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений.

Скорость коррозии металлов и металлических покрытий в атмосферных условиях определяется комплексным воздействием ряда факторов.

Коррозионные процессы принято классифицировать по различным признакам (рис.1)

Рис. 1 Классификация коррозионных процессов

1.1.Виды коррозии по механизму

Таким образом, основными видами коррозии являются химическая и электрохимическая.

Под химической коррозией подразумевают взаимодействие металлической поверхности с окружающей средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических (электродных) процессов на границе фаз. Она основана на реакции между металлом и агрессивным реагентом.

Этот вид коррозии протекает в основном равномерно по всей поверхности металла. В связи с этим химическая коррозия менее опасна, чем электрохимическая.

Под электрохимической коррозией подразумевают процесс взаимодействия металлов с электролитами в виде водных растворов, реже с неводными электролитами, например, с некоторыми органическими электропроводными соединениями или безводными расплавами солей при повышенных температурах.

Электрохимическая коррозия в отличие от химической возникает при наличии физико-химической неоднородности металлов, в присутствии жидкости, способной проводить электрический ток.

1.2.Виды коррозии по площади повреждения.

По площади повреждения различают сплошную и местную коррозию.

При равномерном распределении коррозионных разрушений по всей поверхности металла коррозию называют равномерной или сплошной. Она не представляет собой опасности для конструкций и аппаратов. Её последствия могут быть сравнительно легко учтены.

Если же значительная часть поверхности металла свободна от коррозии, и последняя сосредоточена на отдельных участках, то ее называют местной. Она гораздо опаснее, хотя потери металла могут быть и небольшими. Её опасность состоит в том, что, снижая прочность отдельных участков, она резко уменьшает надёжность конструкций, сооружений, аппаратов.

Кроме того, по виду коррозионного повреждения (разрушения) различают : язвенную (в виде пятен различной величины), точечную, щелевую, контактную и др..

Р

Б,в,г,д,и,ж,з –местная

ис. 4 Виды коррозионного разрушения металла:

 

1-равномерное, 2-неравномерное, 3- структурно-избирательное,

4-пятнами, 5-язвами, 6 –точками, 7-межкристаллическое, 8-внутрикристаллическое, 9-подповерхностное.

2.Пути решения проблемы коррозии

 

Способы защиты от коррозии

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и, прежде всего, легкоплавким оловом. Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих её протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и поэтому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты . Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью.

 

Защита нефтепромыслового и нефтеперерабатывающего оборудования, от коррозии позволяет в значительной степени увеличить срок службы и снизить затраты на ремонт оборудования .

Наиболее эффективным и перспективным способом защиты оборудования нефтепромыслов от коррозии является применение ингибиторов коррозии .

3.1. Общая характеристика ингибиторов

Ингибиторы - химические, вещества, тормозящие разнообразные химические реакции.

    Ингибиторы коррозии представлены соединениями различных классов азотсодержащими (амины, амиды, имидазолины ,гуанидин и др.), кислородсодержащими (карбоновые кислоты, эфиры, спирты, альдегиды, кетоны и соли карбоновых кислот), серосодержащими, а также отходами нефтехимических процессов.

В настоящее время на международном рынке предложен широкий ассортимент ингибиторов коррозии для нефтепромыслового и нефтеперерабатывающего оборудования. Большинство представленных на рынке ингибиторов – смесевые продукты, основными компонентами которых являются амиды жирных кислот и имидазолины.

3.2. Способы получения ингибиторов

Объекты исследования – смеси, содержащие амиды и имидазолины в качестве ингибиторов.

Существует несколько способов получения данных соединений.

В ходе осуществления данного исследования была использована реакция ацилирования жиров (рис.6) с последующей циклизацией полученных амидов (рис. 7).

 

(Сложный эфир) (Амин) (Амид) (Глицерин)

 

 

Рис. 6 Реакция N-ацилирования (амидирование)

 

 

(Амид) (Имидазолин) (Вода)

Рис. 7 Реакция циклизации

 

III. Экспериментальная часть

  1. Анализ ингибиторов

1.1.Методика анализа продуктов реакции

Анализ данных веществ проводился на ИК- спектрометре(рис.8),в который помещались исследуемые вещества. Вещество добавляли на стекло ( ZnSe) ,которое не взаимодействует с анализируемыми веществами и водой.

Рис.8 ИК-спектрометр

При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул или их отдельных фрагментов.

При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп и других фрагментов, например на рис.9 представлены длины волн амидов.

Рис.9 Длины волн амидов

Экспериментальным результатом в ИК-спектроскопии является инфракрасный спектр — функция интенсивности пропущенного инфракрасного излучения от его частоты.

Экспериментально установлено, что наличие тех или иных полос в определённой области спектра свидетельствует о наличии в молекуле соответствующих им функциональных групп.

Такой подход стал возможен благодаря большому количеству накопленной экспериментальной информации: существуют специальные таблицы, связывающие частоты поглощения с наличием в образце определённых молекулярных фрагментов.

1.2.Характеристика веществ

В ходе работы мы анализировали смеси ,содержащие амиды и имидазолины.

Амиды обладают очень слабо выраженными кислотными и основными свойствами. Реагируя со щелочными металлами, они дают соли, легко разлагаемые водой. Некоторые соли ,тем не менее, устойчивы.

В работе мы рассматривали вторичные амиды без растворителя (их частота колебания 1680-1630), а так же вторичные амиды с такими растворителями ,как YC (whitespirit–растворитель ,состоящий из смеси алканов с С6по С9 ,содержится в нефти) и О-ксилол (Ортоксилол (о-Ксилол, ИЮПАК: 1,2-диметилбензол) — органическое вещество, ароматический углеводород, является растворителем лаков, мастик и т.д.).

Имидазолины представляют собой циклические амиды и являются сильными основаниями. Имидазолины и их производные также являются эффективными ингибиторами кислотной коррозии, используемыми для защиты нефтепромыслового оборудования. На основе 2-имидазолина разработаны ингибиторы Олазол и Виказол. Имидазолины имеют частоту колебания 1620-1550)

В настоящее время в ДПИ НГТУ им Р.Е. Алексеева проводятся работы по синтезу ингибиторов коррозии на основе амидов и имидазолинов. Из-за того, что соотношение этих двух веществ в продукте является одним из ключевых факторов, влияющих на защитную способность ингибитора, контроль данного параметра является необходимым.

В ходе проведения данных работ был предложен анализ как реакционной массы, так и конечного продукта методом инфракрасной спектроскопии. Колебания каждой функциональной группы имеют свою собственную частоту поглощения, представляемую на спектре в виде полосы. Совокупность таких характеристических полос позволяет нам не только идентифицировать каждую функциональную группу, но и сделать предположение о строении всей многоатомной молекулы. Более того, при анализе смесей, вычислив значения интенсивностей характеристических полос поглощения групп, соответствующих разным компонентам, можно определить долю каждого компонента в анализируемой смеси.

Были рассмотрены результаты экспериментов по оценке ингибирующей способности синтезированных продуктов. Для каждого синтезированного ингибитора ниже дана его ингибирующая способность.

Продукт

Соотношение амидо-имидазолиновых групп

Ингибирующая способность, %

Ингибитор амидный

20,6

74,0

Ингибитор амид-имидазолин

1,44

75,2

Ингибитор имидазолин-амид

0,61

94,3

Ингибитор имидазолиновый

0,33

90,3

Для амидов известны две сильные характеристические полосы (при 1560 и 1650 см-1). Имидазолиновые кольца, в свою очередь, дают характеристическую полосу при 1600 см-1. Сравнение интенсивностей этих полос при использовании калибровочных спектров эталонных амидов и имидазолинов, позволяют определить соотношение амидных и имидазолиновых групп. Произведя определённые расчёты, можно установить массовое содержание каждого компонента в смеси.

В ходе исследования данных ингибиторов в одном из образцов мы обнаружили частоту колебаний 1650 и 1650 см-1 , а так же в одном образце частота колебаний была 1610 см-1 ,что доказывает наличие амида и имидазолина в анализируемых смесях .(Рис.10)

Рис.10 ИК-спектры амида и имидизолина

Рис.11 Структурная формула Амида

 

Рис.12 Структурная формула Имидизолина

 

IV. Результаты и их обсуждение

В ходе данной научно-исследовательской работы был проведён анализ, как реакционной массы, так и конечного продукта. Установлено, что синтез анализируемых ингибиторов коррозии является двухстадийным. На первой стадии образуются амиды, которые циклизуются в имидазолины на второй стадии процесса. Это подтверждается увеличением интенсивностей сигналов амидной группы в начале процесса и последующим одновременным их уменьшением с ростом интенсивностей сигналов имидной группы.

Анализ ингибиторов коррозии методом инфракрасной спектроскопии позволил нам установить точное соотношение амидов и имидазолинов в конечном продукте. К тому же, с применением данного метода анализа, был налажен контроль за протеканием реакции и доказана двухстадийность процесса получения имидазолина.

В результате эксперимента мы проанализировали пять образцов смесей и обнаружили, что во всех смесях содержатся вторичные амиды и лишь в одном образце содержался имидазолин.

На инфракрасной полосе были характеристические частоты амидов (1650 см -1) и имидазолина (1610 см-1).

V. Вывод

Проведен анализ ингибиторов коррозии ,содержащих амиды и имидазолины.

VI.Литература

  1. APPLICATIONS OF SPECTROSCOPY TO ORGANIC CHEMISTRY

J.C.D.BRAND , D. Sc., Ph. D.

  1. Алцыбеева А. И.,Левин С. З., под ред.проф. Антропова Л. И. Ингибиторы коррозии металлов(справочник)

Изд-во «Химия» ,1968 г.

  1. Л.Беллами «Инфракрасные спектры сложных молекул» 1963 г.

  2. Д.Браун, А.Флойд, М.Сейнзбери «Спектроскопия органических веществ»

Изд-во «Мир» 1920 г.

  1. Н.П.Жук « Курс теории коррозии и защиты металлов»

Изд-во «Металлургия» 1976 г.

  1. А.М.Сухотин, Е.И.Чекулаева, В.М. Княжева, В.А.Зайцев

«Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии». 1987г.

17