Tải bản đầy đủ

Dung dịch axit clohidrit thường được sử dụng trong việc loại bỏ các gỉ và vảy trên bề mặt thép mềm

1. Tóm tắt đề tài
Chất hoạt động bề mặt Cation Gemini, N,N0-Didodecyl-N,N,N0N0-Tetramethyl1,4-Butane Diammonium Dibromide (12-4-12) và Chất hoạt động bề mặt bề mặt
Monomeric tương ứng Dodecyl Trimethyl Ammonium Bromide (DTAB) được so sánh
với nhau về hiệu quả ức chế ăn mòn trong 1 M dung dịch Axit Hydrochloric. Phổ phân
cực và điện trở kháng được dùng để đánh giá khả năng ức chế ăn mòn. Chất hoạt động
bề mặt 12-4-12 cho thấy khả năng ức chế ăn mòn cực kỳ hiệu quả ở nồng độ rất thấp.
Sức căng bề mặt đo được trong điều kiện dung dịch Axit mạnh cho thấy các chất hoạt
động bề mặt Gemini tương đối trung hòa về điện, điều này thuận lợi cho việc hấp phụ
lên bề mặt thép mềm.
2. Giới thiệu
Dung dịch Axit Clohidrit thường được sử dụng trong việc loại bỏ các gỉ và vảy
trên bề mặt thép mềm. Tuy nhiên, sự ăn mòn của Axit Hydrochloric rất mạnh nên cần
phải được điều chỉnh bởi một chất ức chế ăn mòn thích hợp. Chất hoạt động bề mặt
Cationic có thể được hấp phụ mạnh trên bề mặt kim loại và hoạt động như các chất ức
chế ăn mòn bằng cách tạo thành một màng bảo vệ. Lớp bảo vệ này sẽ làm giảm khả
năng thấm ướt bề mặt và độ linh động của các Ion khác nhau, nó sẽ làm giảm tác động
tương tác có thể xảy ra tác nhân oxy hóa với bề mặt kim loại [1]. Chất hoạt động bề
mặt Cation, chẳng hạn như các Amin béo có chuỗi Ankyl dài, Amidoamin và
Imidazolines, được biết đến là tác nhân chống ăn mòn hiệu quả [2].
Các tài liệu cung cấp nhiều ví dụ về các nghiên cứu chất hoạt động bề mặt
Cation Monomeric như chất ức chế ăn mòn sắt và thép trong môi trường có tính Axit

[3-9]. Các chất ức chế ăn mòn đã cho thấy hiệu quả tăng cùng với sự tăng độ dài của
đuôi kỵ nước và với sự gia tăng nồng độ hình thành Mixen tới hạn (CMC) có tác dụng
chống ăn mòn trong khoảng không đổi rất rộng [3-9].
Chất hoạt động bề mặt Gemini là một thế hệ mới của chất hoạt bề mặt bao gồm
hai phân tử chất hoạt động bề mặt Monomeric liên kết với nhau bằng một đệm ở ngay
hoặc gần phần đầu của chúng. Vì vậy, chúng có hai nhóm ưa nước và hai nhóm kỵ
nước. Chất hoạt động bề mặt Gemini có khả năng hoạt động bề mặt tốt hơn chất hoạt
động bề mặt Monomeric tương ứng [10, 11]. Gần đây, chất hoạt động bề mặt Gemini
đã thu hút sự quan tâm như các chất ức chế ăn mòn cho sắt và thép trong môi trường
có tính Axit [12-20]. Tương tự như chất hoạt động bề mặt Cation thông thường, sự ức
1


chế ăn mòn của chất hoạt động bề mặt Cation Gemini đã được khảo sát khi tăng nồng
độ chất hoạt động bề mặt cho đến khi đạt được CMC [12-21].
Tài liệu này so sánh hiệu suất chống ăn mòn thép mềm trong Axit Clohydric
của một chất hoạt động bề mặt Cation Monomeric thông thường, Dodecyl Trimethyl
Ammonium Bromide (DTAB) với một chất hoạt động bề mặt Dimeric (Gemini) có
cùng độ dài của đuôi Hydrocarbon và đệm Tetramethylene liên kết với các nguyên tử
nitơ bậc bốn. Phổ trở kháng (EIS) và các phép đo phân cực được sử dụng để đánh giá
hiệu quả chống ăn mòn và kết quả thu được tương ứng với sức căng bề mặt của các
dung dịch thực nghiệm và khả năng hoạt động bề mặt trên mẫu thép mềm được tiếp
xúc với các dung dịch thực nghiệm.
3. Thí nghiệm
3.1 Chuẩn bị nguyên liệu
Phòng thí nghiệm chọn dung dịch Axit Hydrochloric thu được từ Công nghệ
Merck để pha chế và chuẩn bị 1 M HCl. DTAB mua từ Aldrich và chất hoạt động bề
mặt Gemini, N,N0-didodecyl-N,N,N0N0-tetramethyl-1,4-butandiammonium dibromide,
viết tắt là 12-4-12, được tổng hợp trong phòng thí nghiệm của chúng tôi theo một
phương pháp nổi tiếng [22]. Công thức phân tử của các hợp chất này được thể hiện
trong Hình 1. Các dung dịch thử nghiệm đã được chuẩn bị tại bảy nồng độ chất hoạt
động bề mặt khác nhau, từ 1 đến 1000 µM dung dịch DTAB và 0,1 – 500 µM dung
dịch 12-4-12. Do xuất hiện các hạt không tan ở nồng độ 1000 µM của dung dịch 12-412 nên các giá trị đo điện hóa không được thực hiện ở 1000 µM.
Các tấm thép mềm với những thành phần đã được trình bày trong Bảng 1 và
được đánh bóng bằng cách sử dụng giấy nhám đánh bóng 800 và sau đó xử lý bằng
Acetone.
3.2 Sức căng bề mặt CMC và đo năng lượng tự do trên bề mặt
CMC của chất hoạt động bề mặt được xác định bởi dụng cụ đo độ dẫn điện và
đo sức căng. Đo độ dẫn điện được thực hiện với thiết bị đo độ dẫn điện S47 (Mettler
Toledo, Thụy Sĩ), bằng cách sử dụng một chậu nước có thể khuấy để kiểm soát nhiệt


độ. Đối với một loạt các phép đo ở thế tích chính xác là 25 ml nước cất đã được đưa
vào bình chứa và độ dẫn điện của nước được xác định. Dung dịch này sau đó được
chuẩn độ với dung dịch chất hoạt động bề mặt và độ dẫn điện được đo sau khi mỗi lần
2


thêm nồng độ chất hoạt động bề mặt. Tại nồng độ tạo ra điểm nhảy vọt trên đường
cong dẫn điện so với nồng độ chất hoạt động bề mặt được xác định là CMC.
Hình 1. Cấu trúc hóa học của DTAB (a) và 12-4-12 (b)

Bảng 1. Thành phần của các tấm thép

Sức căng bề mặt cân bằng cho biết nồng độ của chất hoạt động bề mặt được đo
bằng cách sử dụng dụng cụ đo sức căng Kruss. Các phép đo sức căng bề mặt được lập
đi lập lại nhiều lần để có được một độ lệch tối đa 0,10 mN / m. Sức căng bề mặt so với
những đồ thị nồng biểu thị sự phá hủy ở nồng độ tương ứng với CMC.
Dụng cụ G10 Kruss đã được sử dụng để đo góc tiếp xúc của nước, Formamide
và Diiodomethane trên bề mặt thép mềm sau khi được tiếp xúc với dung dịch Axit tinh
khiết và các dung dịch Axit có chứa DTAB 1 mM và 1 µM, và 12-4-12 ở mức 0,5 mM
và 0,1 µM. Góc tiếp xúc các phép đo cho mỗi lần kiểm nghiệm được lặp đi lặp lại
nhiều lần để có được một độ lệch tối đa là 2o. Các thành phần năng lượng bề mặt đã
được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp Owens [23].
3.3 Nghiên cứu điện tích
Mỗi mẫu thép mềm có diện tích 1 cm2 của được tiếp xúc với chất điện ly trong
khi các khu vực khác của tấm đã được bao bọc bởi hỗn hợp sáp ong - Colophan. EIS
và các phép đo phân cực được thực hiện bằng cách sử dụng dụng cụ IVIUM
COMPACTSTAT sau 4 giờ ngâm trong các dung dịch thực nghiệm ở 25 ± 1oC. EIS là
thực hiện tại một điện thế mạch hở (OCP) trong một dải tần số từ 10-2 đến 10+4 Hz với
độ nhiễu điện 10 mV. Phân cực được thực hiện tại tỷ lệ 2 mV / s từ -250 đến 250 mV
của OCP. Điện cực tham chiếu và điện cực ngược chiều là bạc/Clorua bạc và than chì.
Một mẫu dung dịch HCl 1M được sử dụng như dung dịch tinh khiết trong suốt các
mẫu kiểm tra điện.

3


4. Kết quả và thảo luận
4.1 Đặc tính hóa lý của chất hoạt động bề mặt
CMC của DTAB và của 12-4-12 trong nước cất và 1 M HCl được xác định
bằng hai phương pháp khác nhau, độ dẫn điện và đo sức căng, và các giá trị thu được
trong bảng 2. Từ các phép đo Độ dẫn điện liên quan đến mức độ Ion hóa Mixen,
thường gọi là α, có thể được xác định và giá trị α cũng được đưa ra trong bảng 2. Mức
độ Ion hóa Mixen có liên quan đến ràng buộc đối lập, β, α = 1 - β. Phép đo Độ dẫn
điện không được thực hiện trong HCl 1 M bởi tính dẫn điện cao của dung dịch này.

Bảng 2 CMC xác định bằng thiết bị đo độ dẫn điện và thiết bị đo sức căng trong nước
cất và bằng thiết bị đo sức căng trong dung dịch 1M HCl ở nhiệt độ phòng
Chất hoạt động bề mặt
DTAB
12-4-12
a chỉ số Ion tự do của Mixen

CMC (mM) trong nước cất
bằng thiết bị đo độ dẫn điện
15.08, a = 0.30
1.15, a = 0.30

CMC (mM) trong nước cất
bằng thiết bị đo sức căng
14.08
1.07

Bảng 3 Sức căng bề mặt của dung dịch thử nghiệm trước khi ngâm thép mềm (γ 0h) và
4h sau khi ngâm
Nồng độ chất hoạt động bề mặt
DTAB
12-4-12
Nước tinh khiết

1 mM
0.5 mM


Sức c
(
γ0h
39.95
32.77
71.78

Có thể thấy, giá trị CMC của chất hoạt động bề mặt Gemini (12-4-12) nhỏ hơn
gần 15 lần so với các Monomer tương ứng (DTAB) trong nước cất. Điều này minh họa
cho xu hướng mạnh của một chất hoạt động bề mặt Gemini tự sắp xếp, và dữ liệu
tương tự đã được báo cáo từ trước [10, 11]. Tuy nhiên, có một sự khác biệt trong 1 M
HCl. Trong khi CMC của DTAB giảm 10 lần, so với giá trị trong nước cất, CMC của
12-4-12 chỉ giảm 2 lần. Sự giảm mạnh của CMC khi đi từ nước cất đến dung dịch 1 M
HCl sẽ chỉ ra nồng độ chất điện giải cao của dung dịch Axit. Muối được thêm vào để
bảo vệ các đầu phân cực và làm giảm lực đẩy của đầu không phân cực. (Một cách khác
4


để xem tác dụng của muối được thêm vào là điện phân làm giảm giá trị Entropy liên
kết với nồng độ cao của sức căng bao quanh Mixen và nồng độ rất thấp với thành phần
chính). Do đó, ảnh hưởng mạnh của muối được thêm vào trên CMC của DTAB là một
trong những điều mong muốn nhưng hiệu quả rất nhỏ ở 12-4-12 là một điều gây bất
ngờ. Chúng tôi không giải thích ngay lý do tại sao một chất hoạt động bề mặt Cation
Gemini có điện dung lớn hơn so với chất hoạt động bề mặt Monomeric tương ứng.
Các giá trị α cũng được đưa ra trong Bảng 2. Cả DTAB và
12-4-12 cho một giá trị là 0.30, trong đó là một giá trị bình thường đối với một chất
hoạt động bề mặt Ion trong nước Millipore. Chúng tôi [24] và những người khác [25 –
27] đã báo cáo trước đó một giá trị α thấp hơn cho 12-2-12 và 12-3-12, tức là, Gemini
với các đơn vị liên kết ngắn hơn so với cái chúng ta đang nghiên cứu tại đây. Rõ ràng
một đệm C4 là đủ dài để cho phép cùng một mức độ Ion hóa Mixen gần giống như
Mixen của chất hoạt dộng bề mặt Monomeric với cùng một độ dài đuôi Hydrocarbon
và các loại tương tự của nhóm đầu phân cực. Nó không thể cho được cùng một giá trị
trong 1 M HCl vì các phép đo Độ dẫn điện không thể hình thành trong các dung dịch
có nồng độ điện tích cao.
Điện dung cũng được phản ánh trong các giá trị của sức căng bề mặt tại CMC
(γCMC). Trong nước cất γCMC là 31,6 và 30,8 mN/m cho DTAB và 12-4-12. Trong 1 M
HCl các giá trị là 39,9 và 32,7 mN / m cho DTAB và 12-4-12. Như vậy, sự gia tăng
sức căng bề mặt khi đi từ nước Millipore đến 1M HCl của 12-4-12 nhỏ hơn của
DTAB.
Ngoài ra, sức căng bề mặt của dung dịch Axit có chứa DTAB giảm 3,8 mN/m
khi các mẫu thép mềm được tiếp xúc với các dung dịch trong 4 giờ, trong khi cho 124-12 giảm chỉ 0,05 mN/m (Bảng 3). Sự ăn mòn của thép mềm trong dung dịch Axit là
giải phóng Ion Fe+2 vào chất điện ly. Một lần nữa, giảm giới hạn sức căng bề mặt của
dung dịch 12-4-12 so với các dung dịch DTAB có thể là do 12-4-12 có điện dung cao.

5


4.2 Đo độ dẫn điện
Hình 2 và 3 đường cong phân cực
cho các mẫu được ngâm trong dung dịch có
chứa DTAB và 12-4-12. Tăng nồng độ
DTAB từ 1 đến 1.000 µM dẫn đến sự giảm
mạnh của các đường cong phân cực. Tăng
nồng độ 12-4-12 từ 0,1 đến 5 µM cũng dẫn
đến sự giảm của các đường cong phân cực.
Tuy nhiên, tăng thêm nồng độ của 12-4-12,
từ 5 đến 500 µM, đã tăng mật độ hiện tại
của Catot và Anot.
Hình 2 Biểu đồ sự phân cực của thép
mềm trong 1M dd HCl trong khi có
1000µM (tam giác đen), 500µM (Hình
vuông trắng), 100 µM (tam giác trắng),
50µM (Kim cương trắng), 10µM (dấu
cộng), 5µM (kim cương đen), 1µM
(Hình vuông đen) DTAB cùng với dung
dịch thường (vòng tròn trắng)

So sánh kết quả này với sơ đồ phân
cực thu được của các dung dịch tinh khiết
cho thấy mật độ ăn mòn điện của cả Anot
và Catot đã giảm khi xuất hiện chất hoạt
động bề mặt, điều này cho thấy những hợp
chất này ức chế các phản ứng cả trên Anot
và Catot thông qua hấp phụ trên bề mặt thép
mềm. Điều này cho thấy khả năng hoạt
động của DTAB và 12-4-12 như loại hỗn
hợp các chất ức chế ăn mòn thép mềm trong
dung dịch HCl 1M. Kết quả xác nhận sự
khả năng ức chế được đề xuất trước với hỗn
hợp được cho trước giữa chất hoạt động bề
mặt Cation Monomeric [5-7] và Gemini
tương ứng [20] trong dung dịch Axit để bảo

Hình 3 Biểu đồ sự phân cực của thép vệ thép mềm.
mềm trong 1M dd HCl trong khi có
Mật độ ăn mòn hiện tại (icorr) ước tính
500µM (tam giác đen), 100µM (Góc
vuông trắng), 50 µM (tam giác trắng), từ mặt chắn của dòng Tafel Catot và Anot
5µM (Kim cương trắng), 1µM (dấu
được liệt kê trong Bảng 4.
cộng), 0.5µM (kim cương đen), 0.1µM
(góc vuông đen) 12-412 cùng với dung
Sơ đồ EIS thu được tại điểm có mặt
dịch thường (vòng tròn trắng).
của DTAB và 12-4-12 trong 1 M HCl được
6


biểu diễn tương ứng trong các hình 4 và 5. Kiểm tra trực quan phổ EIS và phân tích
các kết quả với mạch tương đương có thể được sử dụng để giải thích kết quả của chất
ức chế.
Sự gia tăng trở kháng tuyệt đối ở tần số thấp trên những đường đồ thị Bode và
sự gia tăng trong đường kính hình bán nguyệt trên các đường đồ thị Nyquist xác nhận
sự bảo vệ cao hơn thu được khi tăng nồng độ DTAB từ 1 đến 1.000 µM, có liên quan
đến khả năng hấp phụ của chất hoạt động bề mặt lên bề mặt thép mềm. Các đường đồ
thị Bode mô tả hai đỉnh khác biệt và các đường đồ thị Nyquist cho thấy hai hình bán
nguyệt trùng lặp khi có mặt của DTAB ở 1.000 và 500 µM, liên quan đến sự xuất hiện
của hai hằng số thời gian trong quá trình ăn mòn. Điều này cho thấy sự xuất hiện của
một lớp ức chế trên bề mặt của thép mềm. Các hằng số thời gian có được dày đặc hơn
ở kết quả 100µM tạo ra chồng chéo cực của các đỉnh tại vị trí góc Phase so với sơ đồ
tần số. Khi giảm nồng độ DTAB mạnh hơn thì chỉ có một đỉnh đơn trong đường đồ thị
Bode và một vòng điện dung tăng chậm ở đường đồ thị Nyquist nhìn thấy được, do sự
xuất hiện khoảng thời gian liên tục của quá trình ăn mòn. Độ lệch của các vòng điện
dung từ một hình bán nguyệt hoàn chỉnh có thể được quy cho bề mặt không đồng nhất
[30].
Ngược lại với các kết quả thu được khi có sự xuất hiện của DTAB, mẫu được
ngâm chìm trong dung dịch chỉ gồm 12-4-12 được hiển thị bằng một hằng số thời gian
rất cao và nồng độ rất thấp, tức là ở mức 500 và 0,1 µM, và hai hằng số thời gian ở
nồng độ trung gian, tức là từ 0,5 và 100 µM. Sự gia tăng tuyệt đối trở kháng ở tần số
thấp trên đường đồ thị Bode và sự gia tăng của đường kính hình bán nguyệt trong
đường đồ thị Nyquist xác định khả năng bảo vệ cao hơn khi tăng nồng độ 12-4-12 từ
0,1 đến 5 µM, một lần nữa liên quan đến khả năng hấp phụ các chất ức chế trên bề mặt
thép mềm. Tăng thêm nồng độ chất hoạt động bề mặt dẫn đến giảm trở kháng tuyệt đối
ở tần số thấp trong đường đồ thị Bode và giảm đường kính hình bán nguyệt trong
đường đồ thị Nyquist.
Hình 6 mô tả các kết quả phù hợp các sơ đồ EIS với chu vi tương đương, nơi
mà Rs đại diện cho điện trở dung dịch, R ct điện trở chuyển dời điện lượng, CPE dl pha
liên tục của lớp cấu tử kép, R f điện trở của lớp ức chế và CPE f pha liên tục của lớp cấu
tử ức chế. Các thông số phù hợp tốt nhất được thể hiện trong Bảng 4.
Các giá trị điện dung được tính theo phương trình sau đây [31]:
(1) 7


Trong công thức 1, Cdl đại diện cho lớp điện dung kép, Y 0 các cường độ nạp của
pha phần tử không đổi, n thời gian theo cấp số nhân và R CT điện trở chuyển dời điện
lượng.
Hiệu quả ức chế được thu thập từ phương trình sau đây:

Trong đó tương ứng icorr, b và icorr,i

(2)
là mật độ ăn mòn không có ức chế và có ức

chế.

Surfactan
t

Conc.
(µM)

Icorr
(µAcm-2)

Ecorr
Rct
Y0,dl
ndl
Cdl
(mV vs.
(Ω cm2) (µs Ω-1
(µF cm-2)
Ag/AgCl
cm-2)
)
DTAB
1000
10.39
-471
1,305
3.89
0.73
0.55
500
11.25
-509
1,237
4.05
0.74
0.63
100
15.43
-496
584.0
5.12
0.78
0.99
50
40.52
-493
248.1
21.9
0.88
10.75
10
118.2
-504
108.5
46.11
0.89
23.96
5
157.7
-497
76.18
65.95
0.91
39.07
1
197.4
-498
64.04
76.96
0.91
45.51
12-4-12
500
14.35
-448
945
10.74
0.87
5.41
100
14.23
-502
995
1.89
0.73
0.19
50
13.12
-496
1,328
1.85
0.73
0.2
10
12.55
-511
1,323
1.9
0.75
0.26
5
11.84
-518
1,522
1.85
0.7
0.15
1
17.68
-520
961
2.35
0.71
0.2
0.5
19.83
-512
598
2.56
0.83
0.68
0.1
39.75
-501
278
23.17
0.81
7.10
Blank

229.3
-489
54.46
108.7
0.9
61.48
Bảng 4 Biến thiên các thông số điện thế với các nồng độ của chất hoạt động bề mặt

8

Rf
(Ω c

104
52.5
144





120
21.4
65.6
69.4
45.7
240




Hình 4 Biểu đồ Nyquist (a) và Bode (b)
của thép mềm trong 1M dd HCl trong
khi có 1000µM (tam giác đen), 500µM
(Hình vuông trắng), 100 µM (tam giác
trắng), 50µM (Kim cương trắng), 10µM
(dấu cộng), 5µM (kim cương đen), 1µM
(Hình vuông đen) DTAB cùng với dung
dịch thường (vòng tròn trắng)

Hình 5 Biểu đồ Nyquist (a) và Bode (b)
của thép mềm trong 1M dd HCl trong
khi có 500µM (tam giác đen), 100µM
(Hình vuông trắng), 50 µM (tam giác
trắng), 5µM (Kim cương trắng), 1µM
(dấu cộng), 0.5µM (kim cương đen),
0.1µM (Hình vuông đen) 12-412 cùng
với dung dịch thường (vòng tròn trắng).

9


Hình 6 So sánh thử nghiệm đo trở kháng cho thép mềm trong 1M dung dịch HCl
chứa 500 µM của DTAB (hình vuông đen) và 12-4-12 (kim cương trắng) và điều
đó thu được bằng cách sử dụng mạch tương đương được cung cấp (rắn dòng). Phù
hợp nhất với các thông số được hiển thị trong bảng 4
Độ bao phủ bề mặt (θ) của các mẫu thép mềm ngâm thử nghiệm trong chất điện
ly đã được tính toán từ kháng phân cực (RP) theo phương trình sau đây:

(4)
Công thức 4, RP,b và RP,i tương ứng là kháng phân cực của mẫu được ngâm trong
dung dịch ngâm và dung dịch chứa chất ức chế. Mức độ bao phủ bề mặt được tính
toán và hiệu quả ức chế được mô tả trong hình. 7.

Hình 7. Khả năng bảo vệ bề mặt được tính toán bằng công thức 4. (a) ở các nồng
độ khác nhau và (b) ở sự khác nhau tương ứng với nồng độ của DTAB (hình
vuông trắng) và 12-4-12 (hình vuông đen). Hiệu quả ức chế tính ở công thức 2.
được biểu diễn bằng các đường đứt quãng.

10

(3)


Như hình. 7, tăng nồng độ DTAB từ 1 µM đến kết quả 1.000 µM ở chỗ tăng
liên tục θ và IE. Gemini 12-4-12 có một vài điểm hơi khác. Nồng độ tăng lên đến 5
µM dẫn đến sự gia tăng của θ và IE nhưng tăng thêm giá trị cô đặc của 12-4-12 dẫn
đến sự giảm nhẹ của θ và IE.
Cũng như được hiển thị trong hình. 7, 12-4-12 cho thấy khả năng ức chế ăn
mòn tốt hơn DTAB ở nồng độ dưới 100 µM, trong khi DTAB trở nên hơi hiệu quả hơn
ở nồng độ cao hơn. Hiệu quả cực đại của chất hoạt động bề mặt Gemini ở nồng độ
thấp là rất rõ ràng ở hình 7b, trong đó nồng độ của hai bề mặt được chuẩn hóa bởi các
giá trị CMC của chúng.
4.3 Bề mặt hấp phụ
Một chất hoạt động bề mặt Ion thường liên kết với nhóm thế trái dấu nếu bề
mặt tiếp xúc có điện tích trái dấu. Tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt đủ cao, quá
trình tự xắp xếp thường dẫn đến sự hình thành của một lớp kép hoặc khối Mixen bền
trên bề mặt. Bất kì chất hoạt động bề mặt tự sắp xếp nào gồm một lớp Mixen kép hoàn
chỉnh hoặc khối Mixen bền, điện tích của bề mặt sẽ bị đảo ngược. Trong trường hợp
của bề mặt thép mang điện tích âm và chất hoạt động Cation, bề mặt sẽ mang điện tích
dương.
Đối với chất hoạt động bề mặt Gemini có một khả năng hình thành một cấu trúc
kiểu khác của lớp hấp phụ. Một trong các nhóm Cation này có thể tương tác với một vị
trí bề mặt Anion trong khi nhóm khác kéo dài từ bề mặt vào trong phần lớn pha nước
[15]. Tổ chức ở bề mặt có thể phụ thuộc vào cấu trúc của các chất hoạt động bề mặt
khác diễn ra song song. Khi vùng đệm dài ra, chúng đã xác nhận các chất hoạt động bề
mặt ưa hấp phụ với cả hai nhóm đầu phân cực đối với bề mặt đơn tạo thành lớp bề mặt
kép. Mặt khác, song song với vùng đệm ngắn, được cho là để hấp phụ với nhóm bề
mặt ưa nước và đi ra từ bề mặt [16].
Cũng nên biết rằng ở nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp Ion hút bám trên bề
mặt phía đối diện theo cơ chế trao đổi Ion. Nồng độ chất hoạt động bề mặt trên tăng sẽ
tạo ra quá trình Mixen với nồng độ Mixen tới hạn (CMC) thấp hơn nhiều so với số
lượng lớn chất hoạt động bề mặt [32]. Chúng được gọi là bề mặt xuất hiện Mixen và
với nồng độ nơi chúng bắt đầu hình thành gọi là bề mặt tập trung (CSAC). Phần kỵ
nước của bề mặt hấp phụ hoạt động giống như nơi hình thành của lớp Mixen hấp phụ.
11


Ở nồng độ cao hơn thì các bề mặt sẽ tự kết hợp tạo thành các chất liệu khô hoặc các
lớp kép ở bề mặt. Quá trình hấp phụ sẽ diễn ra trong các quá trình tiếp theo. Đầu tiên
là hấp phụ trực tiếp và chủ yếu là thông qua cơ chế trao đổi Ion giữa chúng với các
phân tử chất hoạt động bề mặt. Tiếp theo là hấp phụ tập trung bao gồm các cơ chế
tương tác kỵ nước giữa các chuỗi Alkyl với nhau và với bề mặt hấp phụ đầu tiên. Điều
này tương ứng với sự hình thành bề mặt Mixen hấp phụ [32 – 34].
Khả năng ức chế ăn mòn cực kỳ hiệu quả của chất hoạt động bề mặt Gemini
12–4–12 so với chất hoạt động đơn thể DTAB được gây ra bởi sự khác biệt trên bề mặt
hấp phụ của thép. Hình 8 mô tả ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt lên bề
mặt của thép mềm.

Có thể thấy rằng khả năng hấp phụ chất hoạt động bề mặt song song với một
nhóm đầu phân cực hướng tới bề mặt và một trong chúng có vai trò là chất hoạt động
bề mặt. Tuy nhiên, không chắc chắn rằng cấu trúc của lớp hấp phụ có nhiều ưu điểm
hơn so với cấu trúc lớp kép thông thường mà nó có thể giải thích cho sự khác biệt rất
lớn trong hiệu quả chống ăn mòn. Thay vào đó, chúng ta đề xuất rằng hiệu quả của
chất hoạt động bề mặt kép có liên quan đến khả năng hoạt động của dòng điện với chất
bề mặt này. Các giá trị CMC thu được bằng cách đo sức căng bề mặt cho thấy rằng
trong khi chất hoạt động bề mặt Monomeric DTAB có giá trị CMC thấp hơn 10 lần
dụng dịch HCl nồng độ 1M trong dung dịch nước cất, các giá trị CMC 12 – 4 – 12 chỉ
sai khác bởi hệ số 2. Điều này có nghĩa rằng chất hoạt động bề mặt Dimeric sẽ giữ lại
các Cation trong dung dịch với thành phần điện tích bền hơn so với các đơn thể của
12


nó. Tính chất Cation của 12 – 4 – 12 cao hơn của DTAB trong dung dịch HCl 1M sẽ
dẫn đến sự hình thành một lớp bề mặt của thép mang điện tích âm với nồng độ thấp
hơn nhiều so với bề mặt Monomeric.

Bảng 5 Hệ số góc của nước, Formamide và Diiodomethane trên bề mặt thép mềm sau
khi ngâm 4h trong các dung dịch thử nghiệm và trị số các thành phần năng lượng bề
mặt được xác định bằng công thức Owens

Hình 8. Sơ đồ khả năng hấp phụ của DTAB (a) và 12-4-12 (b) trên bề mặt thép
mềm ở các nồng độ khác nhau.
Nồng độ chất
hoạt động bề
mặt
DTAB
1 mM
1 µM
12-4-12
0.5 mM
0.1 µM
Tinh khiết


Các th

Hệ số góc
Nước

Formamide

Diiodomethane

γdis

56.30
74.30

49.50
63.40

41.40
57.40

33.79
26.36

42.90
93.70

40.20
62.20

45.80
59.10

31.82
31.54

57.90

50.30

56.10

26.73

Sự tiếp xúc giữa các gốc của nước, Formamide và Metylen Iođua trên bề mặt
thép mềm sau khi được tiếp xúc với dung dịch tinh khiết hoặc dung dịch tinh khiết có
chứa DTAB hoặc 12 – 4 – 12 ở nồng độ ở mức cao nhất và thấp nhất được liệt kê trong
bảng 5. Ngoài ra, thành phần năng lượng bề mặt được tính toán dựa vào phương pháp
Owens có trong bảng 5. Theo bảng này thì năng lượng bề mặt của mẫu trộn lẫn trong
dung dịch 1mM DTAB và 0.5mM 12 – 4 – 12 là cao hơn hẳn so với giá trị thu được
trong dung dịch tinh khiết. Đối với dung dịch 12 – 4 – 12 cả hai thành phần phân cực
và không phân cực được tăng lên so với dung dịch tinh khiết. Đối với dung dịch
DTAB thành phần không phân cực được tăng lên đáng kể nhưng thành phần phân cực
13


thì giảm đáng kể so với dung dịch tinh khiết. Những kết quả này cho thấy rằng các
chất hoạt động bề mặt Gemini thành một khối mixen chặt chẽ hoặc một lớp kép tăng
cường hoàn chỉnh, trên bề mặt thép trong khi chất hoạt động bề mặt Mônmeric ít có
cấu trúc tổ chức trên bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt Gemini có khả năng đạt hiệu
quả cao như một chất ức chế ăn mòn một phần có thể được giải thích theo xu hướng
hiện đại để bảo vệ bề mặt ăn mòn của thép mềm.
Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt rất thấp khoảng 1µM DTAB và 0.1µM với
12 – 4 – 12 thì năng lượng bề mặt tự do của bề mặt thép thấp đáng kể so với dung dịch
tinh khiết. Các giá trị thành phần phân cực suy giảm đặc biệt lớn. Sự suy giảm là do
tính chất hấp phụ phân tán của các phân tử chất hoạt động bề mặt tại bề mặt thép. Ở
nồng độ thấp bề mặt không tự hình thành của các tinh thể.
5. Kết luận
Một chất hoạt động bề mặt Cation Gemini, 12 – 4 – 12 được so sánh với
Monomeric tương ứng, DTAB, về giảm khả năng bị ăn mòn của thép mềm trong dung
dịch HCl 1M bằng cách sử dụng dòng điện hóa học. Các phép đo phân cực cho ta biết
cả hai bề mặt chất chống ăn mòn điện hóa và đường phân cực Anot như chất ức chế
của hỗn hợp chất ăn mòn. Tuy nhiên, bề mặt tinh thể được xác định trên cả chất ức chế
ăn mòn và rất hiệu quả khi cả dung dịch cô đặc. Chúng ta chắc chắn rằng khả năng ức
chế ăn mòn mạnh của 12 – 4 – 12 là do khả năng của nó phát triển bề mặt của thép –
như các khối Mixen chặt chẽ hoặc một lớp kép hình thành hoàn chỉnh - dưới nồng độ
CMC. Do khả năng tiếp xúc với dòng điện cao hơn so với bề mặt tinh thể, chất hoạt
động bề mặt Gemini cũng tạo một vùng đệm bề mặt như vậy trong dung dịch Axit
mạnh thông thường.

14


Tài liệu tham khảo
1. Holmberg K (ed) (2002) Handbook of applied surface and colloid chemistry.
Wiley, Chichester
2. Richmond JM (ed) (1990) Cationic surfactants: organic chemistry. Marcel
Dekker, New York
3. Asefi D, Arami M, Sarabi AA, Mahmoodi NM (2009) The chain length
influence of Cationic surfactant and role of nonIonic co-surfactants on controlling the
corrosIon rate of steel in Axitic media. Corros Sci 51:1817–1821
4. Keera ST, Deyab MA (2005) Effect of some organic surfactants on the
electrochemical behaviour of carbon steel in formatIon water. Colloids Surf A
266:129–140
5. Migahed MA (2005) Electrochemical investigatIon of the corrosIon
behaviour of mild steel in 2 M HCl solutIon in presence of 1-dodecyl-4-methoxy
pyridinium bromide. Mater Chem Phys 93:48–53
6. Fuchs-Godec R (2006) The adsorptIon, CMC determinatIon and corrosIon
inhibitIon of some N-alkyl quaternary ammonium salts on carbon steel surface in 2 M
H2SO4. Colloids Surf A 280:130–139
7. Hamid ZA, Soror TY, El-Dahan HA, Omar AMA (1998) New Cationic
surfactant as corrosIon inhibitor for mild steel in hydrochloric Axit solutIons. Anti
Corros Methods Mater 45: 306 – 311
8. Saleh MM, Atia AA (2006) Effects of structure of the Ionic head of Cationic
surfactant on its inhibitIon of Axit corrosIon of mild steel. J Appl Electrochem
36:899–905
9. Atia AA, Saleh MM (2003) InhibitIon of Axit corrosIon of steel using
cetylpyridinium chloride. J Appl Electrochem 33: 171 – 177
10. Zana R, Xia J (eds) (2004) Gemini surfactants. Marcel Dekker, New York
11. Menger FM, Keiper JS (2000) Gemini surfactants. Angew Chem Int Ed
39:1906–1920
12. Qiu L-G, Xie A-J, Shen Y-H (2005) The adsorptIon and corrosIon inhibitIon
of some Cationic gemini surfactants on carbon steel surface in hydrochloric Axit.
CorrosIon Sci 47:273–278
15


13. El Achouri M, Infante MR, Izquierdo F, Kertit S, Gouttaya HM, Nciri B
(2001) Synthesis of some Cationic gemini surfactants and their inhibitive effect on
iron corrosIon in hydrochloric Axit medium. Corros Sci 43: 19 – 35
14. Qiu L-G, Xie A-J, Shen Y-H (2004) Materials science communiCation
understanding the adsorptIon of Cationic gemini surfactants on steel surface in
hydrochloric Axit. Mater Chem Phys 87: 237 – 240
15. El Achouri M, Kertit S, Gouttaya HM, Nciri B, Bensouda B, Perez L,
Infante MR, Elkacemi K (2001) CorrosIon inhibitIon of iron in 1 M HCl by some
gemini surfactants in the series of alkanediyl-a, x-bis-(dimethyl tetradecyl ammonium
bromide). Prog Org Coat 43:267–273
16. Qiu L-G, Xie A-J, Shen Y-H (2005) Understanding the effect of the spacer
length on adsorptIon of gemini surfactants onto steel surface in Axit medium. Appl
Surf Sci 246: 1 – 5
17. Qiu L-G, Xie A-J, Shen Y-H (2005) A novel triazole-based Cationic gemini
surfactant: synthesis and effect on corrosIon inhibitIon of carbon steel in hydrochloric
Axit. Mater Chem Phys 91: 269 – 273
18. Qiu L - G, Wu Y, Wang Y-M, Jiang X (2008) Synergistic effect between
Cationic gemini surfactant and chloride Ion for the corrosIon inhibitIon of steel in
sulphuric Axit. Corros Sci 50: 576 – 582
19. Hegazy MA (2009) A novel Schiff base-based Cationic gemini surfactants:
synthesis and effect on corrosIon inhibitIon of carbon steel in hydrochloric Axit
solutIon. Corros Sci 51: 2610 – 2618 20. Yao S-Z, Jiang X-H, Zhou L-M, Lv Y-J, Hu
X-Q (2007) CorrosIon inhibitIon of iron in 20% hydrochloric Axit by 1, 4/1, 6-bis(a
octylpyridinium) butane/hexane dibromide. Mater Chem Phys 104: 301 – 305
21. Asefi D, Arami M, Mahmoodi NM (2010) Electrochemical effect of
Cationic gemini surfactant and halide salts on corrosIon inhibitIon of low carbon steel
in Axit medium. Corros Sci 52: 794 – 800
22. Tehrani-Bagha AR, Bahrami H, Movassagh B, Amirshahi SH, Arami M,
Menger FM (2007) Dynamic adsorptIon of gemini and conventIonal Cationic
surfactants onto polyacrylonitrile. Colloids Surf A 307:121 – 127

16


23. Marais S, Hirata Y, Cabot C, Morin-Grognet S, Garda M-R, Atmani H,
Poncin-Epaillard F (2006) Effect of a low-pressure plasma treatment on water vapor
diffusivity and permeability of poly(ethylene-co-vinyl alcohol) and polyethylene films.
Surf Coat Technol 201: 868 – 879
24. Tehrani-Bagha AR, Oskarsson H, van Ginkel CG, Holmberg K (2007)
Cationic ester-containing gemini surfactants: chemical hydrolysis and biodegradatIon.
J Colloid Interface Sci 312: 444 – 452
25.

Zana

R,

Benrraou

M,

Rueff

R

(1991)

Alkanediyl-a,

w-

bis(dimethylalkylammonium bromide) surfactants. 1. Effect of the spacer chain length
on the critical Mixene concentratIon and Mixene IonizatIon degree. Langmuir 7:1072
– 1075
26. Menger FM, Keiper JS, Mbadugha BNA, Caran KL, Romsted LS (2000)
Interfacial compositIon of gemini surfactant Mixenes determined by chemical
trapping. Langmuir 16:9095 – 9098
27. Zana R, Levy H, Papoutsi D, Beinert G (1995) MixenizatIon of two
triquaternary ammonium surfactants in aqueous solutIon. Langmuir 11:3694 – 3698
28. Naderi R, Mahdavian M, Attar MM (2009) Electrochemical behavior of
organic and inorganic complexes of Zn(II) as corrosIon inhibitors for mild steel:
solutIon phase study. Electrochim Acta 54: 6892 – 6895
29. Mahdavian M, Attar MM (2009) The effect of benzimidazole and zinc
acetylacetonate mixture on cathodic disbonding of epoxy coated mild steel. Prog Org
Coat 66:137 – 140
30. Huang VM-W, Vivier V, Frateur I, Orazem ME, Tribolletb B (2007) The
global and local impedance response of a blocking disk electrode with local constantphase-element behavior. J Electrochem Soc 154: C89 – C98
31. Bentiss F, Jama C, Mernari B, El Attari H, El Kadi L, Lebrini M, Traisnel
M, Lagrenee M (2009) CorrosIon control of mild steel using 3,5-bis(4methoxyphenyl)-4-amino-1,2,4-triazole in normal hydrochloric Axit medium. Corros
Sci 51:1628 – 1635

17


32. Atkin R, Craig VSJ, Wanless EJ, Biggs S (2003) Mechanism of Cationic
surfactant adsorptIon at the solid–aqueous interface. Adv Colloid Interface Sci
103:219 – 304.
33. Holmberg K, Jonsson B, Kronberg B, Lindman B (2003) Surfactant and
polymers in aqueous solutIon, 2nd edn. Wiley, Chichester.
34. Rosen MJ (2004) Surfactants and interfacial phenomena, 3rd edn. Wiley,
New York.
Author Biographies
Mohammad Mahdavian received his Ph.D. from the Polytechnic University
of Tehran, Iran, in 2009. He then worked as an academic faculty member at the
Institute for Color Science and Technology. He is presently working as an assistant
professor in Sahand University, Tabriz, Iran. His main research interests are in the
areas of corrosion inhibitors, polymeric coatings and surface treatment.
Ali Reza Tehrani-Bagha received his Ph.D. for his thesis on ‘‘Synthesis and
Characterization of Gemini Cationic Surfactants and some of their Applications in
Textile Processing’’ from the Polytechnic University of Tehran, Iran, in 2007. He then
worked as an academic faculty at the Institute for Color Science and Technology. He is
currently following research on cleavable gemini surfactants and their applications as a
postdoc under the supervision of Professor Krister Holmberg in the Department of
Applied Surface Chemistry at Chalmers University of Technology, Go¨teborg-Sweden.
Krister Holmberg received his Ph.D. in organic chemistry in 1974. He worked
in industry and was Research Director of Berol Nobel (now AkzoNobel Surface
Chemistry). From 1991 to 1998 he was the Director of the Institute for Surface
Chemistry in Stockholm. He is currently Professor of Surface Chemistry at Chalmers
University, Go¨teborg-Sweden. His main research interests are novel surfactants,
organic and bioorganic reactions in microemulsions and other confined media, as well
as nanotechnology.

18



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×