双子座季铵盐作为N80钢在二氧化碳环境中的腐蚀抑制剂：实验与计算研究

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Gemini quaternary ammonium salt as corrosion inhibitor for N80 steel in CO 2 environment: Experimental and Computational Studies

油酸基Gemini型季铵盐腐蚀抑制剂OIM-7的合成与性能研究。通过1,7-二溴代庚烷对咪唑啉进行季铵化反应，结合FT-IR和NMR表征确认结构。实验表明OIM-7在50℃、40ppm浓度下具有97.5%的最大缓蚀效率，腐蚀速率降至0.0385mm/a。量子化学计算和分子动力学模拟揭示了π电子与氮原子孤对电子与金属铁原子协同吸附机制，形成双层保护膜有效阻隔腐蚀离子渗透。

　　

刘焕荣|杜楚南|刘慧峰|郝春莲|王刚

中国石油大学化学工程与环境学院，北京102249，中国

摘要

咪唑啉类缓蚀剂因其在酸性环境中的优异耐酸性能而被广泛使用，尽管它们存在水溶性差和热稳定性不足等挑战。在这项研究中，油酸咪唑啉经过季铵化处理，制备出了一种新型的双子季铵盐缓蚀剂OIM-7。其化学结构通过FT-IR和NMR得到了确认。通过重量损失法和电化学方法评估了其缓蚀性能。结果表明，合成的双子季铵盐OIM-7在50°C、浓度为40 ppm时具有显著的缓蚀效果，最大缓蚀率达到97.5%，将腐蚀速率降低至0.0385 mm/a。此外，通过量子化学计算与分子动力学模拟的结合，阐明了结构与性能之间的关联，揭示了该缓蚀剂的缓蚀机制。DFT计算显示，咪唑啉环的π电子和N原子上的孤对电子与金属表面的Fe原子发生配位，从而促进了缓蚀剂的吸附。分子动力学模拟验证了OIM-7分子能够有效吸附在金属表面，形成双层膜结构，有效阻止腐蚀性离子的渗透，从而提高了整体的耐腐蚀性。

引言

近年来，随着石油资源的日益稀缺，二氧化碳（CO₂）增强采油（EOR）技术因其同时提高采油率和实现碳封存的双重优势，逐渐成为石油工业中极具前景的解决方案。然而，在应用CO₂ EOR技术过程中，溶解在水中的CO₂会生成碳酸，导致管道严重腐蚀。这增加了管道泄漏的风险，可能引发安全事故并造成环境污染。因此，开发高效缓蚀剂以保护金属设备免受CO₂腐蚀已成为确保CO₂ flooding技术安全稳定应用的核心前提。

咪唑啉类缓蚀剂因其环保特性和优异的耐酸性能而常用于酸性腐蚀环境中。然而，这类缓蚀剂仍存在水溶性差和高温下缓蚀效率较低的问题。季铵盐是一种理想的改性选择，因为它们具有良好的水溶性，并能提高缓蚀剂的热稳定性和化学稳定性，使其在更广泛的操作条件下保持良好的性能[1], [2], [3], [4], [5]。

王等人[3], [6], [7]使用苄氯作为季铵化试剂对咪唑啉进行了改性，并分析了所得化合物在H₂SO₄溶液中对Q235钢的缓蚀性能。研究结果表明，这三种缓蚀剂均表现为混合型缓蚀剂，通过化学吸附有效抑制了腐蚀，最大缓蚀效率分别为96.9%、97.3%和98.2%。理论计算表明，这些缓蚀剂具有多中心吸附特性，并能自发吸附在Q235钢表面。最终，基于实验和模拟数据阐明了其缓蚀机制。

然而，传统的氯基季铵化试剂存在一个显著缺点：释放出的Cl?离子具有很强的腐蚀性，会穿透缓蚀剂形成的保护膜，从而加速局部腐蚀。

在本研究中，以咪唑啉为原料、1,7-二溴庚烷为季铵化试剂，合成了一种新型的双子咪唑啉季铵盐。该产物通过FT-IR和NMR光谱进行了全面表征。随后，通过静态重量损失测试、电化学分析和计算研究评估了其缓蚀性能。评估内容包括静态重量损失测试、电化学分析和计算建模，旨在阐明缓蚀机制，并为实际操作条件下的缓蚀剂应用提供理论基础。

抑制剂合成

缓蚀剂的合成

间隔链的长度对双子季铵盐在金属表面的吸附几何结构至关重要。先前的研究表明，对于亚甲基连接的季铵盐，C7间隔基团在分子柔韧性和表面覆盖密度之间达到了最佳平衡[8], [9]。因此，本研究中使用了1,7-二溴庚烷作为季铵化试剂。

双子季铵盐的合成路线如图1所示。

结构表征

通过记录缓蚀剂的FT-IR光谱（扫描范围400–4000 cm^-1），初步确定了其结构。图2显示了OIM-7缓蚀剂的红外光谱。

在红外光谱中，3299 cm^-1处的吸收峰对应于N-H伸缩振动，2921 cm^-1和2852 cm^-1处的峰分别对应于-CH₂和-CH₃基团的C-H伸缩振动。此外，1649 cm^-1处的峰归属于C=N键的振动。

结论

本文采用实验和理论方法研究了含有两条疏水长链和两个亲水基团的双子咪唑啉季铵盐。得出以下结论：

(1)

通过季铵化反应成功合成了双子咪唑啉季铵盐，这一点通过FT-IR和NMR光谱得到了证实。

(2)

利用重量损失法和电化学技术评估了OIM-7的缓蚀效率，结果显示

CRediT作者贡献声明

刘焕荣：研究、数据分析、方法论、软件、初稿撰写。杜楚南：概念设计、方法论。刘慧峰：数据分析。郝春莲：软件使用、数据整理。王伟：方法论指导。王刚：监督、撰写与审稿。

CRediT作者贡献声明

刘焕荣：方法论、研究、数据分析、概念设计。刘慧峰：数据分析。王刚：监督。郝春莲：软件使用、数据分析。杜楚南：方法论、研究、概念设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果

致谢

本工作得到了中国国家科技重大项目（项目编号2025ZD1407102）和东营市科技发展基金（项目编号DJ2023007）的支持