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通过化学CO?固定至太阳flower油合成两种可生物降解腐蚀抑制剂，有效降低含H?S和CO?的油场环境中碳钢腐蚀率，其中EBCI-2抑制率达98.1%。研究结合实验分析与理论计算，验证了新型绿色抑制剂在腐蚀防护与环保减排中的双重效益。
阿卜杜勒雷扎·法赫迪安（Abdolreza Farhadian）| 阿利雷扎·拉希米（Alireza Rahimi）| 阿夫尼·贝里沙（Avni Berisha）| 达尼埃尔·伊拉瓦尼（Danial Iravani）| 康玉洁（Yujie Qiang）| 阿米尔侯赛因·德赫加纳扎德（Amirhossein Dehghanazad）| 穆罕默德·雷扎·纳比德（Mohammad Reza Nabid）
喀山联邦大学石油工程系，克列姆列夫斯卡亚街18号，420008，喀山，俄罗斯联邦
摘要
由于酸性天然气储层储量丰富，且相比煤炭和石油燃烧更清洁，其安全开发对全球能源行业日益重要。然而，这些储层存在硫化氢和二氧化碳，会导致低碳钢（MS）基础设施严重腐蚀。本研究提出了一种新策略，通过将二氧化碳化学固定到葵花籽油中，合成易于生物降解的腐蚀抑制剂（EBCIs），以减轻酸性环境中的MS腐蚀。研究开发了两种具有不同烷基侧链的抑制剂EBCI-1和EBCI-2。采用多种技术方法进行测试，包括重量损失测试、电化学测量（电位动力学极化和电化学阻抗谱分析）以及先进的表面表征。使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）、扫描开尔文探针（SKP）和X射线光电子能谱（XPS）研究了MS样品的表面形态和成分。此外，通过计算模拟（包括密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）对实验结果进行了验证和解释。电化学测量显示腐蚀电流密度显著降低，电荷转移阻力增强，证实了这些抑制剂具有混合型抑制作用。EBCI-2的抑制效果为98.1%，略优于EBCI-1（96.8%），这得益于其较长的丁基链，增强了疏水性和吸附稳定性。表面分析表明，经过EBCI处理的MS表面更光滑、更完整，表面粗糙度和腐蚀峰显著减少。SKP和XPS验证了有效的膜形成，阴离子物种减少，N–Fe化学键强，表明吸附牢固。理论研究表明，两种抑制剂在模拟腐蚀条件下具有高电子反应性和吸附强度，尤其是EBCI-2。生物降解性测试显示，EBCI-1和EBCI-2在28天内分别降解了72%和66%。通过将二氧化碳回收整合到功能性材料设计中，并提供环保的防腐措施，本研究为腐蚀性工业环境中的绿色工程提供了有力模型。这种双重用途策略——腐蚀抑制和环境缓解——使EBCIs成为油田应用中绿色化学解决方案的有希望的候选者。
引言
酸性天然气储层富含天然气资源，是满足全球对清洁化石燃料需求的宝贵资源[1]、[2]。这些储层中的天然气含有大量硫化氢（H2S）和/或二氧化碳（CO2）[3]、[4]，不仅有助于实现更可持续的能源结构，还能减少温室气体排放，从而在满足世界能源需求的同时降低气候变化的影响[1]、[2]。然而，腐蚀是酸性气田开发中的主要问题[3]、[5]。酸性天然气储层中的H2S、CO2、水和氯化物对生产过程中使用的设备和基础设施的完整性构成重大挑战[3]、[6]、[7]。H2S会导致金属表面逐渐腐蚀[5]、[8]，同时酸性气体环境还会促进局部腐蚀，如点蚀和缝隙腐蚀[9]。在设备上涂覆保护涂层和使用腐蚀抑制剂是常见的防腐措施[9]、[10]。有机抑制剂（通常是成膜型或吸附型抑制剂）在酸性天然气生产中得到广泛应用[11]、[12]、[13]。含有杂原子和双键、三键及芳香环等结构特征的化合物常被用作腐蚀抑制剂[14]、[15]、[16]，例如咪唑啉、季铵盐和脂肪酸[17]、[18]、[19]、[20]。这些化学物质可作为防止H2S和CO2腐蚀的屏障[13]、[21]。腐蚀抑制剂通过在金属表面形成保护膜或吸附层，阻断金属与腐蚀剂的直接接触[10]、[18]，从而有效降低设备故障风险，延长设备寿命，确保安全可靠的天然气生产[10]、[13]。近年来，聚合物腐蚀抑制剂因具有多种优势而用于不同腐蚀介质中的金属防腐[10]、[22]、[23]，它们可以设计成具有多个吸附基团，与金属表面形成更强相互作用[24]、[25]、[26]，这可通过调整聚合物链中的重复单元数量实现。此外，共聚作用可将不同吸附基团整合到单一聚合物中，可能产生协同效应并提高抑制性能[27]、[28]。
尽管腐蚀抑制剂对于保护酸性气体生产环境中的设备至关重要，但其合成通常涉及多个复杂步骤和具有挑战性的纯化过程[14]、[29]。此外，这些抑制剂对环境的影响日益受到关注[30]、[31]、[32]。虽然它们在安全性和经济效率方面具有显著优势，但对其潜在的环境风险需要谨慎考虑[18]、[33]。因此，设计具有改进生物降解性的环保抑制剂对于开发酸性气田至关重要[30]、[34]、[35]。绿色抑制剂来源于天然物质，如植物提取物、药物、氨基酸、天然油脂、生物聚合物和离子液体[14]、[30]、[36]、[37]、[38]、[39]，与传统化学抑制剂相比，它们具有可再生、可生物降解且对环境危害较小的优点[7]。近年来，人们越来越关注开发和利用绿色腐蚀抑制剂来保护金属免受各种腐蚀环境的影响[7]。然而，针对酸性介质定制的生物基抑制剂的研究仍有限[30]、[33]、[34]。为填补这一知识空白，有必要进一步投入研究和开发工作，设计和合成新型高性能的绿色抑制剂，以应用于酸性气田。
二氧化碳（CO2）确实是一种强大的温室气体，对全球气候变化有显著影响[40]。将二氧化碳固定成有价值的材料（如环状和聚合物碳酸盐）是解决两个重要挑战的有效方法：减少温室气体排放和创造可持续材料[41]、[42]、[43]、[44]。这种方法利用了丰富且易于获取的资源，减少了对不可再生资源的依赖，促进了更可持续的资源管理[42]、[45]。此外，二氧化碳固定还有助于实现碳中和和碳抵消目标[43]、[46]。捕获和再利用二氧化碳为抵消其他来源的排放和实现更平衡的碳循环提供了有效途径[45]、[47]。本研究的目的是合成易于生物降解的腐蚀抑制剂（EBCIs），以减轻H2S和CO2饱和油田产出溶液中的MS腐蚀。为此，我们将二氧化碳固定到葵花籽油的分子结构中，这是一种可再生和可持续的资源。这种创新方法不仅旨在提高抑制剂的环境兼容性和可降解性，还旨在通过将废弃的二氧化碳转化为EBCIs的有价值成分，提高天然气生产过程的整体可持续性。通过将温室气体转化为高价值的功能性材料，本研究将碳回收与环保腐蚀抑制剂的设计相结合，为腐蚀性工业应用（特别是石油和天然气行业）中的绿色化学原理提供了有力模型。
材料
葵花籽油由Ladan公司提供。葵花籽油的表征结果见支持信息（图S1和表S1）。乙胺、丁胺、四丁基溴化铵、硫酸镁、过氧化氢、甲酸、碳酸氢钠、二氯甲烷和乙酸乙酯由Sigma公司提供。腐蚀实验使用的是油田生产的水，其成分见表S1。所有测试均在低碳钢（MS）上进行。
重量损失测试
图2显示了在不同浓度的EBCI-1和EBCI-2存在下，60°C时重量损失测量的结果。如图2所示，在没有抑制剂的情况下，MS的耐腐蚀性较差，腐蚀速率为0.496 mm y?1，表明在这些恶劣条件下材料发生严重降解。然而，引入EBCI-1和EBCI-2后，所有测试浓度下的腐蚀率均显著降低。
结论
本研究通过将二氧化碳化学固定到葵花籽油衍生的聚碳酸酯框架中，合成了易于生物降解的腐蚀抑制剂（EBCI-1和EBCI-2），这两种抑制剂具有不同的烷基侧链。这种方法不仅旨在提高抑制剂的环境兼容性和可降解性，还通过将废弃的二氧化碳转化为有价值成分，促进了资源的可持续利用。
作者贡献声明
阿卜杜勒雷扎·法赫迪安（Abdolreza Farhadian）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，资源协调，项目管理，研究调查，资金获取，概念构思。阿夫尼·贝里沙（Avni Berisha）：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件应用，资源协调，研究调查，形式分析。阿利雷扎·拉希米（Alireza Rahimi）：验证，资源协调，研究调查，形式分析。康玉洁（Yujie Qiang）：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，形式分析。达尼埃尔·伊拉瓦尼（Danial Iravani）：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本项工作得到了鞑靼斯坦共和国科学技术基金在2025年的资助，用于支持鞑靼斯坦共和国的科学和教育机构、企业以及实体经济组织的基础和应用科学研究。
