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Jul 13, 2023

Wirksame Hemmung der Korrosion von T95-Stahl in einer 15 Gew.-%igen HCl-Lösung durch eine Mischung aus Aspartam, Kaliumiodid und Natriumdodecylsulfat

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13085 (2023) Diesen Artikel zitieren 223 Zugriffe 2 Altmetric Metrics Details Ziel 12 für nachhaltige Entwicklung befürwortet die Produktion und den Verbrauch von Grün

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13085 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ziel 12 für nachhaltige Entwicklung befürwortet die Produktion und den Konsum grüner und nachhaltiger Rohstoffe. Daher wächst der Druck auf die Öl- und Gasindustrie, einen Paradigmenwechsel vorzunehmen. Diese Arbeit untersucht das Potenzial einer auf Aspartam (einem Derivat von Asparaginsäure und Phenylalanin) basierenden Formulierung als grüner Inhibitor. Die hemmende Wirkung von Aspartam allein und in Kombination mit Kaliumiodid (KI) oder Natriumdodecylsulfat (SDS) oder beiden auf T95-Stahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung bei 60–90 °C wird mittels Gewichtsverlust-, elektrochemischer und Oberflächenanalyse untersucht Techniken. Die Ergebnisse zeigen eine starke Metallkorrosion, insbesondere bei 90 °C, mit einer Korrosionsrate (v) von 186,37 mm/Jahr. Aspartam hemmt Korrosion und seine Hemmwirkung (η) steigt mit steigender Temperatur. Bei 6,80 mM wird bei 90 °C ein η von 86 % erhalten. Der Zusatz von SDS zu Aspartam erzeugt eine antagonistische Wirkung. Eine KI-Aspartam-Mischung erzeugt bei 60 °C und 70 °C eine antagonistische Wirkung, bei 80 °C und 90 °C jedoch eine synergistische Wirkung. Es besteht eine starke Synergie, wenn Aspartam (6,80 mM), KI (1 mM) und SDS (1 mM) gemischt werden, insbesondere bei höheren Temperaturen. Die Mischung reduziert v von 186,37 auf 14,35 mm/Jahr und schützt die Metalloberfläche bei 90 °C um 92 %. Die Mischung kann als säuernder Korrosionsinhibitor angesehen werden.

Während die Kampagnen für eine umweltfreundliche und nachhaltige Herstellung und Nutzung von Chemikalien intensiviert werden, steht die Öl- und Gasindustrie aufgrund der Besonderheiten des Sektors unter einem zunehmenden Übergangsdruck. Jede operative Phase in der Branche stellt ein schwieriges Terrain dar, um in die neue „grüne Welt“ vorzudringen. Beispielsweise basieren die aktuellen chemischen Korrosionsinhibitorzusammensetzungen auf primären Aminen, quartären Salzen von Aminen, Imidazolinen, Tensiden, Verstärkern usw.1,2. Die Verpackung ist so konzipiert, dass sie unter Hochflussbedingungen tensidähnliche Filmbildungs- und Persistenzeigenschaften3 aufweist und unter verschiedenen Feldbedingungen eine hervorragende Hemmleistung aufweist. Die Formulierung auf organischer Basis war ein Meilenstein und wurde hoch gelobt, da sie als perfekter Ersatz für die leistungsschwachen Produkte Natriumarsenit und Natriumferrocyanid2 galten, obwohl sie bei Hochtemperaturanwendungen4,5 nur begrenzt einsetzbar sind, was in vielen Forschungsarbeiten6 versucht wurde, anzugehen. Die Bedenken hinsichtlich ihres gefährlichen Beitrags zur Umwelt7 im Zusammenhang mit Meerestoxizität (inhärente toxische Eigenschaft der meisten stickstoffbasierten Verbindungen8) und mangelnder biologischer Abbaubarkeit führen jedoch dazu, dass sie für den Einsatz in streng regulierten Offshore-Umgebungen weniger akzeptabel sind9. Wissenschaftler im Bereich Korrosionsinhibitoren stehen nun vor dem Dilemma, Korrosionsinhibitoren herzustellen, die hochwirksam sind und unter Strömungsbedingungen bestehen bleiben, aber biologisch abbaubar und umweltverträglich sind.

Aspartam (Abb. 1a), (N-(l-α-Aspartyl)-l-phenylalanin) ist ein Derivat von Asparaginsäure und Phenylalanin mit der Zulassung der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zur Verwendung als künstlicher Süßstoff Lebensmittel- und Arzneimittelindustrie10. Es ist kostengünstig, hat eine LD50 (oral) von 10.000 mg/kg11 und enthält in seinem Molekül die Heteroatome O und N als mögliche Adsorptionszentren (Abb. 1a). Neben den oben genannten Eigenschaften ist das Interesse an Aspartam in dieser Studie auch auf seinen hohen Schmelzpunkt von 246–247 °C zurückzuführen. Der Schmelzpunkt eines Moleküls ist ein wichtiger Parameter, der bei der Entwicklung für Hochtemperaturanwendungen wie die Ansäuerung von Ölquellen berücksichtigt werden muss. In einer früheren Forschungsarbeit12 wurde festgestellt, dass Aspartam ein vielversprechender säurebildender Korrosionsinhibitor ist. Seine Hemmwirkung nahm mit zunehmender Temperatur zu und erreichte 86 % bei 90 °C. Diese Arbeit ist eine Erweiterung der vorherigen und zielt darauf ab, Verbindungen zu identifizieren, die als Verstärker wirken könnten, um die Korrosionshemmungseigenschaft von Aspartam für T95-Stahl in einem stark sauren Medium (15 Gew.-% HCl) bei hohen Temperaturen (60–90 °C) zu verstärken ). Elektrochemische Frequenzmodulations- (EFM) und Gewichtsverlusttechniken (WL) werden verwendet, um die vorherigen Ergebnisse erneut zu validieren12. Die Wirkung der Zugabe von Kaliumiodid oder Natriumdodecylsulfat (SDS, Abb. 1b) oder beiden auf die Hemmleistung von Aspartam wird mithilfe von WL, elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS), potentiodynamischer Polarisation (PDP) und Rasterelektronenmikroskop untersucht ( SEM) und optisches Profilometer (OP).

Chemische Struktur von (a) Aspartam und (b) Natriumdodecylsulfat.

Die Stahlsorte T95-2 (der Einfachheit halber wird im Manuskript T95 verwendet) ist für ihre hohe Festigkeit und Beständigkeit gegen Sulfidspannungskorrosion bekannt, was sie zum bevorzugten Material für Öl- und Gasbohrrohre macht13,14. Nichtsdestotrotz wirken sich Bohrlochstimulationsaktivitäten wie das Ansäuern, bei dem eine starke Säurelösung in ein Reservoir gepumpt wird, um Strömungskanalbarrieren aufzulösen15, negativ auf die Korrosionsbeständigkeitseigenschaft des Rohrs aus. Die übliche Praxis bestand in der Anreicherung der Säurelösung mit einem wirksamen Korrosionsinhibitor15, der die Grundlage für die Korrosionsinhibitorforschung bei Säurekonzentrationen von 15–28 Gew.-% bildet. Subramania et al.16 untersuchten die hemmende Wirkung von 1-Cinnamylidin-3-thiocarbohydrazid (CTCH) und 1,1′-Dicinnamylidin-3-thiocarbohydrazid (DCTCH) auf die Auflösung von Kohlenstoffstahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung. Es wurde festgestellt, dass 1500 ppm CTCH bei 110 °C die Korrosionsrate des Metalls von 14.417,0 auf 255,96 mm/Jahr reduzierten und die Metalloberfläche um 98,2 % schützten. Bei der gleichen Temperatur und Konzentration wurde für DCTCH anhand der Gewichtsverlusttechnik eine Korrosionsrate und eine Inhibitionseffizienz von 140,31 mm/Jahr bzw. 99,0 % aufgezeichnet. Es wurde berichtet, dass eine Formulierung bestehend aus 1,0 mM N-Acetylcystein + 10–5 M Glutathion + 10–5 M KI eine Hemmungseffizienz von 91,4 % bei 90 °C auf X80-Stahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung lieferte17. Dicinnamylidenaceton, Disalicylidenaceton, Divanillidenaceton18, N-(2-(2-Tridecyl-4,5-dihydro-1H-imidazol-1-yl)ethyl)tetradecanamid19, (E)-5-amino-3-(4- Methoxyphenyl)-N′-(1-(4-methoxyphenyl)ethyliden)-1H-pyrazol-4-carbohydrazid, (E)-5-amino-N′-(4-chlorbenzyliden)-3-(4-chlorphenyl)- Unter anderem wurde 1H-Pyrazol-4-carbohydrazid20 als Korrosionsinhibitor für Kohlenstoffstahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung beschrieben. Wie bereits erwähnt, sind Umweltbedenken und die komplizierten Syntheseverfahren für einige dieser Verbindungen die Einschränkungen. In dieser Mitteilung wird daher eine Formulierung auf Aspartambasis als umweltfreundlicher und nachhaltiger Korrosionsinhibitor für den Ansäuerungsprozess vorgestellt.

Aspartam (CAS-Nr.: 22839-47-0, Molmasse: 294,3 g/mol), KI, SDS, HCl (37 %) und Ethanol wurden von der Firma Merck (USA) bezogen. Sie waren von analytischer Qualität. Die Stahlsorte T95 mit der in Uzoma et al.12 angegebenen Zusammensetzung wurde von Wuhan Corrtest Instruments Corp., Ltd, China, bezogen. Die Abmessung der für Gewichtsverluststudien verwendeten Proben betrug 2 × 2 × 1 und die Oberfläche (A) wurde nach Gleichung (1) berechnet. (1)21.

Dabei ist w die Breite (cm), d die Dicke (cm) und l die Länge (cm). Bei den für die elektrochemischen Untersuchungen verwendeten Proben betrug die freiliegende Oberfläche 1 cm2. Die Oberflächenvorbehandlung folgte dem in ASTM G1-9022 aufgeführten Verfahren. Der mechanische Oberflächenabrieb wurde mit dem metallografischen Schleifgerät EcoMet (Buehler Co., USA) mit Schleifpapieren der Körnung #120 bis #2000 durchgeführt. Bei Raumtemperatur ist Aspartam in Wasser nicht leicht löslich. Daher wurde die Stammlösung (339,79 mM) durch Auflösen der entsprechenden Menge in einer Mischung aus Ethanol und destilliertem Wasser im Verhältnis 1:1 (20 ml) hergestellt. Die experimentellen Konzentrationen von Aspartam (1,70 mM und 6,80 mM) wurden durch Reihenverdünnung der Stammlösung mit 15 Gew.-% HCl-Lösung erhalten. Die in der Studie berücksichtigten Konzentrationen von KI und SDS betragen 1, 3 und 5 mM.

Vor dem Versuch wurde das Gewicht der vorbereiteten Proben gemessen und als Ausgangsgewicht notiert. Versiegelte Reaktionsflaschen (150 cm3 Fassungsvermögen) mit entsprechendem Etikett (z. B. Leerwert, 1,70 mM Aspartam usw.) wurden mit 100 cm3 der jeweiligen Lösungen gefüllt und auf ein digitales thermostatisches Wasserbad gestellt, damit die Lösungen die untersuchte Temperatur erreichen. Die untersuchten Temperaturen betrugen 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C. Ein Thermometer wurde verwendet, um zu bestätigen, dass die Temperatur der Flaschenlösungen den Erwartungen entsprach. Anschließend wurden die vorbereiteten Proben in dreifacher Ausfertigung mit Hilfe eines Fadens frei in jede der Flaschen gehängt, die Flaschen wurden verkorkt und 4 Stunden lang bei der untersuchten Temperatur stehen gelassen. Anschließend wurden die korrodierten Proben entnommen, 10 Minuten lang in eine Beizlösung (50 g NaOH + 200 g granulierter Zn-Staub, mit destilliertem Wasser auf 1000 ml aufgefüllt22) getaucht, vorsichtig unter fließendem Wasser und Aceton geschrubbt, mit warmer Luft getrocknet und erneut -gewogen. Der Gewichtsverlust (g), die Korrosionsrate (mm/Jahr) und die Inhibitionseffizienz (ηWL %) wurden wie folgt berechnet23:

Dabei ist \(WL\) der durchschnittliche Gewichtsverlust (g), \({W}_{i}\) das Gewicht der Probe vor Korrosionsuntersuchungen (g), \({W}_{f}\) ist das Gewicht der Probe nach den Korrosionsuntersuchungen, \(\rho\) ist die Dichte in g/cm3, t ist die Eintauchzeit (h), \({v}_{0}\mathrm{ und }{v} _{i}\) sind die Korrosionsraten der Probe in der Blindlösung bzw. in der inhibierten Lösung.

Die elektrochemischen Nasskorrosionstests, nämlich EFM, EIS und PDP, wurden in einer Arbeitsstation bestehend aus einer T95-Stahl-Arbeitselektrode, einer Ag|AgCl (3 M KCl)-Referenzelektrode und einer Graphitstab-Gegenelektrode über einen Gamry Potentiostat/Galvanostat durchgeführt /ZRA Reference 600-Gerät. Nach Erreichen der Potentialstabilität im Leerlauf (3600 s Verzögerung) wurden die EIS-Daten am OCP mit einer Störungspotentialamplitude von ± 10 mV im Frequenzbereich von 0,01 Hz bis 100.000 Hz erfasst. Die Analyse dieser Daten wurde mit der Echem-Software durchgeführt. Der ηEIS wurde mithilfe von Gl. geschätzt. (5)24.

wobei \({R}_{p(0)}\) und \({R}_{p(1)}\) die Polarisationswiderstände in Korrodent ohne bzw. mit Zusätzen sind, \({R}_{ \mathrm{f}}\) ist der Widerstand des Oberflächenoxids oder des adsorbierten Films und \({R}_{\mathrm{ct}}\) ist der Ladungsübertragungswiderstand24.

EFM-Daten wurden gesammelt, indem die Grundfrequenz, die angelegte Amplitude und die Multiplikatorfrequenzen A und B auf 1 Hz, 10 mV, 2 Hz bzw. 5 Hz eingestellt wurden. Pro Messung wurde eine Sinuswellenform von 32 Zyklen aufgezeichnet. Schließlich wurde die Arbeitselektrode bei einem OCP-Potential von ± 250 mV mit einer Scanrate von 0,2 mVs−1 polarisiert, um die PDP-Daten zu erhalten. Die Korrosionsstromdichte (icorr) wurde für die Schätzung sowohl von \({\eta }_{\mathrm{EFM}}\) als auch von ηPDP nach Gl. verwendet. (7).

Die Morphologie und die Elementzusammensetzung der T95-Proben vor und nach der Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung ohne und mit Zusatzstoffen für 4 Stunden bei 60 °C und 90 °C wurden mit einem JEOL JSM-6610 LV Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht. Ausgestattet mit einem energiedispersiven Röntgenspektroskopie-Detektor (EDX). Zur Charakterisierung der Oberflächenrauheit wurde ein 5420-Rasterkraftmikroskop (N9498S, Agilent Technologies, UK) verwendet, das im Kontaktmodus unter normalen Bedingungen betrieben wurde. Ein optisches 3D-Profilometer (Contour GT-K, Bruker Nano GmBH, Berlin, Deutschland) wurde verwendet, um die 3D-Topographien der T95-Stahlproben vor und nach 4-stündiger Exposition gegenüber ungeschützten und geschützten 15 Gew.-%igen HCl-Lösungen bei 60 °C zu untersuchen und 90 °C.

Der Autor hat die Zustimmung der University of Nottingham Ningbo China zur Veröffentlichung dieser Arbeit.

Die EIS- und PDP-Techniken wurden zuvor verwendet, um die Hemmleistung von Aspartam für T95-Stahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung bei 60–90 °C zu untersuchen12. Bevor mit den Studien zur synergistischen Hemmung fortgefahren wird, die im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen, wurden die vorherigen Ergebnisse mithilfe der klassischen WL- und EFM-Techniken validiert. Insbesondere die EFM-Technik wurde aufgrund des internen Datenvalidierungsmechanismus, dem sogenannten Kausalitätsfaktor23, gewählt. Wie bekannt ist25, beträgt der Idealwert der Kausalitätsfaktoren 2 (CF2) und 3 (CF3) 2 bzw. 3. Daher müssen experimentell ermittelte Werte im Bereich von 0–2 und 0–3 liegen, damit die Ergebnisse aussagekräftig sind. Abbildung 2 zeigt EFM-Spektren für T95 in 15 Gew.-% HCl-Lösung in Abwesenheit und Anwesenheit von 1,70 mM oder 6,80 mM Aspartam bei 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C. Die aus der Analyse der EFM-Daten abgeleiteten Icorr-, Anoden- und Kathodensteigungen (βa und βc), CF2- und CF3-Werte sind in Tabelle 1 angegeben. ηEFM wurde wie zuvor angegeben unter Verwendung von Gleichung berechnet. (7).

Intermodulationsspektrum, aufgezeichnet für T95-Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung in Abwesenheit und Anwesenheit ausgewählter Konzentrationen von Aspartam bei verschiedenen Temperaturen.

In Tabelle 1 liegen CF2 und CF3 im akzeptablen Bereich, was auf einen günstigen Kausalzusammenhang zwischen Störung und Signal23 und zuverlässige Ergebnisse hinweist. Die Spektren in Abb. 2 enthalten alle starke harmonische und Intermodulationssignale sowie schwache Hintergrundrauschsignale. Eine genaue Betrachtung der EFM-Spektren zeigt, dass die harmonischen und Intermodulationssignale mit zunehmender Frequenz unterdrückt werden, insbesondere in den aspartamhaltigen Systemen. Laut Liu et al.23 ist dies auf einen Rückgang der Ikorr zurückzuführen. Eine Untersuchung von Tabelle 1 zeigt, dass der Icorr-Wert der T95-Stahlprobe in der leeren Säurelösung leicht von 182,9 bei 60 °C auf 167,7, 166,5 und 165,0 µA cm-2 bei 70 °C, 80 °C und 90 abnahm °C, was jeweils auf die leichte Hemmwirkung der auf der Oberfläche abgelagerten Korrosionsprodukte hinweist. Der Icorr-Wert für die Aspartam-inhibierten Systeme verringert sich merklich und das Ausmaß der Verringerung ist konzentrations- und temperaturabhängig. Sie nimmt mit zunehmender Konzentration und Temperatur ab. Der niedrigste Icorr-Wert wird bei 90 °C beobachtet, wo er in der 6,80 mM Aspartam enthaltenden Lösung von 165,0 auf 42,5 µA cm−2 abnahm. Folglich nimmt die Hemmwirkung von Aspartam mit steigender Konzentration und Temperatur zu. Ein ähnlicher Trend wurde in früheren Studien beobachtet12. In dem Bericht wurde eine Hemmungseffizienz von 47 %, 51 %, 62 % und 85 % für 6,80 mM Aspartam bei 60 °C, 70 °C, 80 °C bzw. 90 °C anhand der EIS-Technik angegeben. In der aktuellen Arbeit beträgt der ηEFM für 6,80 mM Aspartam 46 %, 52 %, 62 % bzw. 74 % bei 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C. Die Ergebnisse der beiden Techniken stimmen hervorragend überein und bestätigen daher die hemmende Wirkung von Aspartam im untersuchten Medium. Darüber hinaus wurde für Aspartam ein Hemmmechanismus vom gemischten Typ vorgeschlagen. Ein genauer Blick auf die βa- und βc-Werte in Tabelle 1 zeigt, dass es keinen Notenunterschied gibt. Beispielsweise beträgt bei 80 °C der βa-Wert 21,7 mV dec-1, während der βc-Wert 26,7 mV dec-1 für das 6,80 mM Aspartam-inhibierte System beträgt. Dies bestätigt erneut den Korrosionsmechanismus vom gemischten Typ. Darüber hinaus folgen die v- und ηWL-Werte (Tabelle 1) aus der Gewichtsverlustmethode dem für icorr und ηEFM festgestellten Trend. Da jedoch ηWL aus der Messung der durchschnittlichen Korrosionsrate26 stammt, während ηEFM aus der Messung der momentanen Korrosionsrate stammt, ist ηWL etwas größer als ηEFM. Der Anstieg von ηEFM und ηWL mit steigender Temperatur der Lösung weist auf die Chemisorption von Aspartam hin Moleküle auf der Stahloberfläche27. Dies könnte durch die Abgabe von Elektronenpaaren von den Heteroatomen (N und O) von Aspartam (Abb. 1a) an das tief liegende leere d-Orbital ([Ar]3d6) von Fe2+27 möglich sein.

Die Gewichtsverlusttechnik wurde angewendet, um die individuelle Hemmleistung von KI und SDS gegen T95-Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung in einem Temperaturbereich von 60–90 °C zu untersuchen. Um bei der Wahl der Konzentration für synergistische Studien eine Orientierung zu geben, wurden drei Konzentrationen, nämlich 1 mM, 3 mM und 5 mM, untersucht. Die berechneten Werte von WL, v, Oberflächenbedeckung (θ) und ηWL für T95-Korrosion im korrodierten Material, das frei von und mit den gewählten Konzentrationen von KI oder SDS ist, bei verschiedenen Temperaturen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Wie erwartet sind WL und v Sowohl in ungehemmten als auch in gehemmten Systemen nehmen sie mit steigender Temperatur zu, da die kinetische Energie der angreifenden Spezies entsprechend zunimmt28. Sowohl KI als auch SDS weisen korrosionshemmende Eigenschaften auf. Es ist zu erkennen, dass die WL- und v-Werte in den additivhaltigen Systemen bei allen Temperaturen abnehmen. Die θ- und ηWL-Werte zeigen an, dass die Additive auf der Stahloberfläche adsorbieren, einige Bereiche abdecken und einen gewissen Schutz gegen die Korrosion der Metalloberfläche bieten. Der ηWL-Wert der Zusatzstoffe, der im Bereich von 35–10 % liegt, nimmt mit zunehmender Konzentration und Temperatur ab. Die beste Hemmleistung wird bei einer Konzentration von 1 mM und bei 60 °C erzielt.

Es wurde experimentell nachgewiesen, dass Jodidionen (I−) aufgrund ihrer spezifischen Adsorption einen gewissen Grad an Hemmung gegen Fe-Korrosion in sauren Medien zeigen29,30,31. Farag und Hegazy29 berichteten über eine Inhibitionseffizienz von 82,7 % für den Korrosionsschutz von Kohlenstoffstahl in 0,5 M H2SO4-Lösung durch 0,05 M KI bei 25 °C. Haruna et al.32 berichteten über einen Hemmwirkungsgrad von 70,42 % für 2,5 Gew./Vol. % KI gegen die Korrosion von X60-Kohlenstoffstahl in 15 Gew. % HCl bei 25 °C. Feng et al.33 beobachteten jedoch eine schwankende Hemmleistung durch Iodidionen mit steigenden Konzentrationen, die für die Beobachtung in dieser Arbeit typisch ist (Tabelle 2). In einer sauren Lösung mit gelöstem Sauerstoff und einem Potential von etwa 0,625 VSHE oder 0,381 VSCE werden I−-Ionen zu \({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)-Ionen oxidiert (Gl. 8–10). )33.

Feng et al.33 stellten fest, dass die Bildung des Triiodidions (\({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)) die Hemmungseffizienz von I− eher verringerte. Wenn die \({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)-Spezies nicht so viel Hemmung bewirken wie die I-Ionen, bedeutet dies, dass weniger I-Ionen für die Adsorption und den Schutz des Stahls zur Verfügung stehen Oberfläche bei höheren KI-Konzentrationen und Temperaturen. Die Oxidation von I-Ionen zu \({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)-Ionen sollte mit steigender Temperatur des Systems zunehmen. Für höhere Konzentrationen sollten mehr I-Ionen für die Oxidation zu \({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)-Ionen zur Verfügung stehen. Dies könnte der Grund für den abnehmenden Trend der Hemmwirkung von KI mit steigender Konzentration und Temperatur sein. Es sollte auch erwähnt werden, dass die Hemmung von KI in 15 Gew.-% HCl bei 60–90 °C deutlich abnimmt, verglichen mit dem Wert, der für das gleiche korrosive Medium, aber bei niedrigeren Temperaturen angegeben wurde32. Dies deutet weiter auf die Möglichkeit hin, dass \({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)-Ionen weniger hemmend wirken als I-Ionen. Es wird interessant sein, die Hemmwirkung verschiedener Arten von Iodidionen zu untersuchen.

Für das SDS schlugen Tan et al.34 auf der Grundlage molekularer Simulationsergebnisse vor, dass der Mechanismus der Hemmung der Auflösung von Kohlenstoffstahl in 1 M HCl bei 25 °C durch SDS auf der Bildung einer selbstorganisierten hydrophoben Barriere auf der Metalloberfläche aufgrund von a beruht Verbindung zwischen der polaren Sulfonsäuregruppe und den Fe-Atomen und die Ausbreitung der langen Alkylkette in Lösung. Die Autoren stellten jedoch fest, dass es bei einer Erhöhung der SDS-Konzentration von 1 mM (68,6 %) auf 5,0 mM (69,5 %) keine signifikante Änderung des Hemmungseffizienzwerts gab. Es ist sinnvoll, den beobachteten Rückgang der Hemmwirkung von SDS mit zunehmender Konzentration und Temperatur auf die Sättigung bzw. Ablösung des Systems zurückzuführen.

Für Studien zur synergistischen Hemmung mit Aspartam wurde die 1-mM-Konzentration von KI und SDS gewählt, da diese die höchste Hemmwirkung aufwies. Die Ergebnisse der synergistischen Studien der Gewichtsverlusttechnik sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die Formulierung bezeichnet eine Mischung aus 6,80 mM Aspartam mit 1 mM KI und SDS. Eine interessante Beobachtung wird in Tabelle 3 gemacht. Die Zugabe von KI zu Aspartam verstärkt die Hemmleistung bei allen Temperaturen, während bei der Kombination Aspartam + SDS das Gegenteil beobachtet wird. Beispielsweise beträgt die ηWL von Aspartam bei 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C 50 %, 58 %, 63 % bzw. 86 % (Tabelle 1). In Kombination mit 1 mM KI verbessert sich die Leistung auf 59 %, 66 %, 69 % und 90 % bei 60 °C, 70 °C, 80 °C bzw. 90 °C. Bei einer Kombination mit 1 mM SDS nimmt die Hemmleistung jedoch bei 60 °C bzw. 80 °C auf 41 % bzw. 58 % ab und bleibt bei 70 und 90 °C gleich (Tabelle 3). Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass I-Ionen, die bevorzugt im anodischen Bereich adsorbiert werden, eine negative Substratoberfläche erzeugen, die protonierte Aspartammoleküle elektrostatisch anzieht. An der Oberfläche sorgten jedoch molekulare Wechselwirkungen, die durch den Chemisorptionsprozess mit Elektronenabgabe von den Aspartam-Heteroatomen und der Aufnahme von Fe (in Stahl) durch die 3d-Orbitale verursacht wurden, für Sicherheit. Somit sind I-Ionen an der Stabilisierung der adsorbierten Aspartammoleküle29,35 beteiligt. Im Fall von SDS erfolgt laut Tan et al.34 die Adsorption von SDS-Molekülen auf einer Stahloberfläche in einer HCl-Lösung über die S- und O-Atome der polaren Sulfonsäuregruppe. Die Heteroatome bilden kovalente Bindungen mit Fe-3d-Orbitalen. Aber zunächst wird die negative Ladung am Polkopf von SDS die kolumbianische Anziehung zum Anodenbereich erleichtern. Daher kommt es zu einer Interferenzadsorption zwischen SDS und Aspartam an der Anode. Dies könnte der Grund für die beobachtete nachlassende Hemmleistung der Aspartam-SDS-Mischung im Vergleich zu Aspartam allein sein.

Es ist von Vorteil, Aspartam, KI und SDS lieber zu mischen. Die Jodidionen scheinen zur Stabilisierung sowohl der Aspartam- als auch der SDS-Adsorption beigetragen zu haben. Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist die Hemmwirkung der Formulierung bei allen Temperaturen höher als die der Aspartam-KI-Mischung. Der für die Formulierung bei 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C aufgezeichnete ηWL-Wert beträgt 70 %, 79 %, 89 % bzw. 91 %. Neben dem hohen ηWL-Wert, der für die Formulierung bei den verschiedenen Temperaturniveaus erzielt wurde, ist auch auf die nahezu konstante Korrosionsrate des Stahls bei allen Temperaturen hinzuweisen. Der v beträgt trotz Erreichens 8,67 ± 1,73 mm/Jahr, 12,14 ± 1,73 mm/Jahr, 10,41 ± 3,47 mm/Jahr und 13,88 ± 5,20 mm/Jahr bei 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C 149,54 ± 8,67 mm/Jahr bei 90 °C in der Blindlösung. Dies weist darauf hin, dass die Formulierung bei hohen Temperaturen wirksam und stabil ist. Daher können KI und SDS verwendet werden, um die Adsorptionsstabilität von Aspartam auf Stahl bei hohen Temperaturen zu verbessern.

Abbildung 3 zeigt die elektrochemischen Nyquist-Diagramme für T95-Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung ohne und mit 6,80 mM Aspartam allein und in Kombination mit 1 mM KI oder 1 mM SDS oder beidem bei 60–90 °C. Die für die Stahlkorrosion in der ungeschützten Säurelösung gezeichneten Nyquist-Diagramme zeigen eine kapazitive Schleife bei hohen Frequenzen (HF) und eine induktive Schleife bei niedrigen Frequenzen (LF) bei allen Temperaturen außer bei 90 °C, wo es zusätzlich eine schlecht aufgelöste Schleife gibt kapazitive Schleife bei den mittleren Frequenzen (MF). Eine ähnliche Impedanzcharakteristik wurde für reines Eisen36,37 in 1 M HCl-Lösung und kaltgewalztem Stahl in 0,5 M H2SO4-Lösung38 beobachtet. Die halbkreisförmige HF-Schleife ist häufig mit der Ladungsübertragung des Auflösungsprozesses und dem Doppelschichtverhalten verbunden36,37,38. Es wird angenommen, dass die LF-Induktionsschleife aus der langsamen Reaktion während der Adsorption von \({\mathrm{Cl}}_{\mathrm{ads}}^{-}\) und \({\mathrm{H}}_ resultiert. {\mathrm{ads}}^{+}\) auf der Oberfläche der Arbeitselektrode37. Es wird auch vermutet, dass die erneute Auflösung der passivierten Oberflächenschicht bei LF ebenfalls zu einer Induktionsschleife führen könnte36,37,38. Die unaufgelöste halbkreisförmige Schleife bei MF im ungehemmten Nyquist-Diagramm bei 90 °C ist typisch für die Warburg-Impedanz, die häufig mit dem Diffusionsphänomen verbunden ist39. Dies stützt somit die Behauptung einer verstärkten Korrosion des Stahls bei 90 °C, die zuvor anhand der WL-Technik festgestellt wurde (Tabellen 1, 2). Die Korrosionsprodukte auf der T95-Stahloberfläche sind bei 90 °C möglicherweise zu porös geworden, sodass korrosive Spezies von der Massenlösung zur Grenzfläche zwischen Stahl und Lösung transportiert wurden39. In den für die gesperrten Systeme gezeichneten Nyquist-Diagrammen ist die Induktionsschleife immer noch zu sehen, aber die kapazitive MF-Schleife bei 90 °C fehlt. Diese Beobachtung lässt darauf schließen, dass die T95-Stahlelektrode auch in Gegenwart der Zusatzstoffe immer noch durch den direkten Ladungsübertragungsprozess korrodiert, bei 90 °C jedoch der Diffusionsbeitrag zur Korrosion nachließ. Insgesamt zeigt sich die hemmende Wirkung der Zusätze durch die Vergrößerung des Durchmessers der kapazitiven Schleife im Vergleich zum Rohling. Ähnlich wie bei der Beobachtung aus den WL-Ergebnissen (Tabelle 2) nimmt der Durchmesser der kapazitiven HF-Schleife in der Reihenfolge zu: Formulierung > Aspartam + KI > Aspartam > Aspartam + SDS > Leerwert bei 60 °C und 80 °C. Die Durchmesser der Aspartam- und Aspartam + SDS-Kurven sind bei 90 °C nahezu gleich. Dies weist auf eine verbesserte Hemmleistung der Formulierung mit anschließender Aspartam-KI-Mischung und auf das antagonistische Verhalten von SDS in der Aspartam-SDS-Mischung hin. Es sollte erwähnt werden, dass die HF-Schleifen in allen Fällen keine perfekten Halbkreise sind. Dieses Phänomen wurde immer auf die Frequenzstreuung zurückgeführt, die aus der Rauheit und den inhomogenen Eigenschaften der Arbeitselektrodenoberfläche resultiert38.

Elektrochemische Nyquist-Diagramme für T95-Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung ohne und mit 6,80 mM Aspartam allein und in Kombination mit 1 mM SDS oder 1 mM KI oder beiden (Formulierung) bei verschiedenen Temperaturen.

Der Unterschied in der Form des erhaltenen Impedanzdiagramms bei 90 °C von anderen veranlasste die Anpassung der Impedanzdaten an verschiedene Ersatzschaltkreise mit Konstantphasenelement (CPE), Ladungsübertragungswiderstand (Rct), Induktivität (L) und induktivem Widerstand (Rf), Warburg-Impedanz (W) und Warburg-Widerstand (RW). Die Ersatzschaltbilder sind in Abb. 4 dargestellt.

Das Ersatzschaltbild wurde bei der Analyse (a) aller elektrochemischen Impedanzdaten und (b) der Daten für den Blindwert bei 90 °C verwendet.

Die Doppelschichtkapazität (Cdl) wurde mit der folgenden Gleichung38 berechnet.

wobei \({Q}_{dl}\) und n die Komponenten von CPE sind und \({f}_{max}\) die Häufigkeit darstellt, bei der der imaginäre Wert im Nyquist-Diagramm ein Maximum erreicht38. Die Werte für die angepassten Parameter sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Hemmungseffizienz (ηEIS) wurde unter Verwendung von Gl. berechnet. (12)24.

wobei \({R}_{p(0)}\) und \({R}_{p(1)}\) die Polarisationswiderstände in Abwesenheit bzw. Anwesenheit von Additiven sind24. Wie erwartet steigen die Rct-, Rf- und Rp-Werte in Gegenwart von Additiven an, während der Cdl-Wert sinkt, was auf die Adsorption von Inhibitoren auf der Stahloberfläche und die Abschwächung der Korrosion hinweist40,41. Bei allen untersuchten Inhibitoren steigt ηEIS mit steigender Temperatur aufgrund der chemischen Adsorption der Inhibitormoleküle42 und stimmt somit mit den WL-Ergebnissen überein. Die Formulierung ergab den höchsten ηEIS von 92 % bei 90 °C. Im Gegensatz zur Beobachtung aus WL-Studien (Tabelle 3) steigt der ηEIS für ASP + SDS bei 70 und 90 °C geringfügig an. Ein solch geringfügiger Anstieg ist typisch für kompetitive Koadsorption (antagonistischer Effekt). Wie im Abschnitt „Studien zur kollektiven Hemmleistung durch Additive mit Aspartam“ erläutert, konkurrieren die polaren Köpfe von SDS, Chloridionen und Aspartam um die Adsorption im anodischen Bereich des Substrats. Die kompetitive Co-Adsorption könnte zunächst zu einer geringfügigen Steigerung der Inhibitionseffizienz führen, wie vom ηEIS bei 70 und 90 °C nahegelegt. Bei längerer Eintauchzeit könnte sich die Hemmwirkung jedoch aufgrund der verstärkten Wechselwirkungen zwischen den Molekülen leicht verschlechtern, wie in Tabelle 3 dargestellt.

Um den Einfluss der Zugabe von SDS oder KI oder beiden auf die Hemmleistung von Aspartam weiter zu bewerten, wurden Polarisationsmessungen durchgeführt. Abbildung 5 zeigt die PDP-Diagramme für T95-Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung ohne und mit 6,80 mM Aspartam allein und in Kombination mit 1 mM SDS oder 1 mM KI oder beiden (Formulierung) bei 60 °C, 70 °C, 80 °C und 90 °C. Die Werte der Polarisationsparameter einschließlich des Korrosionspotentials (Ecorr), des Icorr sowie der anodischen und kathodischen Steigungen (βa und βc) sind in Tabelle 5 angegeben. Die Korrosionsrate (\(v\)) und ηPDP wurden unter Verwendung der Gleichungen berechnet. (14) bzw. (15)43.

wobei \(K\) die Umwandlungskonstante ist (3,27 × 10−3 mm g/μA cm y, wenn \(v\) in mm/y ist), \(\rho\) die Dichte in g/cm3 ist, \( EW\) ist das Äquivalentgewicht, \({i}_{corr}^{0}\) und \({i}_{corr}^{inh}\) sind die Korrosionsstromdichten in Abwesenheit und Anwesenheit von Inhibitor. Es zeigt sich, dass das Vorhandensein der Additive dazu führt, dass sich sowohl die anodische als auch die kathodische Kurve bei allen Temperaturen in Richtung niedriger Stromdichte verschieben. Der Trend ist wie bei anderen Techniken zu beobachten, d. h. die Formulierung hat den größten Effekt erzielt. Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen, dass \({i}_{corr}^{0}\) mit steigender Temperatur zunimmt und einen Wert von 16.100 μA cm−2 bei 90 °C erreicht. Folglich wird eine erstaunliche Korrosionsrate von 186,37 mm/Jahr bei 90 °C erhalten, was die verstärkte Korrosion bei 90 °C bestätigt, die die Ergebnisse anderer Techniken (Tabellen 1, 2, Abb. 3) vermuten lassen. Bemerkenswert ist die bemerkenswerte Verringerung von v von 186,37 mm/Jahr bei 90 °C auf 14,35 mm/Jahr, was einer Hemmungseffizienz von 92 % durch die Formulierung entspricht. Eine der wichtigsten Anforderungen an einen säurebildenden Ölquelleninhibitor ist die thermische Stabilität und die Beibehaltung der Wirksamkeit bei hohen Temperaturen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Formulierung die Korrosion von Ölbohrrohren während des Ansäuerungsvorgangs zufriedenstellend eindämmen kann. Aus den Polarisationskurven ist ersichtlich, dass die Aspartammischung ein heterogenes Hemmverhalten aufweist. Die unbedeutende Verschiebung des Ecorr in Gegenwart der Additive und die gleichzeitige Verringerung der anodischen und kathodischen Stromdichten zeugen von einem gemischten Verhalten44. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass die kathodische Halbreduktionsreaktion insbesondere bei 60 °C und 70 °C unterdrückt wird (Abb. 3). In Tabelle 5 sind die βc-Werte viel größer als die βa-Werte. Dies ist sinnvoll, da erwartet wird, dass die protonierte Form von Aspartam im kathodischen Bereich adsorbiert, um die Adsorption von \({\mathrm{H}}_{\mathrm{ads}}^{+}\) und die anschließende Entwicklung von zu unterdrücken Wasserstoffgas. Die Hemmung der anodischen Oxidationsreaktion hängt stark von der Wiederaufladeleistung der Additive ab. Die PDP- und EIS-Ergebnisse stimmen gut überein.

Potentiodynamische Polarisationsdiagramme für T95-Korrosion in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung ohne und mit 6,80 mM Aspartam allein und in Kombination mit 1 mM SDS oder 1 mM KI oder beiden (Formulierung) bei verschiedenen Temperaturen.

Synergismus und Antagonismus sind die beiden Begriffe, die häufig verwendet werden, um die Art der Adsorption in einem binären oder mehrkomponentigen System zu beschreiben. Per Definition bedeutet synergistischer Effekt die kooperative Co-Adsorption der beteiligten Spezies auf einer Substratoberfläche, während antagonistischer Effekt die getrennte Co-Adsorption der Spezies bedeutet45. Der Synergismusparameter (S), der seitdem von Aramaki und Hackerman46 verwendet wurde, wurde überwiegend zur Klassifizierung der Co-Adsorption als synergistisch oder antagonistisch34,47,48 verwendet. Gemäß der \(S\)-Klassifizierung weist ein \(S>1\) auf einen synergistischen Effekt hin und \(S<1\) bedeutet einen antagonistischen Effekt45. Zuletzt schlug Kokalj49 die Berechnung von \(S\) aus der Korrosionsaktivität (\(\alpha\)) und der Schwellenkorrosionsaktivität (\({\alpha }^{\mathrm{threshold}}\)) eines vor Inhibitor nach Gl. (16). Das \(\alpha\) kann mit Gleichung erhalten werden. (17). Gleichung (18) wird zur Berechnung von \({\alpha }^{\mathrm{threshold}}\) für ein Binärsystem oder Ternärsystem49 verwendet.

In dieser Arbeit ist \(\uptheta\) die Oberflächenbedeckung, die unter Verwendung des Inhibitionseffizienzwerts aus dem EIS erhalten wird, d. h. \(\uptheta =\frac{\mathrm{\eta EIS}}{100}\). \({\alpha }_{1},{\alpha }_{2},\) und \({\alpha }_{3}\) sind die Korrosionsaktivität von Aspartam, KI bzw. SDS. Die Darstellung von \(S\) als Funktion der Temperatur ist in Abb. 6 dargestellt.

Variation des Synergismusparameters mit der Temperatur.

Für das Aspartam-SDS-System ist \(S\) bei allen Temperaturen kleiner als eins, was auf eine antagonistische Wirkung zwischen Aspartam und SDS schließen lässt. Dieses Ergebnis ist sinnvoll, stimmt mit den Ergebnissen der PDP-Studien überein (Abb. 5) und kann so erklärt werden.

In der leeren Säurelösung (15 Gew.-% HCl) findet die Fe-Oxidation an der Anode statt (\(\mathrm{Fe }\to {\mathrm{Fe}}^{2+}+{2e}^{-}\ )) und die Wasserstoffionenreduktion erfolgt an der Kathode (2H+ + 2e− → H2)50. Chloridionen (\({\mathrm{Cl}}^{-}\)) würden vom positiven anodischen Bereich angezogen und auf der Metalloberfläche adsorbiert, wodurch der anodische Bereich teilweise negativ würde.

In der sauren Lösung, die Aspartam enthält, wird erwartet, dass die Aminogruppe in Aspartam ein Proton gewinnt, wodurch Aspartam in kationischer Form vorliegt und an der Kathode adsorbiert werden kann. Eine solche Adsorption würde zur Unterdrückung der kathodischen Wasserstoffreduktionsreaktion führen, und die PDP-Ergebnisse (Abb. 5) belegen dies. Ein Teil des protonierten Aspartams würde durch Coulomb-Anziehung vom teilweise wieder aufgeladenen Anodenbereich angezogen. An der Anode kommt es durch die Abgabe von Elektronenpaaren der nichtprotonierten Heteroatome an das d-Orbital von Fe zu einer chemischen Bindung. Die Variation der Inhibitionseffizienz mit der Temperatur deutet auf die Existenz einer Chemisorption hin.

In der sauren Lösung, die SDS enthält, würde das Tensid aufgrund des negativen Sulfatkopfes von der Anode angezogen und stünde in Konkurrenz zur Adsorption mit Chloridionen. Wie bereits erwähnt, würde das Elektronenpaar der Heteroatome an das d-Orbital von Fe abgegeben, um eine kovalente Bindung sicherzustellen. Wenn daher Aspartam und SDS gemischt werden, konkurrieren beide um die Adsorption im anodischen Bereich, wodurch die anodische Hemmung abnimmt und die im kathodischen Bereich adsorbierten Aspartammoleküle den Hauptbeitrag zum Hemmungsprozess leisten. Dies ist in Abb. 5 zu sehen. Es erklärt auch den Grund für den geringeren Hemmwirkungswert der Aspartam-SDS-Mischung im Vergleich zu Aspartam allein (Tabelle 4).

Abbildung 6 zeigt ein antagonistisches Verhalten zwischen KI und Aspartam bei 60 °C, 70 °C und 80 °C, aber einen synergistischen Effekt bei 90 °C. Anders als beim Aspartam-SDS-System liegt der S-Wert für die Aspartam-KI-Mischung sehr nahe bei Eins, was eine bessere Synergie zwischen Aspartam und KI als bei SDS bedeutet. Aramaki und Hackerman46 berichteten über einen ähnlichen antagonistischen Effekt zwischen Iodidionen und zyklischem Imin und führten ihn auf eine Störung des Adsorptionsprozesses an der Anode zurück. Iodidionen werden, wie im Abschnitt „Untersuchungen zur individuellen Hemmleistung durch Additive“ erläutert, bevorzugt auf Kosten von Chloridionen an der Anode adsorbiert51. Die höhere Wiederaufladungskraft von Jodidionen erleichtert die Anziehung von mehr Aspartam-Kationen auf den Anodenbereich. Aramaki und Hackerman46 erklärten, dass eine hohe Konzentration an I−-Ionen (mit anderen Worten eine dicke adsorbierte Iodidionenschicht) den Elektronenpaar-Donations- und -Akzeptanzprozess an der Anode stören könnte. Dies könnte bei 60–80 °C der Fall gewesen sein. Da bei 90 °C eine erhebliche Menge an I−-Ionen zu \({\mathrm{I}}_{3}^{-}\)-Ionen oxidiert wurde, kommt es zu einer Beeinträchtigung der Donation und Akzeptanz durch die adsorbierten I−-Ionen Der Prozess zwischen Aspartam und Fe an der Anode wurde möglicherweise verringert, während die Stabilisierung durch Verringerung der Coulomb-Abstoßung zwischen dem kationischen Aspartam und der geladenen Stahloberfläche ihren Synergismus verstärkt.

Im Formulierungssystem wird ein starker synergistischer Effekt bei 80 °C und 90 °C beobachtet. Möglicherweise war die individuelle Dominanz im ternären System minimal, was ihre kooperative Co-Adsorption sicherstellte, was zu der beobachteten hohen Hemmleistung führte.

Die Oberfläche der T95-Stahlprobe vor und nach dem Eintauchen in 15 Gew.-%ige HCl-Lösung ohne und mit 6,80 mM Aspartam allein und in Kombination mit 1 mM KI oder 1 mM KI + 1 mM SDS bei 60 °C und 90 °C für 4 Stunden wurde mit SEM und EDX analysiert. Die REM-Aufnahmen der T95-Probe vor und nach der Korrosion bei 60 °C und 90 °C sind in Abb. 7 dargestellt. Die Zusammensetzung der Stahloberflächenprodukte bei 90 °C aus der EDX-Analyse ist in Abb. 8 dargestellt. Abbildung 7a veranschaulicht dies die glatte Oberflächenmorphologie der T95-Stahlprobe nach mechanischem Abrieb, die basierend auf Abb. 8a 85,9 Gew.-% Fe, 8,6 Gew.-% Cr, 3,6 Gew.-% C, 1,1 Gew.-% Mo, 0,4 Gew.-% Si, 0,3 Gew.-% Mn usw. aufweist 0,1 Gew.-% Ni entsprechend der chemischen Zusammensetzung von T95-2-Stahl der Güteklasse 12. Der Stahl erfuhr in der Säurelösung eine starke Korrosion, die zu einer Oberflächenverformung führte (Abb. 7b, c). Auf den in Abb. 7b, c gezeigten Oberflächen sind haufenweise poröse und rissige Korrosionsprodukte zu sehen. Bezogen auf das EDX-Spektrum in Abb. 8a,b zeigt sich das Vorhandensein einer erheblichen Menge an Cl (20,5 Gew.-%), ein Anstieg der Gew.-% von O und C auf 11,0 bzw. 10,5 und eine Abnahme der Gew.-% von Fe auf 47,0. Diese Beobachtung impliziert, dass das Korrosionsprodukt eine Mischung aus Chloriden, Oxiden, Hydroxiden und Carbonaten ist (Abb. 8b), was mit früheren Berichten übereinstimmt45. Das Vorhandensein von N und der Anstieg des Gewichtsprozentsatzes von C (12,7) in Abb. 8c im Vergleich zu Abb. 8b liefern experimentelle Beweise dafür, dass es sich bei dem Produkt in Abb. 7d, c um adsorbierte Aspartammoleküle handelt. Der signifikante Rückgang des Cl-Gewichtsprozentsatzes von 20,5 (Abb. 8b) auf 16,3 (Abb. 8c) weist auf eine Korrosionshemmung durch die adsorbierten Aspartammoleküle hin. Eine Betrachtung von Abb. 7d, c zeigt jedoch, dass Aspartam allein die Stahloberfläche insbesondere bei 90 °C nicht zufriedenstellend schützen konnte. Eine abgenutzte und rissige Oberflächenmorphologie ist in Abb. 7c zu sehen. In Übereinstimmung mit den anderen experimentellen Ergebnissen (Tabellen 3, 4, 5) verstärkte die Zugabe von KI die Hemmwirkung von Aspartam, die Zugabe von KI und SDS zu Aspartam begünstigte jedoch die Hemmwirkung von Aspartam am meisten, insbesondere bei 90 °C. Wie in Abb. 7f – i zu sehen ist, ist das adsorbierte Oberflächenprodukt kompakt und bei 90 °C gleichmäßiger verteilt. Abbildung 8d, e zeigt einen erheblichen Rückgang der Cl-Konzentration auf den mit Aspartam-KI (auf 4,8 Gew.-% gesunkenen) und den durch die Formulierung (auf 4,4 Gew.-% gesunkenen) geschützten Oberflächen, was erneut die Wirksamkeit der Formulierung als saurer Korrosionsinhibitor bestätigt.

REM-Aufnahmen von Abrieb von T95 (a) vor und nach dem Eintauchen in 15 %ige HCl-Lösung (b, c) ohne Inhibitor, (d, e) enthaltend 6,80 mM Aspartam, (f, g) enthaltend 6,80 mM Aspartam + 1 mM KI, (h, i) mit 6,80 mM Aspartam ASP + 1 mM KI + 1 mM SDS (Formulierung) bei 60 °C (b, d, f, h) und 90 °C (c, e, g, i) für 4 h .

EDX-Spektren von abgeriebenem T95 (a) vor und nach dem Eintauchen in 15 Gew.-%ige HCl-Lösung (b) ohne Inhibitor, (c) mit 6,80 mM Aspartam, (d) mit 6,80 mM Aspartam + 1 mM KI und (e) mit 6,80 mM Aspartam mM Aspartam + 1 mM KI + 1 mM SDS (Formulierung) bei 90 °C für 4 h.

Abbildung 9 zeigt die OP-Bilder von abgeschliffenem T95-Stahl (a) vor und nach dem Eintauchen in 15 Gew.-%ige HCl-Lösung (b,c) ohne Inhibitor, (d,e) mit 6,80 mM Aspartam, (f,g) mit 6,80 mM Aspartam + 1 mM KI, (h,i) enthält 6,80 mM Aspartam + 1 mM KI + 1 mM SDS (Formulierung) bei 60 °C (b,d,f,h) und 90 °C (c,e,g,i). ) für 4 Stunden. Im Allgemeinen kann die Oberflächeneigenschaft mithilfe von Rauheitsparametern quantifiziert werden. Häufig verwendete Rauheitsparameter sind die durchschnittliche Rauheit (Ra), der quadratische Mittelwert der Rauheit (Rq) und die Gesamthöhe des Profils (Rt) und geben Auskunft über die Unregelmäßigkeit der Abweichung von einer ideal glatten Oberfläche52. Die Werte von Ra, Rq und Rt für die untersuchte Stahloberfläche sind in Tabelle 6 angegeben.

Oberflächenprofilometerbilder von abgeriebenem T95-Stahl (a) vor und nach dem Eintauchen in 15 Gew.-%ige HCl-Lösung (b, c) ohne Inhibitor, (d, e) mit 6,80 mM Aspartam, (f, g) mit 6,80 mM Aspartam + 1 mM KI, (h, i) enthält 6,80 mM Aspartam + 1 mM KI + 1 mM SDS (Formulierung) bei 60 °C (b, d, f, h) und 90 °C (c, e, g, i) für 4 H.

Für die glatte, abgeschliffene Oberfläche wurden in Abb. 9a Ra-, Rq- und Rt-Werte von 0,154 µm, 0,186 µm bzw. 2,119 µm aufgezeichnet. Die rauere Oberfläche nach der Korrosion in der leeren Säurelösung ist in Abb. 9b, c dargestellt. Die Ra-, Rq- und Rt-Werte steigen bei 60 °C bzw. 90 °C um 93 % bzw. 96 %. Beispielsweise steigt der Ra-Wert von 0,154 auf 2,269 bzw. 4,350 µm bei 60 °C bzw. 90 °C. Die Oberflächen in Abb. 9f–i sind im Vergleich zu den Oberflächen in Abb. 9b,c aufgrund der Adsorption der Inhibitoren und des Schutzes der Oberfläche vor Korrosion glatter. Hervorzuheben ist noch einmal die hervorragende Hemmwirkung der Formulierung bei 90 °C. Wie in Abb. 9i zu sehen ist, ist die Oberfläche im Vergleich zur Aspartam-KI-Oberfläche in Abb. 9g sehr glatt. In Tabelle 6 ist ersichtlich, dass der Ra-Wert von 4,350 µm bei 90 °C auf 0,550 µm für die rezepturinhibierte Oberfläche abnimmt, was einer Reduzierung um 79 % entspricht. Daraus wird geschlossen, dass die Formulierung hochwirksam gegen die Korrosion von T95-Stahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung bei hohen Temperaturen ist.

Die hemmende Wirkung von Aspartam, einem natürlichen Süßstoff in Kombination mit Kaliumiodid und Natriumdodecylsulfat, wurde gegen die Korrosion eines typischen Ölbohrrohrmaterials (T95-2-Qualität) in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung bei 60–90 °C untersucht. Bei der Untersuchung wurden Gewichtsverlust-, elektrochemische (EFM, EIS, PDP) und Oberflächenanalysetechniken (SEM, EDX, OP) verwendet. Die Erkenntnisse aus der Untersuchung werden wie folgt zusammengefasst.

T95-Stahl unterliegt in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung starker Korrosion und die Korrosionsrate kann bei 90 °C 186,37 mm/Jahr erreichen.

Aspartam zeigt in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung eine korrosionshemmende Wirkung gegen T95-Stahlkorrosion und seine Wirkung nimmt mit steigender Temperatur zu. Eine Konzentration von 6,80 mM kann eine Hemmungseffizienz von 86 % bei 90 °C erreichen.

Eine Konzentration von 1 mM Kaliumiodid und Natriumdodecylsulfat zeigt eine bessere Hemmwirkung als Konzentrationen von 3 und 5 mM.

Die Zugabe einer Konzentration von 1 mM Natriumdodecylsulfat zu 6,80 mM Aspartam führt zu einer antagonistischen Wirkung. Die KI-Aspartam-Mischung zeigt bei 60 °C und 70 °C eine antagonistische Wirkung, bei 80 °C und 90 °C jedoch eine synergistische Wirkung.

Es ist vorteilhaft, Natriumdodecylsulfat (1 mM), Kaliumiodid (1 mM) und Aspartam (6,80 mM) zu mischen. Die Mischung ist in der Lage, die Korrosionsrate von T95-Stahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung von 186,37 mm/Jahr auf 14,35 mm/Jahr zu reduzieren und die Oberfläche bei 90 °C um 92 % zu schützen.

Der Hemmmechanismus durch Aspartam allein und in Kombination mit KI und Natriumdodecylsulfat ist adsorptiv. Es hemmt sowohl anodische als auch kathodische Korrosionsreaktionen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Der Autor dankt Herrn Ifeanyi Uzoma für seine Unterstützung bei der Materialbeschaffung und Prof. Savior Umoren für seine Hilfe bei einigen Oberflächenanalysen.

Diese Arbeit wurde von der University of Nottingham Ningbo China (E06180700072) unterstützt.

Abteilung für Chemie- und Umweltingenieurwesen, Universität Nottingham Ningbo China, Ningbo, China

Moses M. Solomon

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Konzeption, Design, Materialaufbereitung, Datenerfassung und Analyse wurden von MMS durchgeführt. Auch die Ausarbeitung des Manuskripts oblag ihm.

Korrespondenz mit Moses M. Solomon.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Solomon, MM Wirksame Hemmung der Korrosion von T95-Stahl in 15 Gew.-%iger HCl-Lösung durch eine Mischung aus Aspartam, Kaliumiodid und Natriumdodecylsulfat. Sci Rep 13, 13085 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40354-8

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Eingegangen: 4. Juli 2023

Angenommen: 09. August 2023

Veröffentlicht: 11. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40354-8

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