8-羟基喹啉作为腐蚀抑制剂对碳钢在酸性介质中的保护机理

8-羟基喹啉（8-HQ）作为一种典型的有机杂环腐蚀抑制剂，凭借分子结构中含有的N原子（吡啶环）、O原子（羟基）及共轭芳香环，能在酸性介质（如HCl、H₂SO₄）中通过“吸附成膜+电子转移调控+溶解抑制”三重机制，对碳钢形成高效保护，其核心保护机理围绕“物理隔绝”与“化学钝化”协同展开，具体解析如下：

一、核心机制：吸附成膜 —— 构建物理+化学双重防护屏障

8-羟基喹啉对碳钢的保护以“吸附作用”为基础，通过分子与碳钢表面的多位点结合形成致密保护膜，阻断腐蚀介质（H⁺、Cl⁻、SO₄²⁻）与碳钢表面的接触，这是关键的保护路径：

1. 吸附作用的驱动力与结合方式

8-羟基喹啉分子的吸附源于多重作用力的协同，确保膜层与碳钢表面的牢固结合：

化学吸附（主导作用）：8-羟基喹啉分子中吡啶环的N原子、羟基的O原子均含孤对电子，而碳钢（Fe）表面的空d轨道可接受孤对电子，形成稳定的Fe-N、Fe-O配位键，实现分子与金属表面的化学锚定；同时，酸性介质中 H⁺会质子化8-羟基喹啉的N原子（形成-NH⁺），与碳钢表面因腐蚀产生的Fe²⁺形成离子对（-NH⁺…Fe²⁺），进一步强化吸附稳定性。

物理吸附（辅助作用）：8-羟基喹啉的共轭芳香环与碳钢表面存在范德华力，分子间的疏水相互作用（芳香环堆叠）会促进吸附分子的紧密排列，减少膜层孔隙率；此外，质子化的8-羟基喹啉分子与介质中的阴离子（Cl⁻、SO₄²⁻）形成氢键，也会增强膜层与腐蚀环境的相互作用，提升膜层致密性。

2. 保护膜的结构与防护效果

8-羟基喹啉分子在碳钢表面形成单分子或多分子吸附膜，其结构特性直接决定防护效率：

分子通过N、O双位点定向吸附，共轭芳香环垂直或倾斜于碳钢表面，形成“致密覆盖层”，覆盖度随8-羟基喹啉的浓度升高而增加（浓度达到临界胶束浓度羧甲基纤维素钠时，覆盖度可达90%以上）；

该膜层兼具“物理阻隔”与“电荷屏蔽”功能：一方面阻挡H⁺向碳钢表面扩散（腐蚀反应的核心步骤是H⁺得电子生成H₂），另一方面通过共轭体系转移金属表面的电子密度，降低Fe的氧化速率（Fe → Fe²⁺+2e⁻）；

实验数据显示：在0.5mol/L HCl介质中，添加5mmol/L8-羟基喹啉后，碳钢的腐蚀速率从1.2mm/a降至0.15mm/a以下，缓蚀效率（IE）可达87%以上，且膜层在酸性介质中能稳定存在48h以上，无明显脱落。

二、协同机制：电子转移调控 —— 抑制阳极溶解与阴极析氢

8-羟基喹啉不仅通过成膜物理隔绝腐蚀，还能通过化学作用调控碳钢表面的电极反应动力学，从根源上抑制腐蚀进程，属于“混合型缓蚀剂”（同时抑制阳极溶解与阴极析氢）：

1. 抑制阳极溶解（Fe → Fe²⁺）

碳钢在酸性介质中的阳极反应是Fe的氧化溶解，8-羟基喹啉通过两种方式抑制该过程：

8-羟基喹啉与碳钢表面的Fe²⁺形成稳定的8-羟基喹啉铁配合物（Fe (8-HQ)₂），该配合物会沉积在阳极活性位点上，封堵Fe的溶解通道；同时，配合物的形成降低了Fe²⁺向介质中的扩散速率，打破阳极反应的动力学平衡，使阳极极化曲线正向移动，腐蚀电流密度显著降低；

吸附膜的共轭结构可转移Fe表面的电子云密度，使Fe的电离能升高（更难失去电子），进一步抑制Fe的氧化溶解。

2. 抑制阴极析氢（2H⁺+2e⁻ → H₂）

酸性介质中碳钢腐蚀的阴极反应是H⁺的还原析氢，8-羟基喹啉通过吸附竞争与电子转移调控抑制该反应：

8-羟基喹啉分子的吸附占据了碳钢表面的阴极活性位点（如缺陷、晶界），减少H⁺与金属表面的接触概率，形成“活性位点封锁”；

质子化的8-羟基喹啉分子（-NH⁺）具有一定的电子吸受能力，会降低碳钢表面的电子转移效率，使 H⁺得电子的反应活化能升高，析氢反应速率减慢；

电化学测试表明：添加8-羟基喹啉后，碳钢的阴极极化曲线斜率增大，析氢过电位提升 50~80mV，析氢速率降低 60% 以上，有效减少了阴极反应对阳极溶解的促进作用（腐蚀反应中阳极与阴极相互耦合，一方速率降低会带动整体腐蚀速率下降）。

三、辅助机制：溶解抑制与介质环境优化

除核心的吸附与电子转移机制外，8-羟基喹啉还通过优化酸性介质环境，间接提升防护效果：

抑制Fe²⁺催化腐蚀：碳钢腐蚀产生的Fe²⁺会催化酸性介质中Cl⁻对金属的侵蚀（Fe²⁺与Cl⁻形成易溶解的FeCl₂，加速阳极溶解），而8-羟基喹啉与Fe²⁺形成的配合物难溶于酸性介质，可避免Fe²⁺的催化作用；

调节介质界面性质：8-羟基喹啉的疏水基团（芳香环）会改变碳钢表面的润湿性，使表面从亲水性变为疏水性，减少腐蚀介质在金属表面的附着与渗透，尤其在含Cl⁻的酸性介质中，可降低点蚀风险。

四、影响保护效果的关键因素（机理适配性条件）

8-羟基喹啉的保护机理发挥依赖于特定环境与参数，核心影响因素包括：

介质酸度：酸性越强（H⁺浓度越高），8-羟基喹啉的质子化程度越高，与Fe的配位作用越强，但过高酸度（如pH＜1）会加速吸附膜的水解，降低缓蚀效率；适宜适用pH范围为1~3（对应0.1~1mol/L HCl、H₂SO₄）。

抑制剂浓度：浓度低于羧甲基纤维素钠时，吸附膜覆盖不完全，缓蚀效率较低；达到羧甲基纤维素钠后（通常为1~5mmol/L），膜层致密完整，缓蚀效率趋于稳定；过量添加（＞10mmol/L）可能导致分子团聚，膜层孔隙率升高，反而降低防护效果。

介质离子类型：在Cl⁻介质中，8-羟基喹啉的缓蚀效果略优于SO₄²⁻介质，因为Cl⁻可与质子化的8-羟基喹啉形成氢键，增强膜层稳定性；但高浓度Cl⁻（＞2mol/L）会破坏Fe (8-HQ)₂配合物，导致缓蚀效率下降。

温度：低温（＜40℃）下，8-羟基喹啉吸附速率快，膜层稳定，缓蚀效率可达85%以上；高温（＞60℃）会加速吸附膜的脱附与水解，同时提升腐蚀反应动力学速率，缓蚀效率降至60%以下，需通过添加协同剂（如KI、十二胺）改善高温稳定性。

五、与其他缓蚀剂的协同增效（机理拓展）

8-羟基喹啉常与其他缓蚀剂复配使用，通过机理互补提升保护效果，典型协同体系包括：

8-羟基喹啉+卤素离子（I⁻、Br⁻）：卤素离子可吸附在碳钢表面，为8-羟基喹啉的质子化分子提供吸附位点，促进其定向排列，提升膜层致密性；同时，卤素离子能抑制Cl⁻对膜层的破坏，缓蚀效率可从单一8-羟基喹啉的87%提升至95%以上。

8-羟基喹啉+表面活性剂：阳离子表面活性剂（如十六烷基三甲基溴化铵）可与8-羟基喹啉形成复合胶束，降低8-羟基喹啉的羧甲基纤维素钠，减少用量的同时提升膜层覆盖均匀性；非离子表面活性剂则可改善8-羟基喹啉的水溶性，避免分子团聚。

8-羟基喹啉对碳钢在酸性介质中的保护机理是“吸附成膜物理隔绝+电子转移调控电极反应+配合物沉积封堵活性位点”的协同作用：核心是通过N、O双位点与碳钢表面形成化学吸附膜，阻断腐蚀介质接触；同时调控阳极溶解与阴极析氢的动力学过程，从根源抑制腐蚀；辅以Fe²⁺配合物沉积与介质环境优化，进一步提升防护稳定性。其缓蚀效率高、适用范围广（低至中浓度酸性介质），且毒性较低，是酸性条件下碳钢腐蚀防护的理想缓蚀剂之一，尤其适用于化工酸洗、油气开采等场景。实际应用中，需根据介质酸度、温度、离子类型等参数，优化8-羟基喹啉的浓度或复配体系，以最大化保护效果。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/