蕴藏自然的奥秘—植物缓蚀剂的研究

2022-04-17 18:29

张依萱
上海电力大学

春秋冬夏,从枝繁叶茂到落木萧萧,从花团锦簇到花谢花飞,自神农尝百草开始,人类从未停止过对植物的探索。“草木亦含天地灵,根能生藤精生神。”一草一木一花一树皆蕴含天地之灵气,作粮食可孕育万物,作草药可治病救人。随着科技的进步,人类对自然界的探索不断深入,植物的功能也被不断挖掘。

腐蚀或悄无声息或显而易见地渗透在自然的每个角落,诉说着时光流转,岁月变迁。对于化学反应,当能量降低时,反应就可能自发进行,而腐蚀就是这样一种自发过程,所以腐蚀往往是不可避免的。尽管腐蚀无时无刻无处不在,但早在两千多年前,人类就开始使用各种手段抑制腐蚀的发生,文物、古建筑、史料等都能发现人们为保护材料,减缓腐蚀所做的努力。1860年,英国研发了第一个缓蚀剂专利,自此缓蚀剂的研究和应用迅速发展。


缓蚀剂的作用

缓蚀剂是一种防腐蚀化学品可在浓度较低的情况下,减缓金属的腐蚀速率,且不会对金属本身的表观特征和物理性质产生影响。由于缓蚀剂的化学组分各异,可分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂。有机化合物,特别是杂环化合物,因其效果好、成本低、易合成等优点,成为最常用的缓蚀剂。有机缓蚀剂可以通过吸附成膜作用在材料表面形成一层保护膜,将金属从腐蚀性环境中隔离出来,抑制其与环境之间发生的化学或电化学相互作用。根据吸附性质的不同,可以是物理吸附、化学吸附和混合吸附类型,大多数缓蚀剂的吸附均遵循物理化学吸附(混合吸附)模式。


植物提取物的来源及制备

缓蚀剂在工业生产中用量巨大,大部分常用的缓蚀剂含有有毒有害物质,会对生态环境和人类健康造成威胁,亟需开发无毒、安全、环境友好的绿色缓蚀剂。从植物中提取制备的植物缓蚀剂具有原料易得、合成简便、成本低廉、环境友好、可生物降解等优势,成为开发绿色缓蚀剂的研究重点。树皮、树叶、果实、果皮、种子、根、花甚至整株植物提取物都被广泛用作缓蚀剂。图1为提取物的制备过程,包括植物原料的收集、清洗、干燥、粉碎、制粉、搅拌、提取和储存。

图1 植物提取物的制备流程[1]


植物提取物的缓蚀作用

鱼腥草叶、芦荟叶、紫茎泽兰叶、罂粟叶、丝瓜叶、木瓜、菠萝、大蒜、姜、橘皮、石榴皮、芥末籽、桂圆籽、葵花籽、玫瑰、百合、洋甘菊等很多植物提取物都被用来抑制腐蚀。植物中的化学物质包括糖苷类、生物碱、黄酮、甾醇、皂甙、鞣质、氨基酸、三萜等。这些植物化学物质含有极性官能团,如羟基(–OH)、氨基(−NH2)、酰胺(–CONH2)、羧酸(–COOH)、酯(–COO)等,可以被吸附在金属表面形成一层保护膜,阻碍金属与腐蚀性环境的直接接触,减缓腐蚀[2-3]。

不同提取物的保护程度不同,但通常随着提取物浓度的增加而增加,这是由于提取物有机物质的吸附增强导致的表面覆盖程度更高。不同植物的化学成分不同,抑制腐蚀的作用也有差异。例如单宁的抑制特性归因于单宁分子的多酚与铁离子的反应,从而形成单宁酸铁的高度交联网,确保有效保护金属表面。三萜和其他成分还具有能够与铁离子螯合的官能团,从而促进在钢表面上的强配位。金属-提取物复合物形成了一层不溶的表面层,将金属表面与环境介质隔离开来[4]。图2为在含和不含植物提取液的酸中钢的扫描电子显微镜(SEM)图像。图中可以看出在酸性介质中钢表面腐蚀严重,表面粗糙、凹凸不平,添加了缓蚀剂之后表面光滑、腐蚀产物较少,说明植物缓蚀剂能保护材料,有效抑制腐蚀。

图 2 在1 M HCl中浸泡3天的(a)空白(b)含160 mg/L番荔枝的钢的SEM图像[5];在0.5 M H2SO4中浸泡20 h的(c)空白(d)含1.25 g/L鹰爪花提取液的钢的SEM图像[6]


总结与展望

使用植物提取液作为腐蚀抑制剂,能有效减缓金属的腐蚀损伤,且对环境无害。尽管植物缓蚀剂的缓蚀效果优良且绿色环保,但植物提取物大多是液体易受到细菌和保存环境的影响发生变质,长期保存后不能保证有效的抑制作用。固体植物提取物可作为缓蚀剂长期定量使用,但固体植物提取物往往是由液体蒸发浓缩后制成,成本较高。植物提取物不能承受非常高的温度,并且在高度侵蚀性的环境中无效。提高植物提取物抑制剂的耐温性和长期稳定性将是今后研究的重点。

使用植物提取物作为金属腐蚀抑制剂,仍有一些未解决的问题。例如:植物提取物中的所有生物活性分子是否都具有抑制作用;抑制是生物活性分子综合影响的功能,还是存在一些可以削弱其他抑制能力的成分;植物提取物的确切抑制机制是什么。植物提取物的抑制机制可能不仅仅是通常认为的吸附机制,因为提取物含有多种成分。因此,未来对植物提取物作为缓蚀剂的研究应集中在分离导致提取物防腐性能的特定活性物质上,并确定这种活性分子是独立发挥抑制作用还是与其他分子协同发挥抑制作用。如果提取物中的活性生物分子被分离出来并了解抑制机制,则可以改进这种成分以承受更严重的腐蚀环境。

“道生一,一生二,二生三,三生万物。万物负阴而抱阳,冲气以为和。”世间万物相生相克又相生相成,腐蚀本身是一种自然规律,植物在地球上也已经存在了35亿年。天地万物自有其运转的法则,山长水阔,自然界蕴藏很多奥秘,等待着我们更多的发掘和探索。


参考文献

[1] Alrefaee S H,Rhee K Y,Verma C,et al. Challenges and advantages of using plant extract as inhibitors in modern corrosion inhibition systems:Recent advancements [J]. Journal of Molecular Liquids,2020,321:114666.

[2] Umoren S A,Gasem Z M,Obot I B. Natural Products for Material Protection:Inhibition of Mild Steel Corrosion by Date Palm Seed Extracts in Acidic Media [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2013,52(42):14855-14865.

[3] Oguzie E E,Oguzie K L,Akalezi C O,et al. Natural Products for Materials Protection: Corrosion and Microbial Growth Inhibition Using Capsicum frutescens Biomass Extracts [J]. Acs Sustainable Chemistry & Engineering,2013,1(2):214-225.

[4] Emeka E,Oguzie. Evaluation of the inhibitive effect of some plant extracts on the acid corrosion of mild steel [J]. Corrosion Science,2008,50(11):2993-2998.

[5] Alvarez P E,Fiori-Bimbi M V,Valenti R V,et al. Improved electrochemical strategy to characterize adsorption and corrosion inhibition related to biomolecules from plant extracts:The case of Annona cherimola [J]. Results in Chemistry,2022,4:100233.

[6] Rathod M R,Minagalavar R L,Rajappa S K. Effect of Artabotrys odoratissimus extract as an environmentally sustainable inhibitor for mild steel corrosion in 0.5 M H2SO4 media [J]. Journal of the Indian Chemical Society,2022,99(5):100445.