Abstract

Hæmningseffektiviteten (IE) af et vandigt ekstrakt af hvidløg til at kontrollere korrosion af kulstofstål i brøndvand i fravær og tilstedeværelse af Zn2+ er blevet evalueret ved hjælp af massetabsmetoden. Formuleringen bestående af 2 mL hvidløgsekstrakt og 25 ppm Zn2+ giver en hæmningseffektivitet på 70 % for kulstofstål nedsænket i brøndvand. Polarisationsundersøgelse afslører, at denne formulering kontrollerer den anodiske reaktion i overvejende grad. FTIR-spektre viser, at den beskyttende film består af Fe2+-allicin-kompleks og Zn(OH)2.

1. Indledning

Miljøvenlige inhibitorer har tiltrukket flere forskere. Naturprodukter er ikke-toksiske, bionedbrydelige og let tilgængelige. De er blevet anvendt i vid udstrækning som inhibitorer. Naturprodukter som f.eks. koffein er blevet anvendt som inhibitorer. Der er rapporteret om korrosionsinhibering af stål med planteekstrakter i sure medier . Planteekstrakters skælhæmmende karakter for forskellige typer metaller er kort opsummeret . Vandigt ekstrakt af rosmarinblade , Zanthoxylum alatum og Law-sonia er blevet anvendt til at hæmme korrosion af metaller. Korrosionsinhibering af jern i saltsyreopløsninger med naturligt forekommende henna er blevet undersøgt . Korrosionshæmning af kulstofstål i lavkloridmedier ved hjælp af et vandigt ekstrakt af Hibiscus rosasinensis Linn er blevet evalueret . Undersøgelse af korrosionsinhibering af naturlige inhibitorer er særlig interessant, fordi de ikke er dyre, miljøvenlige og ikke udgør nogen trussel mod miljøet. Dette arbejde er iværksat:(i)for at evaluere hæmningseffektiviteten (IE) af et vandigt ekstrakt af hvidløg til at kontrollere korrosionen af kulstofstål i brøndvand i fravær og tilstedeværelse af Zn2+(ii)for at analysere den beskyttende film dannet på kulstofstålet ved hjælp af FTIR-spektre,(iii)for at forstå de mekanistiske aspekter af korrosionsinhibering ved potentiodynamisk polarisationsundersøgelse, (iv) og for at foreslå en passende mekanisme for korrosionsinhibering.

2. Eksperimentel fremgangsmåde

2.1. Fremstilling af hvidløgsekstrakt

Et vandigt ekstrakt af hvidløg blev fremstillet ved at male 20 g hvidløg med dobbelt destilleret vand, filtrere urenhederne og fylde op til 100 mL. Ekstraktet blev anvendt som korrosionsinhibitor i den foreliggende undersøgelse.

2.2. Forberedelse af prøver

2.3. Masseløbsmetode

Relevante data om det brøndvand, der er anvendt i denne undersøgelse, er angivet i tabel 1. Prøver af kulstofstål i tre eksemplarer blev nedsænket i 100 mL brøndvand indeholdende forskellige koncentrationer af inhibitoren i tilstedeværelse og fravær af Zn2+ i 3 dage. Prøvernes vægt før og efter nedsænkning blev bestemt ved hjælp af en Shimadzu-vægt, model AY 62. Korrosionsprodukterne blev renset med Clarke’s opløsning . Hæmningseffektiviteten (IE) blev derefter beregnet ved hjælp af følgende ligning: 𝑊IE=1001-2𝑊1%,(1) hvor 𝑊1 er korrosionshastigheden i fravær af inhibitoren, og 𝑊2 er korrosionshastigheden i tilstedeværelse af inhibitoren.

Parameter Værdi pH 8.6 Ledningsevne 2620 μmho/cm TDS 1835 mg/L Khlorid 450 Sulfat 110 Total hårdhed 96

Tabel 1

Parametre for brøndvand.

2.4. Overfladeundersøgelse

Kulstofstålprøverne blev nedsænket i forskellige testopløsninger i en periode på 3 dage, taget ud og tørret. Arten af den film, der blev dannet på overfladen af metalprøverne, blev analyseret ved FTIR-spektroskopisk undersøgelse.

2.5. Potentiodynamisk polarisering

Polarisationsundersøgelser blev udført i en H&CH elektrokemisk arbejdsstation impedansanalysator model CHI 660A. Der blev anvendt en celle med tre elektroder. Arbejdselektroden var kulstofstål. En mættet kalomelelektrode (SCE) blev anvendt som referenceelektrode, og en rektangulær platinfolie blev anvendt som modelektrode.

2.6. FTIR-spektre

FTIR-spektre blev optaget i et Perkin-Elmer 1600 spektrofotometer. Filmen blev omhyggeligt fjernet, blandet grundigt med KBr, lavet til pellets, og FTIR-spektre blev optaget.

3. Resultater og diskussion

3.1. Analyse af resultaterne af massetabsmetoden

Korrosionshastigheden (CR) af kulstofstål nedsænket i brøndvand (hvis sammensætning er angivet i tabel 1) i fravær og tilstedeværelse af inhibitorsystemer er angivet i tabel 2. Hæmningseffektiviteten er også angivet i tabellen. Det fremgår af tabel 2, at det vandige ekstrakt af hvidløg er en god inhibitor for kulstofstål i brøndvand. 2 mL hvidløg viser 50 % IE. Efterhånden som koncentrationen af hvidløgsekstrakt stiger, stiger IE også. Det vil sige, at hvidløg ved højere koncentrationer fremskynder korrosionsinhiberingen .

3.1.1. Indflydelse af Zn2+ på hvidløgsekstraktets hæmningseffektivitet

Indflydelsen af Zn2+ på hvidløgsekstraktets IE er angivet i tabel 2. Ved tilstedeværelse af Zn2+ (25 ppm) udviser hvidløgsekstrakt en fremragende inhiberende egenskab. For eksempel fremskynder 2 mL hvidløgsekstrakt korrosion af kulstofstål (IE=50 %); 25 ppm Zn2+ har 20 % IE, men kombinationen af dem har 70 %.

3.2. Analyse af polariseringskurver

De potentiodynamiske polariseringskurver for kulstofstål nedsænket i brøndvand i fravær og tilstedeværelse af inhibitorer er vist i figurerne 1(a) og 1(b). Korrosionsparametrene er angivet i tabel 3. Når kulstofstål nedsænkes i brøndvand, er korrosionspotentialet -704 mV over for SCE (mættet kalomelelektrode). Korrosionsstrømmen er 2,600×10-6 A/cm2. Når der tilsættes 2 mL hvidløgsekstrakt og 25 ppm Zn2+ til ovennævnte system, flyttes korrosionspotentialet til den anodiske side (-690 mV mod SCE). Dette tyder på, at denne formulering primært kontrollerer den anodiske reaktion. Ved tilstedeværelse af inhibitorsystemet falder korrosionsstrømmen fra 2,600×10-6 A/cm2 til 2,353×10-6 A/cm2. Dette tyder på, at dette inhibitorsystem har en hæmmende karakter.

Figur 1

Polariseringskurver for kulstofstål nedsænket i (a) brøndvand og (b) brøndvand +2 mL hvidløgsekstrakt +25 ppm Zn2+.

3.3. Analyse af FTIR-spektre

Det aktive princip i et vandigt ekstrakt af hvidløg er allicin. Det består af S=O- og S-gruppe.

Et par dråber af et vandigt ekstrakt af hvidløg blev tørret på en glasplade. Der blev opnået en fast masse. Dens FTIR-spektrum er vist i figur 2(a). Vinylgruppen optrådte ved 1026,28 cm-1. S=O optrådte ved 1026 cm-1 og S ved 1237,58 cm-1. Allicins struktur er således bekræftet af FTIR-spektre (skema 1) . FTIR-spektret af komplekset fremstillet ved at blande hvidløgsekstrakt og Zn2+ er vist i figur 2(b). Båndet, der skyldes konjugerede dobbeltbindinger, forskydes fra 3757,23 cm-1 til 3819,62 cm-1. Båndet ved 608,46 svarer til Zn-O-strækningen. OH-strækningsfrekvensen vises ved 3407,06 cm-1. Dette bekræfter dannelsen af Zn(OH)2 på de katodiske steder på metaloverfladen . Da der er fuldstændig koordinering mellem Fe2+ og allicin, forsvinder båndet, der skyldes dannelsen af komplekset, i FTIR-spektret af den film, der dannes på overfladen af kulstofstål med hvidløgsekstrakt (figur 2(b)) .

Skema 1

Strukturen af allicin.

(a)

(b)

(a)
(b)

3.4. Mekanisme for korrosionsinhibering

Massetabsundersøgelse afslører, at formuleringen bestående af 2 mL hvidløgsekstrakt + 25 ppm Zn2+ giver 70 % IE til kulstofstål nedsænket i brøndvand. Polarisationsundersøgelse afslører, at denne formulering kontrollerer den anodiske reaktion overvejende. FTIR-spektre viser, at den beskyttende film består af Fe2+-allicin-kompleks og Zn(OH)2. For at forklare ovenstående forhold på en holistisk måde foreslås følgende mekanisme for korrosionsinhibering: i) Når formuleringen bestående af brøndvand, hvidløgsekstrakt og Zn2+ fremstilles, dannes der Zn2+-allicinkompleks i opløsningen. ii) Når kulstofstål nedsænkes i opløsningen, diffunderer Zn2+-allicinkomplekset fra hovedparten af opløsningen til metaloverfladen. iii) På metaloverfladen omdannes Zn2+-allicinkomplekset til Fe2+-allicinkompleks. Zn2+ frigives.(iv)Zn2+-allicin + Fe2+ → Fe2+-allicin + Zn2+.(v)Det frigivne Zn2+ kombineres med OH- for at danne Zn(OH)2.(vi)Zn2+ + 2 OH- → Zn(OH)2.(vii)Således består den beskyttende film af Fe2+-allicinkompleks og Zn(OH)2.

4. Konklusioner

Denne undersøgelse fører til følgende konklusioner:(i)formuleringen bestående af 2 mL hvidløgsekstrakt og 25 ppm Zn2+ giver 70 % hæmningseffektivitet for kulstofstål nedsænket i brøndvand;(ii)polarisationsundersøgelse afslører, at denne formulering kontrollerer den anodiske reaktion overvejende;(iii)FTIR-spektrer afslører, at den beskyttende film består af Fe2+-allicinkompleks og Zn(OH)2.

Anerkendelser

Forfatterne er taknemmelige over for deres ledelser og University Grants Commission, Indien, for hjælp og opmuntring.