Abstract

Die Hemmwirkung (IE) eines wässrigen Knoblauchextrakts bei der Kontrolle der Korrosion von Kohlenstoffstahl in Brunnenwasser in Abwesenheit und Anwesenheit von Zn2+ wurde durch die Massenverlustmethode bewertet. Die Formulierung, die aus 2 ml Knoblauchextrakt und 25 ppm Zn2+ besteht, bietet eine 70%ige Hemmwirkung auf Kohlenstoffstahl, der in Brunnenwasser eingetaucht ist. Die Polarisationsstudie zeigt, dass diese Formulierung die anodische Reaktion überwiegend kontrolliert. FTIR-Spektren zeigen, dass der Schutzfilm aus einem Fe2+-Allizin-Komplex und Zn(OH)2 besteht.

1. Einleitung

Umweltfreundliche Inhibitoren haben das Interesse mehrerer Forscher geweckt. Natürliche Produkte sind ungiftig, biologisch abbaubar und leicht verfügbar. Sie wurden in großem Umfang als Hemmstoffe eingesetzt. Natürliche Produkte wie Koffein sind als Inhibitoren verwendet worden. Es wurde über die Korrosionshemmung von Stahl durch Pflanzenextrakte in sauren Medien berichtet. Die zunderhemmenden Eigenschaften von Pflanzenextrakten für verschiedene Metalle werden kurz zusammengefasst. Wässrige Extrakte aus Rosmarinblättern, Zanthoxylum alatum und Law-sonia wurden zur Korrosionshemmung von Metallen verwendet. Die Korrosionshemmung von Eisen in salzsauren Lösungen durch natürlich vorkommenden Henna wurde untersucht. Die Korrosionshemmung von Kohlenstoffstahl in chloridarmen Medien durch einen wässrigen Extrakt aus Hibiscus rosasinensis Linn wurde bewertet. Die Untersuchung der Korrosionshemmung natürlicher Inhibitoren ist besonders interessant, weil sie nicht teuer sind, die Umwelt nicht belasten und keine Gefahr für die Umwelt darstellen. Die vorliegende Arbeit wurde durchgeführt, um:(i) die Inhibitionseffizienz (IE) eines wässrigen Knoblauchextrakts bei der Kontrolle der Korrosion von Kohlenstoffstahl in Brunnenwasser in Abwesenheit und Anwesenheit von Zn2+ zu bewerten,(ii) den auf dem Kohlenstoffstahl gebildeten Schutzfilm durch FTIR-Spektren zu analysieren,(iii) die mechanistischen Aspekte der Korrosionshemmung durch potentiodynamische Polarisationsstudie zu verstehen, (iv) und einen geeigneten Mechanismus für die Korrosionshemmung vorzuschlagen.

2. experimentelles Verfahren

2.1. Herstellung des Knoblauchextrakts

Ein wässriger Knoblauchextrakt wurde hergestellt, indem 20 g Knoblauch mit bidestilliertem Wasser gemahlen, die Verunreinigungen herausgefiltert und auf 100 ml aufgefüllt wurden. Der Extrakt wurde in der vorliegenden Studie als Korrosionsinhibitor verwendet.

2.2. Vorbereitung der Proben

2.3. Masse-Verlust-Methode

Relevante Daten über das in dieser Studie verwendete Brunnenwasser sind in Tabelle 1 aufgeführt. Kohlenstoffstahlproben wurden in dreifacher Ausfertigung in 100 mL Brunnenwasser, das verschiedene Konzentrationen des Inhibitors enthielt, in Gegenwart und Abwesenheit von Zn2+ für 3 Tage eingetaucht. Das Gewicht der Proben vor und nach dem Eintauchen wurde mit einer Shimadzu-Waage, Modell AY 62, bestimmt. Die Korrosionsprodukte wurden mit Clarke’s Lösung gereinigt. Die Inhibitionseffizienz (IE) wurde dann anhand der folgenden Gleichung berechnet: 𝑊IE=1001-2𝑊1%,(1) wobei 𝑊1 die Korrosionsrate in Abwesenheit des Inhibitors und 𝑊2 die Korrosionsrate in Gegenwart des Inhibitors ist.

2.4. Oberflächenuntersuchung

Die Kohlenstoffstahlproben wurden 3 Tage lang in verschiedene Prüflösungen getaucht, herausgenommen und getrocknet. Die Art des Films, der sich auf der Oberfläche der Metallproben gebildet hat, wurde durch eine FTIR-spektroskopische Untersuchung analysiert.

2.5. Potentiodynamische Polarisation

Polarisationsstudien wurden in einem elektrochemischen H&CH-Arbeitsplatz Impedanzanalysator Modell CHI 660A durchgeführt. Es wurde eine Drei-Elektroden-Zellenanordnung verwendet. Die Arbeitselektrode war aus Kohlenstoffstahl. Eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) diente als Referenzelektrode, und eine rechteckige Platinfolie wurde als Gegenelektrode verwendet.

2.6. FTIR-Spektren

FTIR-Spektren wurden mit einem Perkin-Elmer 1600-Spektrophotometer aufgenommen. Der Film wurde vorsichtig entfernt, gründlich mit KBr gemischt, zu Pellets geformt und die FTIR-Spektren wurden aufgezeichnet.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1. Analyse der Ergebnisse der Mass-Loss-Methode

Die Korrosionsrate (CR) von Kohlenstoffstahl, der in Brunnenwasser (dessen Zusammensetzung in Tabelle 1 angegeben ist) in Abwesenheit und Anwesenheit von Inhibitorsystemen eingetaucht ist, ist in Tabelle 2 angegeben. Die Inhibitionswirkungsgrade sind ebenfalls in der Tabelle angegeben. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, dass der wässrige Knoblauchextrakt ein guter Inhibitor für Kohlenstoffstahl in Brunnenwasser ist. 2 mL Knoblauch zeigen 50% IE. Mit zunehmender Konzentration des Knoblauchextrakts nimmt auch die IE zu. Das heißt, bei höheren Konzentrationen beschleunigt Knoblauch die Korrosionshemmung .

3.1.1. Einfluss von Zn2+ auf die Inhibitionswirkung von Knoblauchextrakt

Der Einfluss von Zn2+ auf die IE von Knoblauchextrakt ist in Tabelle 2 dargestellt. In Anwesenheit von Zn2+ (25 ppm) weist der Knoblauchextrakt eine ausgezeichnete Hemmwirkung auf. Zum Beispiel beschleunigen 2 mL Knoblauchextrakt die Korrosion von Kohlenstoffstahl (IE=50%); 25 ppm Zn2+ haben 20% IE, aber ihre Kombination hat 70%.

3.2. Analyse der Polarisationskurven

Die potentiodynamischen Polarisationskurven von in Brunnenwasser eingetauchtem Kohlenstoffstahl in Abwesenheit und Anwesenheit von Inhibitoren sind in den Abbildungen 1(a) und 1(b) dargestellt. Die Korrosionsparameter sind in Tabelle 3 angegeben. Wenn Kohlenstoffstahl in Brunnenwasser getaucht wird, beträgt das Korrosionspotenzial -704 mV gegen SCE (gesättigte Kalomelelektrode). Der Korrosionsstrom beträgt 2,600×10-6 A/cm2. Wenn 2 ml Knoblauchextrakt und 25 ppm Zn2+ zu dem oben genannten System hinzugefügt werden, verschiebt sich das Korrosionspotenzial auf die anodische Seite (-690 mV gegenüber SCE). Dies deutet darauf hin, dass diese Formulierung vor allem die anodische Reaktion steuert. In Gegenwart des Inhibitorsystems sinkt der Korrosionsstrom von 2,600×10-6 A/cm2 auf 2,353×10-6 A/cm2. Dies deutet auf den inhibierenden Charakter dieses Inhibitorsystems hin.

Abbildung 1

Polarisationskurven von Kohlenstoffstahl, der in (a) Brunnenwasser und (b) Brunnenwasser +2 mL Knoblauchextrakt +25 ppm Zn2+ eingetaucht wurde.

3.3. Analyse der FTIR-Spektren

Das aktive Prinzip in einem wässrigen Knoblauchextrakt ist Allicin. Es besteht aus einer S=O- und einer S-Gruppe.

Ein paar Tropfen eines wässrigen Knoblauchextrakts wurden auf einer Glasplatte getrocknet. Es wurde eine feste Masse erhalten. Sein FTIR-Spektrum ist in Abbildung 2(a) dargestellt. Die Vinylgruppe erschien bei 1026,28 cm-1. S=O erschien bei 1026 cm-1 und S bei 1237,58 cm-1. Somit wird die Struktur von Allicin durch die FTIR-Spektren bestätigt (Schema 1). Das FTIR-Spektrum des durch Mischen von Knoblauchextrakt und Zn2+ hergestellten Komplexes ist in Abbildung 2(b) dargestellt. Die Bande, die auf konjugierte Doppelbindungen zurückzuführen ist, verschiebt sich von 3757,23 cm-1 auf 3819,62 cm-1. Die Bande bei 608,46 entspricht der Zn-O-Streckung. Die Frequenz der OH-Streckung erscheint bei 3407,06 cm-1. Dies bestätigt die Bildung von Zn(OH)2 an den kathodischen Stellen der Metalloberfläche. Da die Koordination zwischen Fe2+ und Allicin vollständig ist, verschwindet die Bande, die auf die Bildung des Komplexes zurückzuführen ist, im FTIR-Spektrum des durch Knoblauchextrakt auf der Oberfläche von Kohlenstoffstahl gebildeten Films (Abbildung 2(b)).

(a)

(b)

(a)
(b)

Abbildung 2

(a) FTIR-Spektren der durch Eindampfen des Knoblauchextrakts erhaltenen festen Masse. (b) FTIR-Spektren des Films, der sich auf der Oberfläche der Kohlenstoffstahlprobe nach Eintauchen in Brunnenwasser gebildet hat, das 2 mL Knoblauchextrakt und 25 ppm Zn2+ enthält.

3.4. Mechanismus der Korrosionshemmung

Die Studie zum Masseverlust zeigt, dass die Formulierung, die aus 2 ml Knoblauchextrakt und 25 ppm Zn2+ besteht, 70 % IE für Kohlenstoffstahl bietet, der in Brunnenwasser eingetaucht ist. Die Polarisationsstudie zeigt, dass diese Formulierung vorwiegend die anodische Reaktion kontrolliert. Die FTIR-Spektren zeigen, dass der Schutzfilm aus einem Fe2+-Allicin-Komplex und Zn(OH)2 besteht. Um die oben genannten Tatsachen ganzheitlich zu erklären, wird der folgende Mechanismus der Korrosionshemmung vorgeschlagen:(i) Wenn die Formulierung, die aus Brunnenwasser, Knoblauchextrakt und Zn2+ besteht, hergestellt wird, bildet sich in der Lösung ein Zn2+-Allizin-Komplex.(ii) Wenn Kohlenstoffstahl in die Lösung eingetaucht wird, diffundiert der Zn2+-Allizin-Komplex von der Masse der Lösung zur Metalloberfläche.(iii) Auf der Metalloberfläche wird der Zn2+-Allizin-Komplex in einen Fe2+-Allizin-Komplex umgewandelt. Zn2+ wird freigesetzt.(iv)Zn2+-Allizin + Fe2+ → Fe2+-Allizin + Zn2+.(v)Das freigesetzte Zn2+ verbindet sich mit OH- zu Zn(OH)2.(vi)Zn2+ + 2 OH- → Zn(OH)2.(vii)Der Schutzfilm besteht also aus Fe2+-Allizin-Komplex und Zn(OH)2.

4. Schlußfolgerungen

Die vorliegende Studie führt zu folgenden Schlußfolgerungen:(i) die Formulierung, die aus 2 ml Knoblauchextrakt und 25 ppm Zn2+ besteht, bietet eine 70%ige Hemmwirkung auf Kohlenstoffstahl, der in Brunnenwasser eingetaucht ist;(ii) die Polarisationsstudie zeigt, daß diese Formulierung vorwiegend die anodische Reaktion kontrolliert;(iii) die FTIR-Spektren zeigen, daß der Schutzfilm aus Fe2+-Allizin-Komplex und Zn(OH)2 besteht.

Danksagungen

Die Autoren sind ihren Verwaltungen und der University Grants Commission, Indien, für die Hilfe und Ermutigung dankbar.