Sesamum indicum as Green Surfactant Corrosion Inhibitor for 316L Steel in Hydrochloric Acid Solution

في صناعة النفط والغاز، تواجه المعدات المعدنية التي تفصل وتكرر النفط الخام معركة مستمرة وغير مرئية. فغالباً ما تكون البيئة داخل هذه الآلات مليئة بالمواد الكيميائية القاسية، ولا سيالما أيونات الكلوريد، التي تعمل كعناصر صغيرة عدوانية تجرد طبقات الحماية عن الفولاذ. وعندما يحدث هذا، يتآكل المعدن، مما يؤدي إلى تسربات، وفشل في المعدات، وخسائر مالية فادحة للدول التي تعتمد على هذه الموارد. ولعقود من الزمن، حارب المهندسون ذلك باستخدام المثبطات الكيميائية الاصطناعية، لكن هذه الحلول غالباً ما تأتي بمشاكلها الخاصة: إذ يمكن أن تكون سامة للبيئة ومكلفة الإنتاج. وقد دفع هذا العلماء للبحث في الطبيعة عن بديل أكثر رفقاً واستدامة؛ والهدف هو العثين على مادة مشتقة من النباتات يمكنها الالتصاق بالأسطح المعدنية وتشكيل درع، يوقف الهجوم التآكلي دون تسميم المياه أو الهواء.

لقد شرع فريق من الباحثين من نيجيريا في اختبار أحد هذه المرشحين: بذور نبات السمسم، المعروف علمياً باسم (Sesamum indicum). وركزوا على نوع محدد من الفولاذ يسمى الفولاذ المقاوم للصدأ 316L، وهو مادة تحظى بتقدير كبير لقوتها ومقاومتها للصدأ، وتُستخدم بشكل شائع في الأجزاء العلوية الحرجة من مصافي النفط. ولمحاكاة الظروف القاسية التي تواجهها هذه المعادن، أنشأ الباحثون بيئة مختبرية باستخدام محلول حمض الهيدروكلوريك عالي التركيز، الذي بلغت شدته تسعة مولات لكل لتر، وهو مستوى من الحموضة كفيل بتدمير الفولاذ غير المحمي بسرعة كبيرة. قاموا بإدخال مستخلص مصنوع من بذور السمسم في هذا الحمض وراقبوا ما إذا كانت المادة النباتية قادرة على إبطاء عملية التآكل. لم تكن الدراسة مجرد بحث عن مادة كيميائية فعالة فحسب؛ بل كانت تهدف إلى إثبات أن منتجاً زراعياً شائعاً يمكن أن يعمل كعامل خافض للتوتر السطحي "أخضر" — وهي مادة تنتشر لتغطي سطحاً وتطرد الأيونات الضارة — مع التوافق مع الأهداف العالمية للمياه النظية والإنتاج المسؤول.

بدأ الباحثون بتحضير عينات الفولاذ، حيث صقلوها حتى وصلت إلى درجة اللمعان المرآتي لضمان نقطة بداية نظيفة. ثم غمروا هذه العينات في حمام الحمض، بعضها مع إضافة مستخلص السمسم وبعضها بدون. وعلى مدار فترة تزيد عن 500 ساعة، قاموا بوزن قطع الفولاذ يومياً لقياس كمية المعدن المفقودة بسبب التآكل بدقة. كانت النتائج واضحة: الفولاذ الذي تُرك في الحمض دون أي حماية فقد وزناً كبيراً، مما أظهر ضرراً جسيماً. ومع ذلك، كلما زاد الباحثون كمية مستخلص السمسم في المحلول، انخفض فقدان الوزن بشكل كبير. وعند أعلى تركيز اختبروه، قلل المستخلص من معدل التآكل بفعالية شدلة جعلت الفولاذ يحتفظ بمعظم كتلته. لقد عمل المستخلص كحاجز، مانعاً الحمض العدواني من التهام المعدن.

ولفهم كيفية عمل هذه الحماية، نظر الفريق إلى السلوك الكيميائي لمستخلص السمسم باستخدام تقنية تحدد الروابط والذرات النوعية داخل المادة. ووجدوا أن المستخلص غني بالمركبات العضوية مثل القلويات، والسابونين، والجليكوسيدات، والتي تحتوي على ذرات النيتروجين والأكسجين والكبريت. وتمتلك هذه الذرات ميلاً طبيعياً لمنح الإلكترونات. وعند إضافة المستخلص إلى الحمض، تحركت هذه الجزيئات نحو سطح الفولاذ والتصقت به، مكونة طبقة رقيقة واقية. لاحظ الباحثون أن المجموعات الوظيفية المسؤولة عن هذا الالتصاق قد استُنفدت على سطح الفولاذ، مما أكد أن الجزيئات قد ارتبطت بقوة بالمعدن بدلاً من مجرد الطفو في السائل. وقد عملت هذه الطبقة كدرع، يمنع أيونات الكلوريد من الوصول إلى الفولاذ.

وكشفت اختبارات أخرى باستخدام القياسات الكهربائية أن مستخلص السمسم لم يكتفِ بسد جانب واحد من عملية التآكل فحسب، بل أبطأ أيضاً كلا التفاعلين: التفاعل الذي يذوب فيه المعدن، والتفاعل الذي ينتج عنه غاز الهيدروجين. وهذا يعني أن المستخلص يعمل كمثبط من النوع المختلط، حيث يحمي الفولاذ من زوايا متعددة. واتبعت طريقة استقرار الجزيئات على سطح المعدن نمطاً محدداً يُعرف باسم "إيزوثيرم فرومكينكين للامتزاز"، والذي يصف كيفية تفاعل الجسيمات مع بعضها البعض أثناء تراصها على السطح. وأشار هذا التفاعل إلى أن الجزيئات لم تكن مبعثرة عشوائياً، بل كانت تنظم نفسها في طبقة متماسكة تغطي الفولاذ بفعالية.

وقد دعمت الأدلة البصرية هذه النتائج الكيميائية. فعندما فحص الباحثون الفولاذ تحت المجهر، أظهرت العينات غير المحمية علامات واضحة على النقر والتآكل المنتظم، حيث كان السطح منقراً ومتضرراً بفعل الحمض. وفي المقابل، بدت العينات المعالجة بمستخلص السمسم أكثر نعومة، مع وجود طبقة واقية مرئية منعت الحمض من مهاجمة المعدن. وخلصت الدراسة إلى أن (Sesamum indicum) هو مثبط فعال للغاية، وغير سام، وقابل للتحلل الحيوي، ويمكنه حماية الفولاذ المقاوم للصدأ 316L في البيئات شديدة الحموضة. ومن خلال استخدام بذور نباتية شائعة، يقدم هذا البحث مساراً نحو تقليل الخسائر الاقتصادية الناجمة عن التآكل، مع دعم الاستدامة البيئية وتقليل الاعتماد على المواد الكيميائية الاصطناعية السامة في الوقت ذات نفسه.