Interfacial Corrosion Protection of ST37 Steel by Borassus flabellifer Husk Extract in 1 M HCl: Effect of Inhibitor Concentration

في العالم الصناعي، يمثل الفولاذ الهيكل العظمي للحياة الحديثة، حيث يشكل كل شيء من ناطحات السحاب إلى السفن. ومع ذلك، لجعل هذا المعدن مفيداً، غالباً ما يحتاج المصنعون إلى إزالة الصدأ والقشور، وهي عملية تسمى "التخمير" (pickling)، والتي تتضمن نقع الفولاذ في أحماض قوية مثل حمض الهيدروكلوريك. وبينما يعد هذا الحمض ممتازاً في تنظيف السطح، إلا أنه غير تمييزي؛ فبمجرد زوال الأوساخ، يبدأ الحمض في التهام الفولاذ نفسه، مما يؤدي إلى إذابته وإضعافه. ولإيقاف ذلك، يضيف المهندسون مثبطات التآكل، وهي مواد تغلف المعدن وتعمل كدرع. ولعقود من الزمن، صُنعت هذه الدروع من مواد كيميائية اصطناعية تعمل بشكل جيد ولكنها قد تكون سامة وضارة بالبيئة. وقد دفع هذا العلماء للبحث نحو الطبيعة لإيجاد بدائل، بحثاً عن مستخلصات نباتية قد توفر الحماية دون التكلفة البيئية. والسؤال ليس فقط ما إذا كان بإمكان نبات ما منع الصدأ، بل كيف يغير مقدار مادة ذلك النبات قدرته على حماية المعدن، وما إذا كانت هناك نقطة محددة يصبح فيها إضافة المزيد أقل فعالية.

وضع فريق من الباحثين من إندونيسيا واليابان هدفاً للإجابة على هذه الأسئلة باستخدام قشرة ثمرة شجرة النخيل من نوع Borassus flabellifer، وهو نوع من ثمار النخيل المنتشرة عادة في المناطق الاستوائية. وقد ركزوا على فولاذ ST37، وهو فولاذ إنشائي قياسي، واختبروا كيفية أداء مستخلص من القشرة الليفية الخارجية للنخلة في محلول من حمض الهيدروكلوريك بتركيز واحد مولار. لم يكتفِ الباحثون بالتخمين بشأن الكمية المناسبة للاستخدام، بل اختبروا المستخلص بشكل منهجي عند خمسة تركيزات مختلفة، تتراوح من 50 جزءاً في المليون حتى 250 جزءاً في المليون. ومن خلال غمر عينات الفولاذ في هذه المحاليل، تمكنوا من قياس كمية المعدن المفقود بدقة بمرور الوقت ومراقبة التغيرات الكيميائية التي تحدث عند السطح. كان هدفهم هو إيجاد التركيز الدقيق الذي يوفر فيه مستخلص النبات أقوى دفاع ضد الحمض، وفهم الآلية الفيزيائية وراء تلك الحماية.

كشفت النتائج عن نمط واضح ومثير للدهشة نوعاً ما. لم يعمل المستخلص بشكل أفضل لمجرد وجود المزيد منه، بل بلغت الحماية ذروتها عند تركيز محدد قدره 100 جزء في المليون. عند هذا المستوى، قلل المستخلص من فقدان وزن الفولاذ بنسبة تقارب 88 بالمائة مقارنة بالعينات غير المحمية. وعندما نظر الباحثون في سرعة تآكل الفولاذ، وجدوا أن المعدل انخفض من 5.62 مليمتر في السنة إلى 1.43 مليمتر في السنة فقط عند هذا التركيز الأمثل. ومع ذلك، عندما زادوا كمية المستخلص عن هذه النقطة، ضعفت الحماية في الواقع. ففي تركيزات 150 و200 و250 جزء في المليون، عانى الفولاذ من تآكل أكثر مما حدث عند علامة الـ 100 جزء في المليون. وهذا يشير إلى وجود حد لكيفية ترتيب جزيئات المستخلص على سطح المعدن، وأن تكدس السطح بجزيئات كثيرة جداً قد يؤدي في الواقع إلى تعطيل الطبقة الواقية.

ولفهم سبب حدوث ذلك، فحص الفريق الفولاذ تحت مجاهر قوية وحلل الإشارات الكيميائية القادمة من السطح. ووجدوا أنه عند التركيز الأمثل، ظل سطح الفولاذ أملس وسليماً بشكل ملحوظ، مغطى بطبقة موحدة من مستخلص النبات. وفي المقابل، أصبح الفكلاذ غير المحمي خشناً ومحفوراً، مع وجود وديان عميقة وقمم مسننة حيث أكل الحمض المعدن. وأظهر التحليل الكيميائي أن المستخلص يحتوي على مركبات غنية بالأكسجين وهياكل عطرية، يُرجح أنها مشتقة من مواد طبيعية مثل الفلافونويد والتانين الموجودة في النبات. ويبدو أن هذه الجزيئات تلتصق بالفولاذ، مكونة حاجزاً يمنع الحمض من الوصول إلى المعدن. ولاحظ الباحثون أن هذا الحاجز يعمل عن طريق إبطاء كل من إطلاق أيونات الحديد من المعدن وتوليد غاز الهيدروجين، مما يضع مكابح لعملية التآكل من كلا الجانبين.

كما بحثت الدراسة في كيفية تفاعل جزيئات المستخلص مع سطح الفولاذ، واختبرت ما إذا كانت تنتشر في طبقة واحدة منظمة أم تتكتل في كومة فوضوية. وقد ناسبت البيانات بشكل أفضل نموذجاً يصف طبقة واحدة متساوية من الجزيئات تغطي السطح، تماماً مثل طبقة رقيقة من الزيت تنتشر فوق الماء. ومع ذلك، لاحظ الباحثون أنه بينما وصف هذا النموذج التغطية بشكل جيد، لم يتمكنوا من حساب الطاقة التي تثبت الجزيئات في مكانها بشكل كامل بسبب خلل رياضي محدد في بياناتهم. ورغم هذا القصور، كان الدليل الفيزيائي متسقاً: فقد شكل المستخلص غشاءً واقياً قلل بشكل كبير من خشونة السطح. ووُجدت الأسطح الأكثر نعومة عند تركيز 100 جزء في المليون، حيث انخفض متوسط ارتفاع قمم ووديان السطح بأكثر من النصف مقارنة بالفولاذ المتضرر وغير المحمي.

في نهاية المطاف، يوضح هذا العمل أن قشرة ثمرة نخيل Borassus flabellifer هي مصدر قوي للحماية الطبيعية من التآكل، ولكن فعاليتها حساسة للغاية للكمية المستخدمة. وخلص الباحثون إلى أن المستخلص يعمل عن طريق الامتزاز على سطح الفصول، مما يخلق درعاً يمنع الحمض من مهاجمة المعدن. وبينما قد تبدو التركيزات الأعلى وكأنها ستوفر حماية أفضل، أظهرت الدراسة أن هناك نقطة مثالية تكون فيها الدرع أكثر اكتمالاً. وما وراء تلك النقطة، تصبح الطبقة الواقية أقل فعالية، ربما لأن الجزيئات تتداخل مع بعضها البعض. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على أهمية الدقة في استخدام المثبطات الطبيعية؛ فالأمر ليس قضية "الزيادة هي الأفضل"، بل هو ضرورة لإيجاد التوازن الدقيق حيث يمكن للكيمياء الطبيعية للنبات أن تدافع عن المعدن بأفضل شكل ممكن.