Chicken Feather-Derived Keratin-Based Bioplastic as a Corrosion Inhibitor for Mild Steel in 0.1 M HCl: Electrochemical, Gravimetric and Adsorption Studies

الصدأ هو لص بطيء ومستمر يسرق القيمة من البنية التحتية المعدنية في العالم. فعندما يتعرض الفولاذ للبيئات الحمضية، مثل تلك الموجودة في عمليات التنظيف الصناعي أو المعالجة الكيميائية، يذوب المعدن بسرعة، مما يقصر عمر الأنابيب والخزانات والآلات. ولإيقاف ذلك، غالبًا ما يضيف المهندسون مثبطات كيميائية إلى الحمض؛ وهي مواد تغلف سطح المعدن، مما يخلق حاجزًا يبطئ التفاعل الكيميائي الذي ينهش الفولاذ. لعقود من الزمن، كانت العديد من هذه المثبطات عبارة عن مركبات عضوية اصطناعية، ومع ذلك، هناك اهتمام متزايد بإيجاد حلول ليست فعالة فحسب، بل مستمدة أيضًا من مصادر متجددة، محولةً النفايات إلى مورد وقائي. وهذا التحول مدفوع بالرغبة في تقليل الاعتماد على البتروكيماويات وإيجاد استخدامات جديدة للمواد التي كان سيتم التخلص منها لولا ذلك.

في دراسة حديثة، استكشف الباحثون مصدرًا فريدًا لمثل هذا العامل الواقي: ريش الدجاج. فهذا الريش، الذي يعد منتجًا ثانويًا ضخمًا من صناعة الدواجن، غني ببروتين قوي يسمى الكيراتين. والكيراتين هو نفس المادة الهيكلية الموجودة في شعر الإنسان وأظافرها. وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطًا: هل يمكنهم تحويل هذه المادة المهملة إلى فيلم بلاستيكي حيوي (bioplastic)، والذي عند إذابته في الحمض، يلتصق بالفولاذ ويمنع صدأه؟ لم ينظروا إلى الريش كمادة خام فحسب، بل قاموا بمعالجتها إلى فيلم مركب محدد ممزوج بالجلسرين والسليلوز، ثم اختبروا مدى جودة هذا الخليط في حماية الفولاذ الطري في محلول من حمض الهيدروكلوريك.

بدأ الفريق بجمع ريش النفايات من مصنع معالجة في نيجيريا. قاموا بتنظيف الريش جيدًا، وإزالة الأوساخ والزيوت، ثم قاموا بتفكيكه باستخدام عملية كيميائية لاستخراج بروتين الكيراتين. بعد ذلك، تم خلط هذا البروتين المستخلص مع الجلسرين، الذي يعمل كعامل تليين، والسليلوز ميكروكريستالين، وهو ألياف نباتية، لإنشاء فيلم مرن. كان هذا الفيلم هو "البلاستيك الحيوي" الذي قصدوا استخدامه. وقبل اختبار قدراته الوقائية، فحص الباحثون المادة بدقة باستخدام أدوات علمية متنوعة؛ حيث استخدموا مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتأكيد وجود البنية البروتينية، والمجهر الإلكتروني لرؤية ملمس السطح، والتحليل الحراري لفهم كيفية تصرف المادة تحت تأثير الحرارة. وأظهرت النتائج أن المادة احتفظت بالسمات الكيميائية الرئيسية للبروتين الأصلي، حتى بعد تحويلها إلى فيلم.

لاختبار فعالية المادة، وضع الباحثون قطعًا صغيرة من الفوليد الطري في حمام من حمض الهيدروكلوريك. وأجروا هذه الاختبارات في درجات حرارة مختلفة، تتراوح من 30 درجة مئوية معتدلة حتى 60 درجة مئوية ساخنة. وفي بعض الاختبارات، لم يضيفوا شيئًا إلى الحمض، ليكون بمثابة مجموعة ضابطة لمعرفة مدى سرعة صدأ الفولاذ بمفرده. وفي اختبارات أخرى، أضافوا البلاستيك الحيوي القائم على الكيراتين بتركيزات متفاوتة، تصل إلى 0.8 جرام لكل لتر. وقاسوا التآكل بطريقتين رئيسيتين: أولاً، وزنوا قطع الفولاذ قبل وبعد نقعها في الحمض لمعرفة مقدار المعدن المفقود بدقة. وثانياً، استخدموا طريقة كهروكيميائية، والتي تقيس تدفق التيار الكهربائي الناتج عن تفاعل التآكل، للحصول على قراءة دقيقة لسرعة ذوبان المعدن في أي لحظة.

وأظهرت النتائج أن مادة ريش الدجاج قد أبطأت بالفعل عملية التآكل. فكلما زاد تركيز البلاستيك الحيوي في الحمض، انخفض معدل ذوبان الفولاذ. وعند أعلى تركيز تم اختباره، قللت المادة من معدل التآكل بشكل كبير. ومع ذلك، لم تكن الحماية مثالية، وتغير أداؤها بتغير درجة الحرارة. ففي أدنى درجة حرارة تم اختبارها، خفضت المادة معدل التآكل من 37.56 مليمتر في السنة إلى 21.79 مليمتر في السنة، مما يمثل كفاءة تثبيط تبلغ حوالي 42 بالمائة. وعندما ارتفعت درجة الحرارة إلى 50 درجة مئوية، أصبحت المادة أكثر فعالية، حيث وصلت إلى ذروة كفاءتها بنسبة 54 بالمائة. ولكن عندما صعدت درجة الحرارة إلى 60 درجة مئوية، انخفضت الحماية، لتعود إلى حوالي 32 بالمائة. وهذا يشير إلى أنه بينما تعمل المادة بشكل جيد، فإن الحرارة تؤدي في النهاية إلى جعلها أقل استقرارًا أو أقل فعالية في الالتصاق بالمعدن.

كما نظر الباحثون في كيفية تفاعل المادة مع سطح الفولاذ. ومن خلال تحليل البيانات، وجدوا أن البلاستيك الحيوي يعمل كمثبط "مختلط النوع". وهذا يعني أنه أبطأ كلاً من التفاعلات الكيميائية التي تطلق الإلكترونات من المعدن والتفاعلات التي تستهلكها، بدلاً من حظر جانب واحد فقط من العملية. وقد ناسبت البيانات نموذج "لانجموير" الرياضي بشكل أفضل من النماذج الأخرى، مما يشير إلى أن جزيئات البلاستيك الحيوي تنتشر عبر سطح الفولاذ في طبقة واحدة، مغطيةً البقع التي يبدأ فيها الصدأ عادةً. ومع ذلك، فقد نوه المؤلفون بحذر إلى أنه نظراً لأن البلاستيك الحيوي هو خليط معقد من البروتينات والألياف المختلفة وليس مادة كيميائية نقية واحدة، فإن هذا النموذج هو مجرد تقريب؛ فهو يصف السلوك جيداً، لكنه لا يثبت بالضبط كيفية ترتيب كل جزيء بمفرده على السطح.

خلصت الدراسة إلى أن تحويل نفايات ريش الدجاج إلى بلاستيك حيوي هو وسيلة قابلة للتطبيق لإنشاء مثبط للتآكل. لقد نجحت المادة في تقليل تآكل الفولاذ الطري في الظروف الحمضية، مما يثبت إمكانية تحويل نفايات الدواجن إلى منتج صناعي وظيفي. وأكد الباحثون أنه على الرغم من أن النتائج واعدة، إلا أن المادة ليست علاجاً سحرياً؛ إذ تعتمد فعاليتها بشكل كبير على التركيز المستخدم ودرجة حرارة البيئة. ففي درجات الحرارة المرتفعة، تضعف الحماية، مما يشير إلى أن المادة قد لا تكون مناسبة للعمليات الصناعية شديدة الحرارة دون تعديل إضافي. ويقف هذا العمل كدليل على طريقة عملية لتحويل منتج نفايات شائع إلى أداة مفيدة لحماية المعادن، مما يقدم لمحة عن كيف يمكن للمواد البيولوجية أن تحل يوماً ما محل المواد الكيميائية الاصطناعية في التطبيقات الصناعية.