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

In der Öl- und Gasindustrie steht die metallische Ausrüstung, die Rohöl trennt und veredelt, in einem ständigen, unsichtbaren Kampf. Die Umgebung innerhalb dieser Maschinen ist oft erfüllt von aggressiven Chemikalien, insbesondere Chloridionen, die wie winzige, aggressive Akteure wirken, welche die Schutzschichten des Stahls abtragen. Wenn dies geschieht, korrodiert das Metall, was zu Lecks, Geräteausfällen und massiven finanziellen Verlusten für Nationen führt, die auf diese Ressourcen angewiesen sind. Jahrzehntelang haben Ingenieure mit synthetischen chemischen Inhibitoren dagegen angekämpft, doch diese Lösungen bringen oft eigene Probleme mit sich: Sie können toxisch für die Umwelt sein und sind teuer in der Herstellung. Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, sich nach der Natur nach einer sanfteren, nachhaltigeren Alternative umzusehen. Das Ziel ist es, eine Substanz zu finden, die aus Pflanzen gewonnen wird, die sich an Metalloberflächen heften und einen Schild bilden kann, um den korrosiven Angriff zu stoppen, ohne das Wasser oder die Luft zu vergiften.

Ein Forschungsteam aus Nigeria setzte sich zum Ziel, einen solchen Kandidaten zu testen: den Samen der Sesams Pflanze, wissenschaftlich bekannt als Sesamum indicum. Sie konzentrierten sich auf eine spezifische Art von Stahl, nämlich 316L-Edelstahl, ein Material, das wegen seiner Stärke und Rostbeständigkeit geschätzt wird und häufig in den kritischen Obersektionen von Ölraffinerien verwendet wird. Um die extremen Bedingungen zu simulieren, denen diese Metalle ausgesetzt sind, schufen die Forscher eine Laborumgebung mit einer hochkonzentrierten Salzsäurelösung von neun Mol pro Liter – ein Säuregrad, der ungeschützten Stahl rasch zerstören würde. Sie führten ein Extrakt aus Sesamsamen in diese Säure ein und beobachteten, ob das Pflanzenmaterial die Korrosion verlangsamen konnte. Bei der Studie ging es nicht nur darum, ein chemisches Mittel zu finden, das funktioniert; es ging darum, zu beweisen, dass ein gewöhnliches landwirtschaftliches Produkt als „grünes“ Tensid dienen kann – eine Substanz, die sich auf einer Oberfläche ausbreitet und schädliche Ionen abweist – während es gleichzeitig globale Ziele für sauberes Wasser und verantwortungsvolle Produktion unterstützt.

Die Forscher begannen mit der Vorbereitung der Stahlproben, indem sie diese auf Hochglanz polierten, um einen sauberen Ausgangspunkt zu gewährleisten. Dann tauchten sie diese Proben in das Säurebad, wobei einige mit dem Sesamextrakt versetzt und andere ohne versetzt wurden. Über einen Zeitraum von mehr als 500 Stunden wogen sie die Stahlstücke täglich, um genau zu messen, wie viel Metall durch Korrosion verloren ging. Die Ergebnisse waren eindeutig: Der Stahl, der ohne jeglichen Schutz in der Säure verblieb, verlor ein erhebliches Gewicht, was schwere Schäden zeigte. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass mit zunehmender Menge des Sesamextrakts in der Lösung der Gewichtsverlust drastisch sank. Bei der höchsten getesteten Konzentration reduzierte das Extrakt die Korrosionsrate so effektiv, dass der Stahl den Großteil seiner Masse behielt. Das Extrakt wirkte wie eine Barriere, die verhinderte, dass die aggressive Säure das Metall zerfraß.

Um zu verstehen, wie dieser Schutz funktionierte, untersuchte das Team das chemische Verhalten des Sesamextrakts mithdem einer Technik, die die spezifischen Bindungen und Atome innerhalb einer Substanz identifiziert. Sie fanden heraus, dass das Extrakt reich an organischen Verbindungen wie Alkaloiden, Saponinen und Glykosiden ist, die Stickstoff-, Sauerstoff- und Schwefelatome enthalten. Diese Atome haben die natürliche Tendenz, Elektronen abzugeben. Als das Extrakt zur Säure hinzugefügt wurde, bewegten sich diese Moleküle auf die Stahloberfläche zu und hefteten sich an sie, wodurch ein dünner, schützender Film entstand. Die Forscher beobachteten, dass die funktionellen Gruppen, die für diese Anheftung verantwortlich waren, an der Stahloberfläche verbraucht wurden, was bestätigte, dass die Moleküle fest an das Metall gebunden waren und nicht nur in der Flüssigkeit schwammen. Dieser Film fungierte als Schild, der die Chloridionen daran hinder, das Metall zu erreichen.

Weitere Tests mittels elektrischer Messungen ergaben, dass der Sesamextrakt nicht nur eine Seite des Korrosionsprozesses blockierte, sondern auch beide Reaktionen verlangsamte: die Reaktion, bei der das Metall sich auflöst, und die Reaktion, bei der Wasserstoffgas entsteht. Dies bedeutet, dass das Extrakt als Inhibitor vom gemischten Typ fungiert und den Stahl aus mehreren Blickwinkeln schützt. Die Art und Weise, wie sich die Moleküle auf die Metalloberfläche setzten, folgte einem spezifischen Muster, bekannt als Frumkin-Adsorptionsisotherme, die beschreibt, wie Teilchen miteinander interagieren, während sie sich auf einer Oberfläche anordnen. Diese Wechselwirkung deutete darauf hin, dass die Moleküle nicht nur zufällig verstreut waren, sondern sich zu einer kohäsiven Schicht organisierten, die den Stahl effektiv bedeckte.

Visuelle Belege stützten diese chemischen Erkenntnisse. Als die Forscher den Stahl unter einem Mikroskop untersuchten, zeigten die ungeschützten Proben deutliche Anzeichen von Lochfraß und gleichmäßiger Korrosion; die Oberfläche war durch die Säure zerfurcht und beschädigt. Im Gegensatz dazu erschienen die mit dem Sesamextrakt behandelten Proben viel glatter, mit einer sichtbaren Schutzschicht, die verhindert hatte, dass die Säure das Metall angriff. Die Studie kam zu dem Schluss, dass Sesamum indicum ein hocheffektiver, ungiftiger und biologisch abbaubarer Inhibitor ist, der 316L-Edelstahl in extrem sauren Umgebungen schützen kann. Durch die Verwendung eines gewöhnlichen Pflanzensamens bietet die Forschung einen Weg, die wirtschaftlichen Verluste durch Korrosion zu reduzieren und gleichzeitig die ökologische Nachhaltigkeit zu unterstützen sowie die Abhängigkeit von toxischen synthetischen Chemikalien zu verringern.