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Quaternization-Enhanced Corrosion Protection of API 5L X70 Carbon Steel in 1.0 M HCl by a Schiff Base-Derived Cationic Surfactant: Experimental and DFT Insights

Este estudio demuestra que un surfactante catiónico de base de Schiff cuaternarizado recientemente sintetizado supera significativamente a su precursor en la protección del acero al carbono API 5L X70 contra la corrosión por HCl 1.0 M, logrando una eficiencia de inhibición máxima del 90.90% mediante un mecanismo de adsorción de modo mixto confirmado mediante pruebas electroquímicas experimentales y cálculos de DFT.

Autores originales: M. A. Hegazy, Mohamed M. Asab, S. M. Rashwan, Medhat M. Kamel, Emad M. Gad

Publicado 2026-08-25

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CC BY 4.0

Autores originales: M. A. Hegazy, Mohamed M. Asab, S. M. Rashwan, Medhat M. Kamel, Emad M. Gad

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El acero es la columna vertebral de la industria moderna, formando las tuberías que transportan el petróleo, las estructuras de los edificios y la maquinaria que impulsa nuestra economía. Se elige por su resistencia y bajo costo, pero tiene una debilidad fatal: se oxida. Cuando el acero entra en contacto con entornos hostiles, particularmente con ácidos fuertes utilizados para limpiar pozos petroleros o eliminar depósitos minerales, se disuelve rápidamente. Esta corrosión carcome el metal, causando fugas, fallas en los equipos y accidentes peligrosos. Para detener esto, los ingenieros suelen añadir inhibidores químicos al ácido. Estos son moléculas que se adhieren a la superficie del acero, formando un escudo protector que bloquea el contacto del ácido con el metal. El desafío radica en encontrar un escudo que sea lo suficientemente fuerte como para contener al ácido, pero también asequible y fácil de usar.

Investigadores del Instituto de Investigación de Petróleo de Egipto y la Universidad del Canal de Suez se propusseron probar dos nuevos escudos químicos diseñados para proteger un tipo específico de acero fuerte conocido como API 5L X70. Este acero se utiliza ampliamente en la industria petrolera, lo que hace que su protección sea una prioridad. El equipo se centró en dos compuestos relacionados: una base de Schiff, que es un tipo de molécula orgánica conocida por su capacidad para adherirse al metal, y una versión modificada de esa misma molécula convertida en un surfactante catiónico. Un surfactante es una sustancia que reduce la tensión entre líquidos y superficies, permitiéndole extenderse fácilmente y formar una película. Los investigadores crearon el segundo compuesto mediante la unión química de una cadena larga y aceitosa a la molécula original, convirtiéndola efectivamente en una estructura similar a un jabón con una carga eléctrica positiva. Querían ver si este simple ajuste químico haría que el inhibidor fuera significativamente mejor para detener el óxido en una solución de ácido clorhídrico de un molar.

El equipo probó ambos productos químicos sumergiendo pequeñas probetas de acero en el ácido durante veinticuatro horas, con y sin los inhibidores. Midieron cuánta pérdida de peso tuvo el acero, lo que indica directamente cuánta corrosión ocurrió. También utilizaron pruebas eléctricas para observar cómo reaccionaba el metal en tiempo real y tomaron fotografías de alta magnificación de las superficies de acero para ver el daño físico. Los resultados fueron claros: ambos productos químicos funcionaron, pero el surfactante modificado fue muy superior. En la concentración más alta probada, la base de Schiff original redujo la tasa de corrosión en aproximadamente un 70 por ciento. El nuevo surfactante, sin embargo, redujo la corrosión en casi un 91 por ciento. Esta diferencia se mantuvo constante en diferentes temperaturas, aunque la protección disminuyó naturalmente a medida que el agua se calentaba, un comportamiento común para este tipo de escudos.

Para entender por qué el surfactante funcionó mucho mejor, los investigadores observaron cómo se comportaban las moléculas sobre el acero. Descubrieron que ambos productos químicos se adherían al metal reemplazando las moléculas de agua que usualmente se encuentran allí, formando una capa delgada y protectora. Este proceso ocurrió de forma espontánea y siguió un patrón predecible donde las moléculas se alineaban ordenadamente en la superficie. La cola larga y aceitosa del surfactante le ayudó a empaquetarse más densamente, creando una barrera más compacta que era más difícil de penetrar para el ácido. Las pruebas eléctricas confirmaron esto, mostrando que el surfactante aumentó la resistencia del acero a la corrosión en un margen mucho mayor que la molécula original. Las fotografías de las superficies de acero contaron la misma historia: el acero tratado con el surfactante permaneció liso y mayormente intacto, mientras que el acero tratado con la molécula original mostraba más signos de picaduras y rugosidad.

Los investigadores también utilizaron simulaciones por computadora para observar las moléculas a nivel atómico. Estos cálculos sugirieron que el surfactante tenía una mayor capacidad para compartir electrones con los átomos de hierro en el acero, lo que ayuda a fijar la capa protectora en su lugar. Las simulaciones mostraron que la molécula del surfactante tenía una mayor densidad de carga negativa y una forma más favorable para interactuar con la superficie del metal en comparación con la base de Schiff original. Si bien los datos apuntaban fuertemente a que la atracción física era la principal forma en que los químicos se adherían al acero, los modelos computacionales sugirieron que algún tipo de enlace químico también podría estar ayudando a fortalecer el escudo. El equipo concluyó que el simple acto de añadir una cadena larga y aceitosa a la molécula original la transformó en un guardián mucho más efectivo, ofreciendo una nueva herramienta prometedora para proteger tuberías y equipos en los entornos ácidos y hostiles de la industria del petróleo y el gas.

Resumen Técnico: Mejora de la Protección contra la Corrosión mediante Cuaternización de Acero al Carbono API 5L X70

Planteamiento del Problema
El acero al carbono, particularmente el API 5L X70, es ampliamente utilizado en tuberías de ingeniería e industriales debido a su resistencia mecánica y rentabilidad. Sin embargo, es altamente susceptible a la degradación en entornos ácidos hostiles, como los encontrados durante la estimulación de pozos petroleros, la limpieza de tuberías y la eliminación de incrustaciones mediante ácido clorhídrico (HCl). La exposición a 1.0 M de HCl inicia reacciones electroquímicas que conducen a la disolución del metal, la evolución de hidrógeno y fallas en los equipos. Si bien la tecnología de inhibidores es crítica para mitigar estos riesgos, existe la necesidad de evaluar cómo las modificaciones estructurales, específicamente la cuaternización, influyen en la eficacia de los inhibidores de corrosión en medios ácidos.

Metodología
El estudio investigó dos compuestos estructuralmente relacionados: una base de Schiff recién sintetizada, (Z)-N,N-dimetil-3-((1-metilpirrolidin-2-ilideno)amino)propan-1-amina, y su derivado de surfactante catiónico cuaternizado, (E)-N,N-dimetil-N-(3-((1-metilpirrolidin-2-ilideno)amino)propil)dodecan-1-aminio bromuro. El surfactante fue creado mediante la alquilación de la base de Schiff con 1-bromododecano.

El rendimiento de estos inhibidores se evaluó frente al acero al carbono API 5L X70 en 1.0 M de HCl utilizando un enfoque multifacético:

Análisis Gravimétrico (Pérdida de Peso): Realizado durante 24 horas a temperaturas que oscilaron entre 25 °C y 85 °C con concentraciones de inhibidor de $1 \times 10^{-4}$ a $5 \times 10^{-3}$ mol L $^{-1}$ .
Técnicas Electroquímicas: Se realizaron polarización potenciodinámica (PDP) y Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS) a 25 °C para determinar las corrientes de corrosión, los potenciales y la resistencia a la transferencia de carga.
Caracterización de Superficie: Se utilizaron Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDX) para examinar la morfología superficial y la composición elemental tras la exposición.
Cálculos Teóricos: Se emplearon cálculos de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) (B3LYP/6-311G) para analizar las energías de los orbitales moleculares, los descriptores de reactividad y los mecanismos de adsorción.
Actividad Superficial: Se realizaron mediciones de la concentración de micela crítica (CMC) y de la tensión superficial para evaluar las propiedades del surfactante.

Contribuciones Clave y Resultados

Eficiencia de Inhibición: Ambos compuestos demostraron una inhibición de la corrosión dependiente de la concentración. El surfactante catiónico superó consistentemente a la base de Schiff original. En la concentración óptima ( $5 \times 10^{-3}$ mol L $^{-1}$ ) y a 25 °C, el surfactante alcanzó una eficiencia de inhibición máxima del 90.90%, en comparación con el 70.54% de la base de Schiff.
Efectos de la Temperatura: La eficiencia de inhibición para ambos compuestos disminuyó a medida que la temperatura aumentó de 25 °C a 85 °C, lo que sugiere que el proceso de adsorción es exotérmico y que la mayor energía térmica promueve la desorción.
Mecanismo de Adsorción: Los inhibidores siguieron la isoterma de adsorción de Langmuir. Los parámetros termodinámicos indicaron una adsorción espontánea (valores de $\Delta G^0_{ads}$ entre -33.13 y -40.53 kJ mol $^{-1}$ ). La entalpía de adsorción ( $\Delta H^0_{ads}$ ) relativamente baja y la dependencia de la temperatura sugieren que la adsorción física (atracción electrostática) es el mecanismo dominante, aunque los autores señalan que las interacciones donador-aceptor también pueden contribuir.
Comportamiento Electroquímico: Ambos inhibidores actuaron como inhibidores de tipo mixto, suprimiendo tanto la disolución anódica del metal como la evolución catódica de hidrógeno. Los resultados de PDP mostraron una reducción significativa en la densidad de corriente de corrosión ( $i_{corr}$ ), mientras que los datos de EIS revelaron un aumento sustancial en la resistencia a la transferencia de carga ( $R_{ct}$ ) y una disminución en la capacitancia de la doble capa ( $C_{dl}$ ) con el aumento de la concentración del inhibidor, lo que indica la formación de una capa de barrera protectora.
Análisis de Superficie: Las imágenes de SEM confirmaron que las superficies tratadas con el inhibidor permanecieron significativamente más lisas y menos corroídas en comparación con las muestras en blanco. El análisis EDX detectó nitrógeno en las superficies protegidas, confirmando la adsorción de los inhibidores que contienen nitrógeno, y mostró una reducción en el contenido de oxígeno, indicando la supresión de la formación de óxidos.
Perspectivas Teóricas: Los cálculos de DFT respaldaron los hallazgos experimentales, mostrando que el surfactante posee una mayor energía HOMO, una brecha de energía HOMO-LUMO más pequeña, un momento dipolar más alto y una mayor carga negativa total en comparación con la base de Schiff. Estas propiedades electrónicas se correlacionan con la capacidad superior de donación de electrones del surfactante y una interacción más fuerte con la superficie metálica.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la cuaternización de la base de Schiff en un surfactante catiónico mejora significativamente su capacidad de protección contra la corrosión. Esta mejora se atribuye a la naturaleza anfífila del surfactante, que facilita un empaquetamiento denso y una cobertura superficial efectiva en el acero al carbono. El estudio establece un vínculo directo entre la estructura molecular (específicamente la introducción de una cadena larga de alquilo y un grupo de amonio cuaternario) y la mejora del rendimiento inhibitorio.

Los autores concluyen que el surfactante catiónico sintetizado es un candidato prometedor para el control de la corrosión en entornos ácidos relevantes para la industria petrolera. Sin embargo, señalan modestamente que estos hallazgos se basan en condiciones de laboratorio (HCl 1.0 M estático a presión ambiente) y que es necesaria una mayor investigación bajo condiciones relevantes de campo (temperaturas más altas, presiones, flujo dinámico y presencia de otros aditivos) antes de su aplicación práctica. El trabajo proporciona un marco comparativo que demuestra que la modificación estructural mediante la cuaternización puede optimizar eficazmente el rendimiento del inhibidor para la protección del acero al carbono.

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