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

La rouille est un voleur lent et implacable qui dérobe de la valeur aux infrastructures métalliques du monde. Lorsque l'acier est exposé à des environnements acides, tels que ceux rencontrés dans le nettoyage industriel ou le traitement chimique, le métal se dissout rapidement, raccourcissant la durée de vie des tuyaux, des réservoirs et des machines. Pour stopper cela, les ingénieurs ajoutent souvent des inhibiteurs chimiques à l'acide. Ce sont des substances qui recouvrent la surface métallique, créant une barrière qui ralentit la réaction chimique qui ronge l'acier. Depuis des décennies, beaucoup de ces inhibiteurs sont des composés organiques synthétiques. Cependant, il existe un intérêt croissant pour la recherche de solutions qui soient non seulement efficaces, mais aussi dérivées de sources renouvelables, transformant ainsi les déchets en une ressource protectrice. Ce changement est porté par une volonté de réduire la dépendance aux produits pétrochimiques et de trouver de nouvelles utilisations pour des matériaux qui seraient autrement mis au rebut.

Dans une étude récente, des chercheurs ont exploré une source unique pour un tel agent protecteur : les plumes de poulet. Ces plumes, qui constituent un sous-produit massif de l'industrie avicole, sont riches en une protéine robuste appelée kératine. La kératine est la même matière structurelle que l'on trouve dans les cheveux et les ongles humains. Les chercheurs se sont posé une question simple : pouvaient-ils transformer ce matériau de déchet en un film bioplastique qui, lorsqu'il est dissous dans l'acide, adhérerait à l'acier et empêcherait la rouille ? Ils n'ont pas seulement considéré les plumes comme une matière première ; ils les ont transformées en un film composite spécifique mélangé à du glycérol et de la cellulose, puis ont testé la capacité de ce mélange à protéger l'acier doux dans une solution d'acide chlorhydrique.

L'équipe a commencé par collecter des plumes usagées auprès d'une usine de transformation au Nigéria. Ils ont nettoyé soigneusement les plumes, en retirant la saleté et les huiles, puis les ont décomposées à l'aide d'un processus chimique pour extraire la protéine de kératine. Cette protéine extraite a ensuite été mélangée à du glycérol, qui agit comme un agent assouplissant, et à de la cellulose microcristalline, une fibre végétale, pour créer un film flexible. Ce film était le « bioplastique » qu'ils avaient l'intention d'utiliser. Avant de tester ses pouvoirs de protection, les chercheurs ont examiné attentivement le matériau à l'aide de divers outils scientifiques. Ils ont utilisé la spectroscopie infrarouge pour confirmer la présence de structures protéiques, la microscopie électronique pour observer la texture de la surface et l'analyse thermique pour comprendre le comportement du matériau sous l'effet de la chaleur. Les résultats ont montré que le matériau conservait les caractéristiques chimiques clés de la protéine d'origine, même après avoir été transformé en film.

Pour tester l'efficacité du matériau, les chercheurs ont placé de petits morceaux d'acier doux dans un bain d'acide chlorhydrique. Ils ont effectué ces tests à différentes températures, allant d'une température modérée de 30 degrés Celsius jusqu'à une température plus chaude de 60 degrés Celsius. Dans certains tests, ils n'ont rien ajouté à l'acide, servant de témoin pour voir à quelle vitesse l'acier rouillerait de lui-même. Dans d'autres tests, ils ont ajouté le bioplastique à base de kératine à diverses concentrations, jusqu'à 0,8 gramme par litre. Ils ont mesuré la corrosion de deux manières principales. Premièrement, ils ont pesé les morceaux d'acier avant et après l'immersion dans l'acide pour voir exactement quelle quantité de métal avait été perdue. Deuxièmement, ils ont utilisé une méthode électrochimique, qui mesure le flux de courant électrique causé par la réaction de corrosion, afin d'obtenir une lecture précise de la vitesse à laquelle le métal se dissolvait à n'importe quel instant donné.

Les résultats ont montré que le matériau issu des plumes de poulet a effectivement ralenti la corrosion. À mesure que la concentration de bioplastique dans l'acide augmentait, le taux de dissolution de l'acier diminuait. À la concentration la plus élevée testée, le matériau a réduit significativement le taux de corrosion. Cependant, la protection n'était pas parfaite, et ses performances variaient avec la température. À la température la plus basse testée, le matériau a réduit le taux de corrosion de 37,56 millimètres par an à 21,79 millimètres par an, représentant une efficacité d'inhibition d'environ 42 %. Lorsque la température est montée à 50 degrés Celsius, le matériau est devenu encore plus efficace, atteignant une efficacité maximale de 54 %. Mais lorsque la température a grimpé jusqu'à 60 degrés Celsius, la protection a chuté, retombant à environ 32 %. Cela suggère que, bien que le matériau fonctionne bien, la chaleur finit par le rendre moins stable ou moins efficace pour adhérer au métal.

Les chercheurs ont également étudié l'interaction du matériau avec la surface de l'acier. En analysant les données, ils ont découvert que le bioplastique agissait comme un inhibiteur de « type mixte ». Cela signifie qu'il ralentissait à la fois les réactions chimiques libérant des électrons du métal et les réactions les consommant, plutôt que de bloquer un seul côté du processus. Les données s'ajustaient mieux à un modèle mathématique connu sous le nom de modèle de Langmuir qu'à d'autres modèles, ce qui suggère que les molécules du bioplastique se répartissent sur la surface de l'acier en une couche unique, couvrant les points où la rouille commencerait normalement. Cependant, les auteurs ont pris soin de noter que, comme le bioplastique est un mélange complexe de différentes protéines et fibres, et non une substance pure unique, ce modèle est une approximation. Il décrit bien le comportement, mais il ne prouve pas exactement comment chaque molécule est disposée sur la surface.

L'étude a conclu que la conversion des déchets de plumes de poulet en un bioplastique est un moyen viable de créer un inhibiteur de corrosion. Le matériau a réussi à réduire la corrosion de l'acier doux dans des conditions acides, prouvant que les déchets de volaille peuvent être transformés en un produit industriel fonctionnel. Les chercheurs ont souligné que, bien que les résultats soient prometteurs, le matériau n'est pas un remède miracle. Son efficacité dépend fortement de la concentration utilisée et de la température de l'environnement. À des températures plus élevées, la protection s'affaiblit, indiquant que le matériau pourrait ne pas être adapté aux processus industriels très chauds sans modification supplémentaire. Ce travail constitue la démonstration d'une méthode pratique pour transformer un déchet courant en un outil utile pour la protection des métaux, offrant un aperçu de la manière dont les matériaux biologiques pourraient un jour remplacer les produits chimiques synthétiques dans les applications industrielles.