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

औद्योगिक दुनिया में, स्टील आधुनिक जीवन का कंकाल है, जो गगनचुंबी इमारतों से लेकर जहाजों तक सब कुछ बनाता है। हालाँकि, इस धातु को उपयोगी बनाने के लिए, निर्माताओं को अक्सर जंग और स्केल (scale) को हटाना पड़ता है, जिसे 'पिकलिंग' (pickling) कहा जाता है, जिसमें स्टील को हाइड्रोक्लोरिक एसिड जैसे शक्तिशाली एसिड में भिगोया जाता है। जबकि यह एसिड सतह को साफ करने में उत्कृष्ट है, यह निर्दयी है; एक बार जब गंदगी हट जाती है, तो एसिड स्टील को भी खाने लगता है, जिससे वह घुलने और कमजोर होने लगता है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियर 'कोरोशन इनहिबिटर्स' (corrosion inhibitors) मिलाते हैं, जो धातु पर एक परत बनाते हैं और एक ढाल के रूप में कार्य करते हैं। दशकों से, ये ढाल सिंथेटिक रसायनों से बनी होती हैं जो अच्छा काम तो करती हैं लेकिन जहरीली और पर्यावरण के लिए हानिकारक हो सकती हैं। इसने वैज्ञानिकों को प्रकृति की ओर विकल्पों की तलाश करने के लिए प्रेरित किया है, यह देखते हुए कि क्या पौधों के अर्क (extracts) पारिस्थितिक लागत के बिना सुरक्षा प्रदान कर सकते हैं। प्रश्न केवल यह नहीं है कि क्या कोई पौधा जंग को रोक सकता है, बल्कि यह है कि उस पौधे की सामग्री की मात्रा उसकी धातु को बचाने की क्षमता को कैसे बदलती है, और क्या कोई विशिष्ट बिंदु है जहाँ अधिक मात्रा डालने से प्रभावशीलता कम हो जाती है।

इंडोनेशिया और जापान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने बोरासस फ्लेबेलिफर (Borassus flabellifer) के छिलके का उपयोग करके इन प्रश्नों का उत्तर देने के लिए प्रयास किया, जो उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में पाया जाने वाला एक प्रकार का ताड़ का फल है। उन्होंने ST37 स्टील, जो एक मानक संरचनात्मक स्टील है, पर ध्यान केंद्रित किया और परीक्षण किया कि एक मोलर हाइड्रोक्लोरिक एसिड समाधान में इस ताड़ के रेशेदार बाहरी आवरण के अर्क ने कैसा प्रदर्शन किया। शोधकर्ताओं ने केवल अनुमान नहीं लगाया कि कितनी मात्रा का उपयोग करना चाहिए; इसके बजाय, उन्होंने अर्क का पांच अलग-अलग सांद्रता (concentrations) पर व्यवस्थित रूप से परीक्षण किया, जो 50 पार्ट्स प्रति मिलियन से लेकर 250 पार्ट्स प्रति मिलियन तक थी। स्टील के नमूनों को इन घोलों में डुबोकर, वे सटीक रूप से माप सके कि समय के साथ कितनी धातु का नुकसान हुआ और सतह पर होने वाले रासायनिक परिवर्तनों का अवलोकन कर सके। उनका लक्ष्य उस सटीक सांद्रता को खोजना था जहाँ पौधे का अर्क एसिड के विरुद्ध सबसे मजबूत रक्षा प्रदान करता है, और उस सुरक्षा के पीछे के भौतिक तंत्र को समझना था।

परिणामों ने एक स्पष्ट और कुछ हद तक आश्चर्यजनक पैटर्न का खुलासा किया। अर्क केवल इसलिए बेहतर काम नहीं करता क्योंकि इसमें इसकी मात्रा अधिक थी। इसके बजाय, सुरक्षा 100 पार्ट्स प्रति मिलियन की एक विशिष्ट सांद्रता पर अपने चरम पर पहुँची। इस स्तर पर, अर्क ने असुरक्षित नमूनों की तुलना में स्टील के वजन घटने को लगभग 88 प्रतिशत तक कम कर दिया। जब शोधकर्ताओं ने उस गति का अध्ययन किया जिस पर स्टील का क्षरण (corrosion) हो रहा था, तो उन्होंने पाया कि क्षरण की दर 5.62 मिलीमीटर प्रति वर्ष से गिरकर इस इष्टतम सांद्रता पर केवल 1.43 मिलीमीटर प्रति वर्ष रह गई। हालाँकि, जब उन्होंने इस बिंदु से अधिक मात्रा में अर्क बढ़ाया, तो सुरक्षा वास्तव में कमजोर हो गई। 150, 200, और 250 पार्ट्स प्रति मिलियन पर, स्टील को 100 पार्ट्स प्रति मिलियन की तुलना में अधिक क्षरण का सामना करना पड़ा। यह सुझाव देता है कि अर्क के अणुओं के धातु की सतह पर व्यवस्थित होने की एक सीमा है, और सतह पर बहुत अधिक अणुओं की भीड़ होने से सुरक्षात्मक परत बाधित हो सकती है।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे स्टील का परीक्षण किया और सतह से आने वाले रासायनिक संकेतों का विश्लेषण किया। उन्होंने पाया कि इष्टतम सांद्रता पर, स्टील की सतह उल्लेखनीय रूप से चिकनी और अक्षुण्ण रही, जो पौधे के अर्क की एक समान परत से ढकी हुई थी। इसके विपरीत, असुरक्षित स्टील खुरदरा और गड्ढेदार हो गया, जहाँ एसिड ने धातु को खा लिया था। रासायनिक विश्लेषण ने दिखाया कि अर्क में ऑक्सीजन युक्त यौगिक और सुगंधित संरचनाएं (aromatic structures) होती हैं, जो संभवतः पौधे में पाए जाने वाले फ्लेवोनोइड्स और टैनिन जैसे प्राकृतिक पदार्थों से प्राप्त होती हैं। ये अणु स्टील से चिपक जाते हैं, जिससे एक अवरोध बनता है जो एसिड को धातु तक पहुँचने से रोकता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि यह अवरोध आयरन आयनों के निकलने और हाइड्रोजन गैस के उत्पादन, दोनों को धीमा करके, क्षरण की प्रक्रिया पर ब्रेक लगाने का काम करता है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि अर्क के अणु स्टील की सतह के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, यह परीक्षण करते हुए कि क्या वे एक एकल, व्यवस्थित परत में फैलते हैं या एक अव्यवस्थित ढेर के रूप में जमा होते हैं। डेटा सबसे अच्छी तरह से एक मॉडल के अनुरूप था जो सतह को ढकने वाली अणुओं की एक एकल, समान परत का वर्णन करता है, ठीक वैसे ही जैसे पानी पर तेल की एक पतली फिल्म फैलती है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि जबकि इस मॉडल ने कवरेज का अच्छा वर्णन किया, वे अपने डेटा में एक विशिष्ट गणितीय अनियमितता के कारण अणुओं को थामे रखने वाली ऊर्जा की पूरी तरह से गणना नहीं कर सके। इसके बावजूद, भौतिक साक्ष्य सुसंगत थे: अर्क ने एक सुरक्षात्मक फिल्म बनाई जिसने सतह की खुरदरापन को काफी कम कर दिया। सबसे चिकनी सतहें 100 पार्ट्स प्रति मिलियन सांद्रता पर पाई गईं, जहाँ सतह के शिखरों (peaks) और घाटियों (valleys) की औसत ऊँचाई क्षतिग्रस्त, असुरक्षित स्टील की तुलना में आधे से अधिक कम हो गई।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि बोरासस फ्लेवेलिफर ताड़ का छिलका प्राकृतिक क्षरण सुरक्षा का एक शक्तिशाली स्रोत है, लेकिन इसकी प्रभावशीलता उपयोग की जाने वाली मात्रा के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि अर्क स्टील पर अधिशोषण (adsorbing) करके काम करता है, जिससे एक ढाल बनती है जो एसिड को धातु पर हमला करने से रोकती है। जबकि उच्च सांद्रता बेहतर सुरक्षा प्रदान कर सकती है, अध्ययन ने दिखाया कि एक इष्टतम बिंदु है जहाँ ढाल सबसे पूर्ण होती है। उस बिंदु के आगे, सुरक्षात्मक परत कम प्रभावी हो जाती है, शायद इसलिए क्योंकि अणु एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करते हैं। यह निष्कर्ष प्राकृतिक अवरोधकों के उपयोग में सटीकता के महत्व को उजागर करता है; यह "अधिक ही बेहतर है" का मामला नहीं है, बल्कि उस सटीक संतुलन को खोजने की आवश्यकता है जहाँ पौधे का प्राकृतिक रसायन विज्ञान धातु की सर्वोत्तम रक्षा कर सके।