Chicken Feather-Derived Keratin-Based Bioplastic as a Corrosion Inhibitor for Mild Steel in 0.1 M HCl: Electrochemical, Gravimetric and Adsorption Studies
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अपशिष्ट मुर्गी के पंखों से प्राप्त एक केराटिन-आधारित बायोप्लास्टिक, सांद्रता और तापमान-निर्भर अधिशोषण के माध्यम से 0.1 M HCl में माइल्ड स्टील क्षरण को प्रभावी रूप से रोकता है, जो एक मिश्रित-प्रकार के अवरोधक के रूप में कार्य करते हुए 323 K पर 54% की अधिकतम दक्षता प्राप्त करता है।
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जंग एक धीमा, निरंतर चलने वाला चोर है जो दुनिया के धातु बुनियादी ढांचे से मूल्य चुरा लेता है। जब स्टील को अम्लीय वातावरण (acidic environments) के संपर्क में लाया जाता है, जैसा कि औद्योगिक सफाई या रासायनिक प्रसंस्करण में पाया जाता है, तो धातु तेजी से घुलने लगती है, जिससे पाइपों, टैंकों और मशीनरी का जीवनकाल कम हो जाता है। इसे रोकने के लिए, इंजीनियर अक्सर एसिड में रासायनिक अवरोधक (inhibitors) मिलाते हैं। ये वे पदार्थ हैं जो धातु की सतह पर एक परत बनाते हैं, जिससे एक ऐसी बाधा निर्मित होती है जो स्टील को खा जाने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया को धीमा कर देती है। दशकों से, इनमें से कई अवरोधक सिंथेटिक कार्बनिक यौगिक रहे हैं। हालांकि, ऐसे समाधान खोजने में बढ़ती रुचि है जो न केवल प्रभावी हों बल्कि नवीकरणीय स्रोतों से प्राप्त भी हों, जिससे कचरे को एक सुरक्षात्मक संसाधन में बदला जा सके। यह बदलाव पेट्रोकेमिकल्स पर निर्भरता कम करने और उन सामग्रियों के नए उपयोग खोजने की इच्छा से प्रेरित है जिन्हें अन्यथा त्याग दिया जाता।
हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने ऐसे सुरक्षात्मक एजेंट के लिए एक अनूठे स्रोत की खोज की: मुर्गी के पंख। ये पंख, जो पोल्ट्री उद्योग का एक विशाल उपोत्पाद (byproduct) हैं, केराटिन नामक एक सख्त प्रोटीन से भरपूर होते हैं। केराटिन वही संरचनात्मक सामग्री है जो मानव बाल और नाखूनों में पाई जाती है। शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या वे इस अपशिष्ट सामग्री को एक बायोप्लास्टिक फिल्म में बदल सकते हैं जो, एसिड में घुलने पर, स्टील से चिपक जाएगी और उसे जंग लगने से रोकेगी? उन्होंने केवल पंखों को कच्चे माल के रूप में नहीं देखा; उन्होंने उन्हें ग्लिसरॉल और सेलुलोज के साथ मिलाकर एक विशिष्ट कंपोजिट फिल्म में संसाधित किया, फिर परीक्षण किया कि यह मिश्रण हाइड्रोक्लोरिक एसिड के घोल में माइल्ड स्टील को कितनी अच्छी तरह बचाता है।
टीम ने नाइजीरिया में एक प्रोसेसिंग प्लांट से अपशिष्ट पंखों को एकत्र करना शुरू किया। उन्होंने गंदगी और तेल को हटाकर पंखों को अच्छी तरह से साफ किया, और फिर केराटिन प्रोटीन निकालने के लिए उन्हें एक रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग करके तोड़ा। इस निकाले गए प्रोटीन को फिर ग्लिसरॉल के साथ मिलाया गया, जो एक नरम करने वाले एजेंट (softening agent) के रूप में कार्य करता है, और माइक्रोक्रिस्टलाइन सेलुलोज, जो एक वनस्पति-आधारिव फाइबर है, के साथ मिलाकर एक लचीली फिल्म बनाई गई। यह फिल्म वह "बायोप्लास्टिक" थी जिसे वे उपयोग करने का इरादा रखते थे। अपने सुरक्षात्मक गुणों का परीक्षण करने से पहले, शोधकर्ताओं ने विभिन्न वैज्ञानिक उपकरणों का उपयोग करके सामग्री का बारीकी से परीक्षण किया। उन्होंने प्रोटीन संरचनाओं की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग किया, सतह की बनावट देखने के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया, और सामग्री गर्मी के तहत कैसे व्यवहार करती है, यह समझने के लिए थर्मल विश्लेषण का उपयोग किया। परिणामों ने दिखाया कि सामग्री ने मूल प्रोटीन की प्रमुख रासायनिक विशेषताओं को बरकरार रखा, भले ही उसे फिल्म में बदल दिया गया हो।
सामग्री की प्रभावशीलता का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने माइल्ड स्टील के छोटे टुकड़ों को हाइड्रोक्लोरिक एसिड के स्नान में रखा। उन्होंने 30 डिग्री सेल्सियस के हल्के तापमान से लेकर 6 de 60 डिग्री सेल्सियस तक के विभिन्न तापमानों पर ये परीक्षण किए। कुछ परीक्षणों में, उन्होंने एसिड में कुछ भी नहीं मिलाया, जो एक नियंत्रण (control) के रूप में कार्य करता था ताकि यह देखा जा सके कि स्टील अपने आप कितनी तेजी से जंग खाता है। अन्य परीक्षणों में, उन्होंने अलग-अलग सांद्रता (concentration) तक, 0.8 ग्राम प्रति लीटर तक, केराटिन-आधारित बायोप्लास्टिक जोड़ा। उन्होंने क्षरण (corrosion) को दो मुख्य तरीकों से मापा। पहले, उन्होंने एसिड में भिगोने से पहले और बाद में स्टील के टुकड़ों को तौला ताकि यह देखा जा सके कि वास्तव में कितनी धातु का नुकसान हुआ है। दूसरा, उन्होंने एक इलेक्ट्रोकेमिकल विधि का उपयोग किया, जो क्षरण प्रतिक्रिया के कारण होने वाले विद्युत प्रवाह को मापता है, ताकि किसी भी क्षण धातु के घुलने की सटीक दर प्राप्त की जा सके।
परिणामों ने दिखाया कि मुर्गी के पंखों की सामग्री ने वास्तव में क्षरण को धीमा कर दिया। जैसे-जैसे एसिड में बायोप्लास्टिक की सांद्रता बढ़ी, स्टील के घुलने की दर कम होती गई। उच्चतम सांद्रता पर परीक्षण किए गए पदार्थ में, सामग्री ने क्षरण की दर को काफी कम कर दिया। हालांकि, सुरक्षा पूर्ण नहीं थी, और इसका प्रदर्शन तापमान के साथ बदल गया। सबसे कम तापमान पर, सामग्री ने क्षरण की दर को 37.56 मिलीमीटर प्रति वर्ष से घटाकर 21.79 मिलीमीटर प्रति वर्ष कर दिया, जो लगभग 42 प्रतिशत की अवरोध दक्षता (inhibition efficiency) को दर्शाता है। जैसे ही तापमान बढ़कर 50 डिग्री सेल्सियस हुआ, सामग्री और भी प्रभावी हो गई, और 54 प्रतिशत की शिखर दक्षता तक पहुँच गई। लेकिन जब तापमान बढ़कर 60 डिग्री सेल्सियस हो गया, तो सुरक्षा गिर गई, जो वापस लगभग 32 प्रतिशत पर आ गई। यह सुझाव देता है कि हालांकि सामग्री अच्छा काम करती है, लेकिन गर्मी अंततः इसे कम स्थिर या चिपकाने में कम प्रभावी बना देती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सामग्री स्टील की सतह के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। डेटा का विश्लेषण करके, उन्होंने पाया कि बायोप्लास्टिक एक "मिश्रित-प्रकार" (mixed-type) के अवरोधक के रूप में कार्य करता है। इसका अर्थ है कि इसने केवल एक तरफ की प्रक्रिया को रोकने के बजाय, धातु से इलेक्ट्रॉन छोड़ने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं और उन्हें खपत करने वाली प्रतिक्रियाओं दोनों को धीमा कर दिया। डेटा लैंगमुइर मॉडल (Langmuir model) नामक एक गणितीय मॉडल के साथ बेहतर ढंग से फिट बैठता है, जो बताता है कि बायोप्लास्टिक के अणु स्टील की सतह पर एक एकल परत में फैल जाते हैं, जिससे उन स्थानों को ढक दिया जाता है जहाँ आमतौर पर जंग लगना शुरू होता है। हालांकि, लेखकों ने सावधानीपूर्वक उल्लेख किया कि चूंकि बायोप्लास्टिक विभिन्न प्रोटीनों और रेशों का एक जटिल मिश्रण है, न कि एक शुद्ध रसायन, इसलिए यह मॉडल एक अनुमान मात्र है। यह व्यवहार का अच्छा वर्णन करता है, लेकिन यह सटीक रूप से यह साबित नहीं करता कि सतह पर प्रत्येक अणु की व्यवस्था कैसे है।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि चिकन के पंखों के कचरे को बायोप्लास्टिक में बदलना एक क्षरण अवरोधक बनाने का एक व्यवहार्य तरीका है। सामग्री ने अम्लीय स्थितियों में माइल्ड स्टील के क्षरण को सफलतापूर्वक कम किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि पोल्ट्री कचरे को एक कार्यात्मक औद्योगिक उत्पाद में बदला जा सकता है। शोधकर्ताओं ने इस बात पर जोर दिया कि हालांकि परिणाम उत्साहजनक हैं, लेकिन यह सामग्री कोई चमत्कारिक उपचार (miracle cure) नहीं है। इसकी प्रभावशीलता काफी हद तक उपयोग की जाने वाली सांद्रता और परिवेश के तापमान पर निर्भर करती है। उच्च तापमान पर, सुरक्षा कमजोर हो जाती है, जो इंगित करता है कि सामग्री बिना किसी और संशोधन के बहुत गर्म औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए उपयुक्त नहीं हो सकती है। यह कार्य एक सामान्य अपशिष्ट उत्पाद को धातु की रक्षा के लिए एक उपयोगी उपकरण में बदलने के व्यावहारिक तरीके का प्रदर्शन है, जो एक झलक देता है कि कैसे जैविक सामग्रियां भविष्य में औद्योगिक अनुप्रयोगों में सिंथेटिक रसायनों की जगह ले सकती हैं।
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