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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

Questo studio dimostra che un tensioattivo cationico di tipo base di Schiff quaternizzata di nuova sintesi supera significativamente il suo precursore nel proteggere l'acciaio al carbonio API 5L X70 dalla corrosione in HCl 1,0 M, raggiungendo un'efficienza di inibizione massima del 90,90% attraverso un meccanismo di adsorbimento a modalità mista confermato da test elettrochimici sperimentali e calcoli DFT.

Autori originali: M. A. Hegazy, Mohamed M. Asab, S. M. Rashwan, Medhat M. Kamel, Emad M. Gad

Pubblicato 2026-08-25

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CC BY 4.0

Autori originali: M. A. Hegazy, Mohamed M. Asab, S. M. Rashwan, Medhat M. Kamel, Emad M. Gad

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

L'acciaio è la spina dorsale dell'industria moderna, formando le tubature che trasportano il petrolio, le strutture degli edifici e i macchinari che guidano la nostra economia. Viene scelto per la sua resistenza e il basso costo, ma ha un punto debole fatale: arrugginisce. Quando l'acciaio incontra ambienti ostili, in particolare acidi forti utilizzati per pulire i pozzi petroliferi o rimuovere depositi minerali, si dissolve rapidamente. Questa corrosione consuma il metallo, causando perdite, guasti alle apparecchiature e incidenti pericolosi. Per fermare questo processo, gli ingegneri spesso aggiungono inibitori chimici all'acido. Si tratta di molecole che aderiscono alla superficie dell'acciaio, formando uno scudo protettivo che impedisce all'acido di toccare il metallo. La sfida consiste nel trovare uno scudo che sia abbastanza forte da respingere l'acido, ma anche economico e facile da usare.

Ricercatori dell'Istituto Egiziano di Ricerca sul Petrolio e dell'Università del Canale di Suez si sono posti l'obiettivo di testare due nuovi scudi chimici progettati per proteggere un tipo specifico di acciaio resistente noto come API 5L X70. Questo acciaio è ampiamente utilizzato nell'industria petrolifera, rendendo la sua protezione una priorità. Il team si è concentrato su due composti correlati: una base di Schiff, un tipo di molecola organica nota per la sua capacità di aderire ai metalli, e una versione modificata di quella stessa molecola trasformata in un tensioattivo cationico. Un tensioattivo è una sostanza che abbassa la tensione tra liquidi e superfici, permettendogli di diffondersi facilmente e formare un film. I ricercatori hanno creato il secondo composto attaccando chimicamente una lunga catena oleosa alla molecola originale, trasformandola efficacemente in una struttura simile a un sapone con una carica elettrica positiva. Volevano vedere se questa semplice modifica chimica avrebbe reso l'inibitore significativamente migliore nel prevenire la ruggine in una soluzione di acido cloridrico un molare.

Il team ha testato entrambi i prodotti chimici immergendo piccoli provini di acciaio nell'acido per ventiquattro ore, con e senza gli inibitori. Hanno misurato quanto peso l'acciaio avesse perso, il che indica direttamente quanta corrosione fosse avvenuta. Hanno anche utilizzato test elettrici per osservare la reazione del metallo in tempo reale e hanno scattato fotografie ad alta magnificazione delle superfici dell'acciaio per vedere il danno fisico. I risultati sono stati chiari: entrambi i prodotti chimici funzionavano, ma il tensioattivo modificato era di gran lunga superiore. Alla massima concentrazione testata, la base di Schiff originale ha ridotto il tasso di corrosione di circa il 70 percento. Il nuovo tensioattivo, tuttavia, ha ridotto la corrosione di quasi il 91 percento. Questa differenza si è mantenuta costante attraverso diverse temperature, sebbene la protezione diminuisse naturalmente all'aumentare del calore dell'acqua, un comportamento comune per questo tipo di scudi.

Per capire perché il tensioattivo funzionasse molto meglio, i ricercatori hanno esaminato il comportamento delle molecole sull'acciaio. Hanno scoperto che entrambi i prodotti chimici aderivano alla superficie metallica sostituendo le molecole d'acqua che solitamente vi si trovano, formando uno strato sottile e protettivo. Questo processo avveniva spontaneamente e seguiva un modello prevedibile in cui le molecole si allineavano ordinatamente sulla superficie. La lunga coda oleosa del tensioattivo lo aiutava a compattarsi più strettamente, creando una barriera più densa e difficile da penetrare per l'acido. I test elettrici hanno confermato questo, mostrando che il tensioattivo aumentava la resistenza dell'acciaio alla corrosione con un margine molto maggiore rispetto alla molecola originale. Le fotografie delle superfici dell'acciaio raccontavano la stessa storia: l'acciaio trattato con il tensioattivo rimaneva liscio e ampiamente intatto, mentre l'acciaio trattato con la molecola originale mostrava maggiori segni di pitting e rugosità.

I ricercatori hanno anche utilizzato simulazioni al computer per osservare le molecole a livello atomico. Questi calcoli suggerivano che il tensioattivo avesse una maggiore capacità di condividere elettroni con gli atomi di ferro, il che aiuta a bloccare in posizione lo strato protettivo. Le simulazioni hanno mostrato che la molecola del tensioattivo aveva una maggiore densità di carica negativa e una forma più favorevole per interagire con la superficie metallica rispetto alla base di Schiff originale. Sebbene i dati puntassero fortemente all'attrazione fisica come modo principale con cui i prodotti chimici aderivano all'acciaio, i modelli informatici suggerivano che anche un certo legame chimico potesse aiutare a rafforzare lo scudo. Il team ha concluso che il semplice atto di aggiungere una lunga catena oleosa alla molecola originale l'aveva trasformata in un guardiano molto più efficace, offrendo un nuovo strumento promettente per proteggere le condotte e le apparecchiature negli ambienti acidi e ostili dell'industria del petrolio e del gas.

Sintesi Tecnica: Protezione dalla Corrosione Potenziata dalla Quaternizzazione dell'Acciaio al Carbonio API 5L X70

Problematica
L'acciaio al carbonio, in particolare l'API 5L X70, è ampiamente utilizzato nell'ingegneria e nelle tubazioni industriali grazie alla sua resistenza meccanica e al rapporto costo-efficacia. Tuttavia, esso è altamente suscettibile alla degradazione in ambienti acidi ostili, come quelli riscontrati durante la stimolazione dei pozzi petroliferi, la pulizia delle condotte e la rimozione di incrostazioni mediante acido cloridrico (HCl). L'esposizione a 1,0 M di HCl innesca reazioni elettrochimiche che portano alla dissoluzione del metallo, all'evoluzione di idrogeno e al guasto delle apparecchiature. Sebbene la tecnologia degli inibitori sia fondamentale per mitigare tali rischi, è necessario valutare come le modifiche strutturali, specificamente la quaternizzazione, influenzino l'efficacia degli inibitori della corrosione in mezzi acidi.

Metodologia
Lo studio ha investigato due composti strutturalmente correlati: una nuova base di Schiff sintetizzata, (Z)-N,N-dimetil-3-((1-metilpirrolidin-2-ilidene)amino)propan-1-ammina, e il suo derivato tensioattivo cationico quaternizzato, (E)-N,N-dimetil-N-(3-((1-metilpirrolidin-2-ilidene)amino)propil)dodecan-1-amminio bromuro. Il tensioattivo è stato creato alchilando la base di Schiff con 1-bromododecano.

Le prestazioni di questi inibitori sono state valutate contro l'acciaio al carbonio API 5L X70 in 1,0 M di HCl attraverso un approccio multif {facet}:

Analisi Gravimetrica (Perdita di Peso): Condotta su un periodo di 24 ore a temperature comprese tra 25 °C e 85 °C con concentrazioni di inibitore da $1 \times 10^{-4}$ a $5 \times 10^{-3}$ mol L $^{-1}$ .
Tecniche Elettrochimiche: La polarizzazione potenziodinamica (PDP) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) sono state eseguite a 25 °C per determinare le correnti di corrosione, i potenziali e la resistenza al trasferimento di carica.
Caratterizzazione Superficiale: La microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a dispersione di energia (EDX) sono state utilizzate per esaminare la morfologia superficiale e la composizione elementale dopo l'esposizione.
Calcoli Teorici: Sono stati impiegati calcoli di teoria del funzionale della densità (DFT) (B3LYP/6-311G) per analizzare le energie degli orbitali molecolari, i descrittori di reattività e i meccanismi di adsorbimento.
Attività Superficiale: Sono state condotte misurazioni della concentrazione micellare critica (CMC) e della tensione superficiale per valutare le proprietà tensioattive.

Contributi Chiave e Risultati

Efficienza di Inibizione: Entrambi i composti hanno dimostrato un'inibizione della corrosione dipendente dalla concentrazione. Il tensioattivo cationico ha superato costantemente la base di Schiff originale. Alla concentrazione ottimale ( $5 \times 10^{-3}$ mol L $^{-1}$ ) e a 25 °C, il tensioattivo ha raggiunto un'efficienza di inibizione massima del 90,90%, rispetto al 70,54% della base di Schiff.
Effetti della Temperatura: L'efficienza di inibizione per entrambi i composti è diminuita all'aumentare della temperatura da 25 °C a 85 °C, suggerendo che il processo di adsorbimento sia esotermico e che l'elevata energia termica promuova il desorbimento.
Meccanismo di Adsorbimento: Gli inibitori hanno seguito l'isoterma di adsorbimento di Langmuir. I parametri termodinamici hanno indicato un adsorbimento spontaneo (valori $\Delta G^0_{ads}$ compresi tra -33,13 e -40,53 kJ mol $^{-1}$ ). La relativamente bassa entalpia di adsorbimento ( $\Delta H^0_{ads}$ ) e la dipendenza dalla temperatura suggeriscono che il fisiossorbimento (attrazione elettrostatica) sia il meccanismo dominante, sebbene gli autori notino che possano contribuire anche le interazioni donatore-accettore.
Comportamento Elettrochimico: Entrambi gli inibitori hanno agito come inibitori di tipo misto, sopprimendo sia la dissoluzione anodica del metallo che l'evoluzione catodica dell'idrogeno. I risultati PDP hanno mostrato una significativa riduzione della densità di corrente di corrosione ( $i_{corr}$ ), mentre i dati EIS hanno rivelato un sostanziale aumento della resistenza al trasferimento di carica ( $R_{ct}$ ) e una diminuzione della capacità del doppio strato ( $C_{dl}$ ) con l'aumento della concentrazione di inibitore, indicando la formazione di uno strato barriera protettivo.
Analisi Superficiale: Le immagini SEM hanno confermato che le superfici trattate con l'inibitore sono rimaste significativamente più lisce e meno corrose rispetto ai campioni bianchi (blank). L'analisi EDX ha rilevato l'azoto sulle superfici protette, confermando l'adsorbimento degli inibitori contenenti azoto, e ha mostrato una riduzione del contenuto di ossigeno, indicando la soppressione della formazione di ossidi.
Approfondimenti Teorici: I calcoli DFT hanno supportato i risultati sperimentali, mostrando che il tensioattivo possiede un'energia HOMO più elevata, un gap HOMO-LUMO minore, un momento di dipolo maggiore e una carica totale negativa superiore rispetto alla base di Schiff. Queste proprietà elettroniche si correlano con la superiore capacità di donazione elettronica del tensioattivo e con una più forte interazione con la superficie metallica.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che la quaternizzazione della base di Schiff in un tensioattivo cationico migliora significativamente la sua capacità di protezione dalla corrosione. Questo miglioramento è attribuito alla natura anfifilica del tensioattivo, che facilita un impacchettamento denso e una copertura superficiale efficace sull'acciaio al carbonio. Lo studio stabilisce un legame diretto tra la struttura molecolare (specificamente l'introduzione di una lunga catena alchilica e di un gruppo ammonio quaternario) e la potenziata prestazione inibitoria.

Gli autori concludono che il tensioattivo cationico sintetizzato è un candidato promettente per il controllo della corrosione in ambienti acidi rilevanti per l'industria petrolifera. Tuttavia, essi notano con modestia che questi risultati si basano su condizioni di laboratorio (HCl 1,0 M statica a pressione ambiente) e che ulteriori indagini in condizioni rilevanti sul campo (temperature più elevate, pressioni, flusso dinamico e presenza di altri additivi) sono necessarie prima dell'applicazione pratica. Il lavoro fornisce un quadro comparativo dimostrando che la modifica strutturale tramite quaternizzazione può efficacemente ottimizzare la prestazione inibitoria per la protezione dell'acciaio al carbonio.

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