Sesamum indicum as Green Surfactant Corrosion Inhibitor for 316L Steel in Hydrochloric Acid Solution

Nel settore petrolifero e del gas, le apparecchiature metalliche che separano e raffinano il greggio affrontano una battaglia costante e invisibile. L'ambiente all'interno di queste macchine è spesso pieno di sostanze chimiche aggressive, in particolare ioni cloruro, che agiscono come piccoli agenti aggressivi capaci di rimuovere gli strati protettivi dell'acciaio. Quando ciò accade, il metallo si corrode, portando a perdite, guasti alle apparecchiature e perdite finanziarie massicce per le nazioni che dipendono da queste risorse. Per decenni, gli ingegneri hanno combattuto usando inibitori chimici sintetici, ma queste soluzioni spesso comportano i propri problemi: possono essere tossiche per l'ambiente e costose da produrre. Ciò ha spinto gli scienziati a guardare verso la natura alla ricerca di un'alternativa più delicata e sostenibile. L'obiettivo è trovare una sostanza derivata dalle piante che possa aderire alle superfici metalliche e formare uno scudo, bloccando l'attacco corrosivo senza avvelenare l'acqua o l'aria.

Un team di ricercatori della Nigeria si è messo alla prova testando uno di questi candidati: il seme della pianta di sesamo, nota scientificamente come Sesamum indicum. Si sono concentrati su un tipo specifico di acciaio, l'acciaio inossidabile 316L, un materiale apprezzato per la sua forza e resistenza alla ruggine, comunemente utilizzato nelle sezioni critiche superiori delle raffinerie di petrolio. Per simulare le condizioni estreme a cui questi metalli sono sottoposti, i ricercatori hanno creato un ambiente di laboratorio utilizzando una soluzione di acido cloridrico altamente concentrata, pari a nove moli per litro, un livello di acidità che distruggerebbe rapidamente l'acciaio non protetto. Hanno introdotto in questo acido un estratto derivato dai semi di sesamo e hanno osservato se il materiale vegetale potesse rallentare la corrosione. Lo studio non riguardava solo la ricerca di una sostanza chimica che funzionasse; si trattava di dimostrare che un comune prodotto agricolo potesse servire come tensioattivo "green" — una sostanza che si diffonde per coprire una superficie e respingere gli ioni nocivi — pur allineandosi agli obiettivi globali per l'acqua pulita e la produzione responsabile.

I ricercatori hanno iniziato preparando i campioni di acciaio, lucidandoli fino a ottenere una finitura a specchio per garantire un punto di partenza pulito. Successivamente, hanno immerso questi campioni nel bagno acido, alcuni con l'aggiunta dell'estratto di sesamo e altri senza. Per un periodo di oltre 500 ore, hanno pesato quotidianamente i pezzi di acciaio per misurare esattamente quanto metallo fosse stato perso a causa della corrosione. I risultati sono stati chiari: l'acciaio lasciato nell'acido senza alcuna protezione ha perso una quantità significativa di peso, mostrando danni gravi. Tuttavia, man mano che i ricercatori aumentavano la quantità di estratto di sesamo nella soluzione, la perdita di peso diminuiva drasticamente. Alla massima concentrazione testata, l'estratto ha ridotto il tasso di corrosione in modo così efficace che l'acciaio ha mantenuto la maggior parte della sua massa. L'estratto ha agito come una barriera, impedendo all'acido aggressivo di consumare il metallo.

Per capire come funzionasse questa protezione, il team ha esaminato il comportamento chimico dell'estratto di sesamo utilizzando una tecnica che identifica i legami e gli atomi specifici all'interno di una sostanza. Hanno scoperto che l'estratto è ricco di composti organici come alcaloidi, saponine e glicosidi, che contengono atomi di azoto, ossigeno e zolfo. Questi atomi hanno una naturale tendenza a donare elettroni. Quando l'estratto è stato aggiunto all'acido, queste molecole si sono mosse verso la superficie dell'acciaio e si sono attaccate ad essa, formando un sottile film protettivo. I ricercatori hanno osservato che i gruppi funzionali responsabili di questo attaccamento venivano consumati sulla superficie dell'acciaio, confermando che le molecole si erano legate saldamente al metallo piuttosto che limitarsi a galleggiare nel liquido. Questo film ha agito come uno scudo, bloccando gli ioni cloruro dal raggiungere l'acciaio.

Ulteriori test utilizzando misurazioni elettriche hanno rivelato che l'estratto di sesamo non ha solo bloccato un lato del processo di corrosione, ma ha rallentato entrambe le reazioni: quella in cui il metallo si dissolve e quella in cui viene prodotto idrogeno gassoso. Ciò significa che l'estratto funziona come un inibitore di tipo misto, proteggendo l'acciaio da molteplici angolazioni. Il modo in cui le molecole si sono assestate sulla superficie del metallo ha seguito un modello specifico noto come isoterma di adsorbimento di Frumkin, che descrive come le particelle interagiscono tra loro mentre si compattano su una superficie. Questa interazione ha suggerito che le molecole non fossero solo sparse casualmente, ma si stessero organizzando in uno strato coeso che copriva l'acciaio in modo efficace.

Le prove visive hanno supportato queste scoperte chimiche. Quando i ricercatori hanno esaminato l'acciaio al microscopio, i campioni non protetti mostravano chiari segni di pitting e corrosione uniforme, con la superficie butterata e danneggiata dall'acido. Al contrario, i campioni trattati con l'estratto di sesamo apparivano molto più lisci, con un visibile strato protettivo che aveva impedito all'acido di attaccare il metallo. Lo studio ha concluso che il Sesamum indicum è un inibitore altamente efficace, non tossico e biodegradabile, capace di proteggere l'acciaio inossidabile 316L in ambienti estremamente acidi. Utilizzando un comune seme di pianta, la ricerca offre una strada per ridurre le perdite economiche causate dalla corrosione, sostenendo simultaneamente la sostenibilità ambientale e riducendo la dipendenza da sostanze chimiche sintetiche tossiche.