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

La ruggine è un ladro lento e implacabile che ruba valore alle infrastrutture metalliche del mondo. Quando l'acciaio è esposto ad ambienti acidi, come quelli presenti nella pulizia industriale o nella lavorazione chimica, il metallo si dissolve rapidamente, accorciando la vita di tubi, serbatoi e macchinari. Per fermare questo processo, gli ingegneri spesso aggiungono inibitori chimici all'acido. Si tratta di sostanze che rivestono la superficie metallica, creando una barriera che rallenta la reazione chimica che consuma l'acciaio. Per decenni, molti di questi inibitori sono stati composti organici sintetici. Tuttavia, vi è un crescente interesse nel trovare soluzioni che siano non solo efficaci, ma anche derivate da fonti rinnovabili, trasformando uno scarto in una risorsa protettiva. Questo cambiamento è guidato dal desiderio di ridurre la dipendenza dai prodotti petrolchimici e di trovare nuovi utilizzi per materiali che altrimenti verrebbero scartati.

In uno studio recente, i ricercatori hanno esplorato una fonte unica per un tale agente protettivo: le piume di pollo. Queste piume, che rappresentano un enorme sottoprodotto dell'industria avicola, sono ricche di una proteina resistente chiamata cheratina. La cheratina è lo stesso materiale strutturale presente nei capelli e nelle unghie umane. I ricercatori si sono posti una domanda semplice: potevano trasformare questo materiale di scarto in una pellicola bioplastica che, una volta sciolta nell'acido, aderisse all'accia e impedisse la formazione di ruggine? Non hanno guardato alle piume solo come materiale grezzo; le hanno lavorate per creare una specifica pellicola composita mischiata con glicerolo e cellulosa, per poi testare quanto questa miscela proteggesse l'acciaio dolce in una soluzione di acido cloridrico.

Il team ha iniziato raccogliendo piume di scarto da un impianto di lavorazione in Nigeria. Hanno pulito accuratamente le piume, rimuovendo sporco e oli, e poi le hanno scomposte attraverso un processo chimico per estrarre la proteina della cheratina. Questa proteina estratta è stata poi miscelata con glicerolo, che funge da agente addolcente, e microcristallina cellulosa, una fibra di origine vegetale, per creare una pellicola flessibile. Questa pellicola era la "bioplastica" che intendevano utilizzare. Prima di testare il suo potere protettivo, i ricercatori hanno esaminato attentamente il materiale utilizzando vari strumenti scientifici. Hanno utilizzato la spettroscopia infrarossa per confermare la presenza di strutture proteiche, la microscopia elettronica per osservare la tessitura superficiale e l'analisi termica per comprendere il comportamento del materiale sotto calore. I risultati hanno mostrato che il materiale manteneva le caratteristiche chimiche chiave della proteina originale, anche dopo essere stato trasformato in pellicola.

Per testare l'efficacia del materiale, i ricercatori hanno immerso piccoli pezzi di acciaio dolce in un bagno di acido cloridrico. Hanno eseguito questi test a diverse temperature, che variavano da una temperatura mite di 30 gradi Celsius fino a un più caldo di 60 gradi Celsius. In alcuni test, non hanno aggiunto nulla all'acido, fungendo da controllo per vedere quanto velocemente l'acciaio si sarebbe ossidato da solo. In altri test, hanno aggiunto la bioplastica a base di cheratina a concentrazioni variabili, fino a 0,8 grammi per litro. Hanno misurato la corrosione in due modi principali. Primo, hanno pesato i pezzi di acciaio prima e dopo l'immersione nell'acido per vedere esattamente quanto metallo fosse stato perso. Secondo, hanno utilizzato un metodo elettrochimico, che misura il flusso di corrente elettrica causato dalla reazione di corrosione, per ottenere una lettura precisa di quanto velocemente il metallo si stesse dissolvendo in ogni momento.

I risultati hanno mostrato che il materiale derivato dalle piume di pollo ha effettivamente rallentato la corrosione. All'aumentare della concentrazione della bioplastica nell'acido, la velocità con cui l'acciaio si dissolveva diminuiva. Alla massima concentrazione testata, il materiale ha ridotto significativamente il tasso di corrosione. Tuttavia, la protezione non era perfetta e le sue prestazioni cambiavano con la temperatura. Alla temperatura più bassa testata, il materiale ha ridotto il tasso di corrosione da 37,56 millimetri all'anno a 21,79 millimetri all'anno, rappresentando un'efficienza di inibizione di circa il 42 percento. Quando la temperatura saliva a 50 gradi Celsius, il materiale diventava ancora più efficace, raggiungendo un'efficienza massima del 54 percento. Ma quando la temperatura saliva ulteriormente a 60 gradi Celsius, la protezione diminuiva, scendendo a circa il 32 percento. Ciò suggerisce che, sebbene il materiale funzioni bene, il calore alla fine lo rende meno stabile o meno efficace nell'aderire al metallo.

I ricercatori hanno anche osservato come il materiale interagiva con la superficie dell'acciaio. Analizzando i dati, hanno scoperto che la bioplastica agiva come un inibitore di "tipo misto". Ciò significa che rallentava sia le reazioni chimiche che rilasciano elettroni dal metallo, sia le reazioni che li consumano, piuttosto che bloccare solo un lato del processo. I dati si adattavano meglio a un modello matematico noto come modello di Langmuir rispetto ad altri modelli, il che suggerisce che le molecole della bioplastica si distribuiscono sulla superficie dell'acciaio in un singolo strato, coprendo i punti dove normalmente inizierebbe la ruggine. Tuttavia, gli autori sono stati cauti nel notare che, poiché la bioplastica è una miscela complessa di diverse proteine e fibre, e non una singola sostanza pura, questo modello è un'approssimazione. Descrive bene il comportamento, ma non prova esattamente come ogni singola molecola sia disposta sulla superficie.

Lo studio è concluso che convertire gli scarti delle piume di pollo in una bioplastica è un modo pratico per creare un inibitore di corrosione. Il materiale ha ridotto con successo la corrosione dell'acciaio dolce in condizioni acide, dimostrando che i rifiuti avicoli possono essere trasformati in un prodotto industriale funzionale. I ricercatori hanno sottolineato che, sebbene i risultati siano promettenti, il materiale non è una cura miracolosa. La sua efficacia dipende fortemente dalla concentrazione utilizzata e dalla temperatura dell'ambiente. Alle temperature più elevate, la protezione si indebolisce, indicando che il materiale potrebbe non essere adatto a processi industriali molto caldi senza ulteriori modifiche. Questo lavoro rappresenta una dimostrazione di un metodo pratico per trasformare un comune prodotto di scarto in uno strumento utile per proteggere i metalli, offrendo uno sguardo su come i materiali biologici possano un giorno sostituire i prodotti chimici sintetici nelle applicazioni industriali.