Potato Peel Extract as an ecologically conscious Inhibitor for corrosion of A283 Carbon Steel in Hydrochloric Acid: Experimental and Theoretical Perspectives

技術要約：A283炭素鋼に対する環境に優しい腐食抑制剤としてのジャガイモ皮抽出物

問題提起
炭素鋼（特にA283グレードC）は、石油・ガスパイプライン、建設、貯蔵タンクなどの重要な産業分野で広く利用されている。これらの構造物を維持するために、錆を除去するための酸洗工程として塩酸（HCl）が一般的に用いられる。しかし、このプロセスは鋼材を攻撃的な塩化物イオンに曝露させ、深刻な基材腐食を引き起こす。ヘテロ原子を含む有機抑制剤は効果的であるが、その多くは毒性があり、環境に有害である。したがって、安全性や経済性を損なうことなく、効果的に腐食を軽減できる、環境に優しく生分解性のある低コストの代替品、例えば植物抽出物の開発が戦略的に求められている。

手法
本研究では、2.0 M HCl溶液中におけるA283炭素鋼の腐食抑制剤としてのジャガイモ皮抽出物の有効性を調査した。研究には、実験的、表面分析的、および理論的な観点を組み合わせた多角的なアプローチを用いた。

• 抽出および特性評価： ジャガイモの皮を洗浄、天日乾燥し、エタノールで還流して抽出物を得た。活性成分は、FT-IR、¹H NMR、¹³C NMR、および質量分析を用いて同定された。特定された主要な生物活性成分には、α-チャコニン、クロロゲン酸、カフェ酸、ペチュニジン、没食子酸、およびケルセチンが含まれる。
• 実験的腐食測定：
  • 重量減少法 (WL)： 鋼の試験片を、異なる抽出物濃度（10–500 ppm）を含むHCl中に25°Cで7日間浸漬し、腐食速度と抑制効率を決定した。
  • 電気化学的手法： 25°Cから50°Cの温度範囲で、動電位分極法 (PDP) および電気化学インピーダンス分光法 (EIS) を実施した。これらのテストにより、腐食電流密度、腐食電位、電荷移動抵抗、および二重層容量を測定した。
• 表面分析： 走査型電子顕微鏡 (SEM) を用いて、未添加および添加溶液に浸漬した後の鋼の表面形態を可視化した。
• 理論的シミュレーション： 量子化学パラメータ（HOMO、LUMO、エネルギーギャップ、電気陰性度、硬度）を決定するために、密度汎関数理論 (DFT) 計算 (B3LYP/6-311G(d,p)) を行った。さらに、溶媒環境下におけるFe (110) 表面への活性分子の吸着挙動をモデル化するために、モンテカルロ・シミュレーションを実施した。

主な結果

• 抑制効率： ジャガイモ皮抽出物は、顕著な腐食抑制効果を示した。効率は抽出物濃度の増加とともに上昇し、500 ppmで最大97.88%（PDPデータ）、25°Cで92.8%（WLデータ）に達した。逆に、温度の上昇に伴い抑制効率は低下したことから、物理吸着メカニズムが示唆された。
• 抑制タイプ： PDP分析は、抽出物が混合型抑制剤として作用し、腐食電位（$E_{corr}$）の変化は最小限（< 34 mV）であったものの、アノードの金属溶解とカソードの水素発生反応の両方を抑制することを示した。
• 吸着メカニズム： 抽出物の鋼表面への吸着は、ラングミュア吸着等温式に従った。算出された標準吸着自由エネルギー（$\Delta G^\circ_{ads}$）は-28.41 kJ mol⁻¹であった。この値は-20から-40の間にあり、抑制は主に物理吸着（静電相互作用）によって駆動され、化学吸着の寄与もわずかに存在する可能性を示している。
• 熱力学： 腐食プロセスは吸熱的（$\Delta H^* > 0$）であることが判明した。抑制剤の存在により、活性化エネルギー（$E_a$）は27.12 kJ mol⁻¹（ブランク）から45.58 kJ mol⁻¹（抑制時）へと増加し、吸着層が腐食反応を妨げるエネルギー障壁を形成していることが確認された。
• 表面形態： SEM画像は、未添加の鋼表面がピットや亀裂を伴い激しく劣化していることを示した。対照的に、500 ppmの抽出物に曝された表面は滑らかで均質であり、保護膜の形成を裏付けた。
• 理論的知見： DFTおよびモンテカルロ・シミュレーションにより、高い電子供与能（$\Delta N$）と最も低いHOMO-LUMOエネルギーギャップを持つペチュニジンとクロロゲン酸が最も強力な成分であることが特定された。シミュレーションでは、これらの分子が表面被覆率を最大化するように、ほぼ水平な向きで吸着することが示された。算出された吸着エネルギーは非常に負の値（-77.48から-353.59 kcal/molの範囲）であり、自発的な吸着を支持している。

意義および主張
著者らは、ジャガイモ皮抽出物が、従来の毒性のある腐食抑制剤に代わる、安全で手頃な価格の、環境に配慮した選択肢として機能すると主張している。本研究は、抽出物の有効性が、その生物活性成分（NやOなどのヘテロ原子および$\pi$電子系に富む）の鋼表面への自発的な吸着に起因することを検証することに成功した。この吸着は、金属を攻撃的な酸性媒体から隔離する保護単分子層を形成する。

論文は、実験データと理論モデリングの組み合わせが、抑制メカニズムの包括的な理解を提供することを強調している。特に、ペチュニジンとクロロゲン酸を主要な活性剤として特定したことは、抽出物の性能の分子論的な根拠を与えるものである。本研究は、農業廃棄物（ジャガイモの皮）を利用して産業インフラを保護することにより、持続可能な腐食制御技術の開発に貢献し、グリーンケミストリーの原則に合致している。