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

Roest is een trage, meedogenloze dief die waarde steelt uit de metalen infrastructuur van de wereld. Wanneer staal wordt blootgesteld aan zure omgevingen, zoals die in industriële reiniging of chemische verwerking, lost het metaal snel op, waardoor de levensduur van leidingen, tanks en machines wordt verkort. Om dit te stoppen, voegen ingenieurs vaak chemische remmers toe aan het zuur. Dit zijn stoffen die het metaaloppervlak bedekken en zo een barrière creëren die de chemische reactie die het staal wegvreet, vertraagt. Decennialang waren veel van deze remmers synthetische organische verbindingen. Er is echter een groeiende belangstelling voor het vinden van oplossingen die niet alleen effectief zijn, maar ook afkomstig zijn van hernieuwbare bronnen, waarbij afval wordt omgezet in een beschermende hulpbron. Deze verschuiving wordt gedreven door de wens om de afhankelijkheid van petrochemische stoffen te verminderen en nieuwe toepassingen te vinden voor materialen die anders zouden worden weggegooid.

In een recente studie onderzochten onderzoekers een unieke bron voor een dergelijke beschermende stof: kippenveren. Deze veren, die een enorm bijproduct zijn van de pluimveesector, zijn rijk aan een taai eiwit genaamd keratine. Keratine is hetzelfde structurele materiaal dat in menselijk haar en vingernagels wordt gevonden. De onderzoekers stelden een eenvoudige vraag: konden ze dit afvalmateriaal transformeren tot een bioplastische film die, wanneer opgelost in zuur, aan staal zou plakken en roestvorming zou stoppen? Ze bekeken de veren niet alleen als grondstof; ze verwerkten ze tot een specifieke composietfilm gemengd met glycerol en cellulose, en testten hoe goed deze mengeling mild staal beschermde in een oplossing van zoutzuur.

Het team begon met het verzamelen van afvalveren van een verwerkingsbedrijf in Nigeria. Ze reinigden de veren grondig door vuil en oliën te verwijderen, en braken ze vervolgens af via een chemisch proces om het keratine-eiwit te extraheren. Dit geëxtraheerde eiwit werd vervolgens gemengd met glycerol, dat fungeert als een weekmaker, en microkristallijne cellulose, een plantaardige vezel, om een flexibele film te creëren. Deze film was de "bioplastic" die ze van plan waren te gebruiken. Voordat ze de beschermende kracht ervan testten, onderzochten de onderzoekers het materiaal nauwkeurig met diverse wetenschappelijke instrumenten. Ze gebruikten infraroodspectroscopie om de aanwezigheid van eiwitstructuren te bevestigen, elektronenmicroscopie om de oppervlaktetextuur te zien en thermische analyse om te begrijpen hoe het materiaal zich gedraagt onder invloed van warmte. De resultaten toonden aan dat het materiaal de belangrijkste chemische kenmerken van het oorspronkelijke eiwit behield, zelfs nadat het in een film was veranderd.

Om de effectiviteit van het materiaal te testen, plaatsten de onderzoekers kleine stukjes mild staal in een bad van zoutzuur. Ze voerden deze tests uit bij verschillende temperaturen, variërend van een milde 30 graden Celsius tot een hete 60 gradల Celsius. In sommige tests voegden ze niets toe aan het zuur, als een controle om te zien hoe snel het staal op zichzelf zou roesten. In andere tests voegden ze de keratine-gebaseerde bioplastic toe in variërende concentraties, tot 0,8 gram per liter. Ze maten de corrosie op twee manieren. Ten eerste woog het team de staalstukken voor en na het weken in het zuur om precies te zien hoeveel metaal er verloren was gegaan. Ten tweede gebruikten ze een elektrochemische methode, die de elektrische stroom meet die wordt veroorzaakt door de corrosiereactie, om een nauwkeurige meting te krijgen van hoe snel het metaal op elk gegeven moment oploste.

De resultaten toonden aan dat het materiaal van kippenveren de corrosie inderdaad vertraagde. Naarmate de concentratie van de bioplastic in het zuur toenam, nam de snelheid waarmee het staal oploste af. Bij de hoogste geteste concentratie verminderde het materiaal de corrosiesnelheid aanzienlijk. De bescherming was echter niet perfect, en de prestaties veranderden met de temperatuur. Bij de laagste geteste temperatuur verminderde het materiaal de corrosiesnelheid van 37,56 millimeter per jaar naar 21,79 millimeter per jaar, wat een remmingsefficiëntie van ongeveer 42 procent vertegenwoordigde. Toen de temperatuur steeg naar 50 graden Celsius, werd het materiaal nog effectiever en bereikte een piek van 54 procent efficiëntie. Maar toen de temperatuur verder steeg naar 60 graden Celsius, daalde de bescherming terug naar ongeveer 32 procent. Dit suggereert dat hoewel het materiaal goed werkt, de hitte ervoor zorgt dat het minder stabiel of minder effectief wordt bij het hechten aan het metaal.

De onderzoekers keken ook naar de interactie tussen het materiaal en het staaloppervlak. Door de gegevens te analyseren, ontdekten ze dat de bioplastic fungeerde als een "mixed-type" (gemengd type) remmer. Dit betekent dat het zowel de chemische reacties die elektronen uit het metaal vrijmaken als de reacties die ze verbruiken, vertraagde, in plaats van slechts één kant van het proces te blokkeren. De gegevens pasten beter bij een wiskundig model bekend als het Langmuir-model dan bij andere modellen, wat suggereert dat de moleculen van de bioplastic zich in een enkele laag over het staaloppervlak verspreiden en de plekken bedekken waar roest normaal gesproken zou ontstaan. De auteurs merkten echter voorzichtig op dat omdat de bioplastic een complexe mengeling is van verschillende eiwitten en vezels, en geen enkel zuiver chemisch bestanddeel, dit model een benadering is. Het beschrijft het gedrag goed, maar het bewijst niet exact hoe elke individuele molecuul op het oppervlak is gerangschikt.

De studie concludeerde dat het omzetten van afvalveren van kippen in een bioplastic een levensvatbare manier is om een corrosieremmer te creëren. Het materiaal slaagde erin de corrosie van mild staal in zure omstandigheden te verminderen, wat bewijst dat pluimveeafval kan worden getransformeerd tot een functioneel industrieel product. De onderzoekers benadrukten dat hoewel de resultaten veelbelovend zijn, het materiaal geen wondermiddel is. De effectiviteit hangt sterk af van de gebruikte concentratie en de temperatuur van de omgeving. Bij hogere temperaturen neemt de bescherming af, wat aangeeft dat het materiaal mogelijk niet geschikt is voor zeer hete industriële processen zonder verdere aanpassingen. Het werk staat als een demonstratie van een praktische methode om een alledaags afvalproduct om te zetten in een nuttig hulpmiddel voor de bescherming van metaal, en biedt een blik op hoe biologische materialen op een dag synthetische chemicaliën in industriële toepassingen zouden kunnen vervangen.