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

Technische Samenvatting: Aardappelschil-extract als een Milieuvriendelijke Corrosieremmer voor A283 Koolstofstaal

Probleemstelling
Koolstofstaal (specifiek A283 graad C) wordt op grote schaal toegepast in kritieke industriële sectoren zoals olie- en gasleidingen, de bouw en opslagtanks. Om deze structuren te onderhouden, wordt vaak gebruikgemaakt van zoutzuur (HCl) voor het inbijten om roest te verwijderen. Dit proces stelt het staal echter bloot aan agressieve chloride-ionen, wat leidt tot ernstige substraatcorrosie. Hoewel organische remmers met heteroatomen effectief zijn, zijn veel van deze stoffen toxisch en milieubelastend. Daarom is er een strategische behoefte aan de ontwikkeling van milieuvriendelijke, biologisch afbreekbare en goedkope alternatieven, zoals plantenextracten, die effectief corrosie kunnen tegengaan zonder de veiligheid of economische haalbaarheid in gevaar te brengen.

Methodologie
De studie onderzocht de effectiviteit van aardappelschil-extract als een corrosieremmer voor A283 koolstofstaal in een 2,0 M HCl-oplossing. Het onderzoek maakte gebruik van een veelzijdige aanpak waarbij experimentele, oppervlakte-analytische en theoretische perspectieven werden gecombineerd:

• Extractie en Karakterisering: Aardappelschillen werden gewassen, in de zon gedroogd en met ethanol gerefluxeerd om een extract te verkrijgen. De actieve bestanddelen werden geïdentificeerd met behulp van FT-IR, ¹H NMR, ¹³C NMR en massaspectrometrie. Belangrijke bioactieve componenten die werden geïdentificeerd, waren α-chaconine, chlorogeenzuur, cafeïnezuur, petunidine, galluszuur en quercetine.
• Experimentele Corrosiemetingen:
  • Gewichtsverlies (WL): Staalcoupons werden gedurende 7 dagen bij 25°C ondergedompeld in HCl met variërende extractconcentraties (10–500 ppm) om corrosiesnelheden en remmingsefficiëntie te bepalen.
  • Elektrochemische Technieken: Potentiodynamische Polarisatie (PDP) en Elektrochemische Impedantie Spectroscopie (EIS) werden uitgevoerd bij temperaturen variërend van 25°C tot 50°C. Deze tests maten de corrosiestroomdichtheid, het corrosiepotentiaal, de ladingsoverdrachtweerstand en de dubbellagencapaciteit.
• Oppervlakteanalyse: Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) werd gebruikt om de oppervlaktemorfologie van het staal te visualiseren na onderdompeling in ongehinderde en gehinderde oplossingen.
• Theoretische Simulaties: Density Functional Theory (DFT) berekeningen (B3LYP/6-311G(d,p)) werden uitgevoerd om kwantumchemische parameters (HOMO, LUMO, energiekloof, elektronegativiteit, hardheid) te bepalen. Daarnaast werden Monte Carlo-simulaties uitgevoerd om het adsorptiegedrag van de actieve moleculen op een Fe (110) oppervlak in een oplosmiddelomgeving te modelleren.

Belangrijkste Resultaten

• Remmingsefficiëntie: Het aardappelschil-extract vertoonde een significante corrosieremming. De efficiëntie nam toe bij hogere extractconcentraties, waarbij een maximum van 97,88% werd bereikt bij 500 ppm (PDP-data) en 92,8% bij 25°C (WL-data). Daarentegen nam de remmingsefficiëntie af naarmate de temperatuur steeg, wat wijst op een fysische adsorptiemechanisme.
• Type Remming: PDP-analyse gaf aan dat het extract fungeert als een mixed-type remmer, die zowel de anodische metaaloplossing als de kathodische waterstofevolutiereacties onderdrukt zonder het corrosiemechanisme significant te veranderen. De verschuiving in het corrosiepotentiaal ($E_{corr}$) was minimaal (< 34 mV).
• Adsorptiemechanisme: De adsorptie van het extract op het staaloppervlak volgde de Langmuir-adsorptie-isotherm. De berekende standaard vrije energie van adsorptie ($\Delta G^\circ_{ads}$) was -28,41 kJ mol⁻¹. Deze waarde, zijnde tussen -20 en -40 kJ mol⁻¹, geeft aan dat de remming primair wordt gedreven door fysische adsorptie (elektrostatische interacties), met mogelijke kleine bijdragen van chemische adsorptie.
• Thermodynamica: Het corrosieproces bleek endotherm ($\Delta H^* > 0$). De aanwezigheid van de remmer verhoogde de activeringsenergie ($E_a$) van 27,12 kJ mol⁻¹ (blank) naar 45,58 kJ mol⁻¹ (geremd), wat bevestigt dat de geadsorbeerde laag een energiebarrière creëert die de corrosiereactie belemmert.
• Oppervlaktemorfologie: SEM-beelden toonden aan dat het ongehinderde staaloppervlak ernstig gedegradeerd was met putjes en scheuren. In tegenstelling hiermee bleef het oppervlak dat aan 500 ppm extract werd blootgesteld glad en homogeen, wat de vorming van een beschermende film bevestigt.
• Theoretische Inzichten: DFT- en Monte Carlo-simulaties identificeerden petunidine en chlorogeenzuur als de meest krachtige componenten vanwege hun hoge elektronendonatiecapaciteit ($\Delta N$) en de laagste HOMO-LUMO energiekloven. De simulaties toonden aan dat deze moleculen in een bijna horizontale oriëntatie adsorberen, waardoor de oppervlaktebedekking wordt gemaximaliseerd. De berekende adsorptie-energieën waren zeer negatief (variërend van -77,48 tot -353,59 kcal/mol), wat spontane adsorptie ondersteunt.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat aardappelschil-extract dient als een veilige, betaalbare en milieubewuste alternatief voor traditionele toxische corrosieremmers. De studie valideert succesvol dat de effectiviteit van het extract voortkomt uit de spontane adsorptie van de bioactieve bestanddelen (rijk aan heteroatomen zoals N en O, en $\pi$-elektronensystemen) op het koolstofstaloppervlak. Deze adsorptie vormt een beschermende monolayer die het metaal isoleert van het agressieve zure medium.

Het artikel benadrukt dat de combinatie van experimentele gegevens en theoretische modellering een uitgebreid begrip biedt van het remmingmechanisme. Met name de identificatie van petunidine en chlorogeenzuur als de primaire actieve agentia biedt inzicht in de moleculaire basis van de prestaties van het extract. Het werk draagt bij aan de ontwikkeling van duurzame corrosiebestrijdingstechnieken door gebruik te maken van landbouwafval (aardappelschillen) om industriële infrastructuur te beschermen, wat aansluit bij de principes van groene chemie.