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Quaternization-Enhanced Corrosion Protection of API 5L X70 Carbon Steel in 1.0 M HCl by a Schiff Base-Derived Cationic Surfactant: Experimental and DFT Insights

Este estudo demonstra que um surfactante catiônico de base de Schiff quaternizado recém-sintetizado supera significativamente o seu precursor na proteção do aço carbono API 5L X70 contra a corrosão por HCl 1,0 M, alcançando uma eficiência de inibição máxima de 90,90% através de um mecanismo de adsorção de modo misto confirmado por testes eletroquímicos experimentais e cálculos de DFT.

Autores originais: M. A. Hegazy, Mohamed M. Asab, S. M. Rashwan, Medhat M. Kamel, Emad M. Gad

Publicado 2026-08-25

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CC BY 4.0

Autores originais: M. A. Hegazy, Mohamed M. Asab, S. M. Rashwan, Medhat M. Kamel, Emad M. Gad

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

O aço é a espinha dorsal da indústria moderna, formando os tubos que transportam petróleo, as estruturas de edifícios e o maquinário que impulsiona nossa economia. Ele é escolhido por sua resistência e baixo custo, mas possui uma fraqueza fatal: ele enferruja. Quando o aço encontra ambientes severos, particularmente ácidos fortes usados para limpar poços de petróleo ou remover acúmulos minerais, ele se dissolve rapidamente. Essa corrosão corrói o metal, causando vazamentos, falhas em equipamentos e acidentes perigosos. Para impedir isso, engenheiros frequentemente adicionam inibidores químicos ao ácido. Estes são moléculas que aderem à superfície do aço, formando um escudo protetor que bloqueia o ácido de tocar o metal. O desafio reside em encontrar um escudo que seja forte o suficiente para conter o ácido, mas também acessível e fácil de usar.

Pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Petróleo do Egito e da Universidade do Canal de Suez propuseram-se a testar dois novos escudos químicos projetados para proteger um tipo específico de aço forte conhecido como API 5L X70. Este aço é amplamente utilizado na indústria de petróleo, tornando sua proteção uma prioridade. A equipe focou em dois compostos relacionados: uma base de Schiff, que é um tipo de molécula orgânica conhecida por sua capacidade de aderir ao metal, e uma versão modificada dessa mesma molécula transformada em um surfactante catiônico. Um surfactante é uma substância que reduz a tensão entre líquidos e superfícies, permitindo que se espalhe facilmente e forme um filme. Os pesquisadores criaram o segundo composto ao anexar quimicamente uma longa cadeia oleosa à molécula original, transformando-a efetivamente em uma estrutura semelhante a um sabão com uma carga elétrica positiva. Eles queriam ver se esse simples ajuste químico tornaria o inibidor significativamente melhor em deter a ferrugem em uma solução de ácido clorídrico de um molar.

A equipe testou ambos os produtos químicos imergindo pequenas amostras de aço em ácido por vinte e quatro horas, com e sem os inibidores. Eles mediram quanto peso o aço perdeu, o que indica diretamente quanta corrosão ocorreu. Eles também utilizaram testes elétricos para observar como o metal reagia em tempo real e tiraram fotografias de alta magnificação das superfícies de aço para visualizar o dano físico. Os resultados foram claros: ambos os produtos químicos funcionaram, mas o surfactante modificado foi muito superior. Na maior concentração testada, a base de Schiff original reduziu a taxa de corrosão em cerca de 70 por cento. O novo surfactante, no entanto, reduziu a corrosão em quase 91 por cento. Essa diferença mante-se constante em diferentes temperaturas, embora a proteção tenha diminuído naturalmente conforme a água esquentava, um comportamento comum para esses tipos de escudos.

Para entender por que o surfactante funcionou tão melhor, os pesquisadores observaram como as moléculas se comportavam no aço. Eles descobriram que ambos os produtos químicos aderiam à superfície do metal substituindo as moléculas de água que normalmente ocupariam o local, formando uma camada fina e protetora. Esse processo ocorreu espontaneamente e seguiu um padrão previsível onde as moléculas se alinhavam ordenadamente na superfície. A cauda longa e oleosa do surfactante ajudou a molécula a se compactar mais densamente, criando uma barreira mais densa e difícil de ser penetrada pelo ácido. Os testes elétricos confirmaram isso, mostrando que o surfactante aumentou a resistência do aço à corrosão em uma margem muito maior do que a molécula original. As fotografias das superfícies de aço contaram a mesma história: o aço tratado com o surfactante permaneceu liso e amplamente intacto, enquanto o aço tratado com a molécula original apresentou mais sinais de pites e rugosidade.

Os pesquisadores também utilizaram simulações computacionais para observar as moléculas em nível atômico. Esses cálculos sugeriram que o surfactante tinha uma capacidade maior de compartilhar elétrons com os átomos de ferro no aço, o que ajuda a travar a camada protetora no lugar. As simulações mostraram que a molécula do surfactante possuía uma densidade de carga negativa mais alta e um formato mais favorável para interagir com a superfície metálica em comparação com a base de Schiff original. Embora os dados apontassem fortemente para a atração física como a principal maneira de os produtos químicos aderirem ao aço, os modelos computacionais sugeriram que alguma ligação química também poderia estar ajudando a fortalecer o escudo. A equipe concluiu que o simples ato de adicionar uma longa cadeia oleosa à molécula original a transformou em um guardião muito mais eficaz, oferecendo uma nova ferramenta promissora para proteger tubulações e equipamentos nos ambientes ácidos e severos da indústria de petróleo e gás.

Resumo Técnico: Aumento da Proteção Contra Corrosão via Quaternização de Aço Carbono API 5L X70

Definição do Problema
O aço carbono, particularmente o API 5L X70, é amplamente utilizado em tubulações de engenharia e industriais devido à sua resistência mecânica e custo-benefício. No entanto, é altamente suscetível à degradação em ambientes ácidos hostis, como os encontrados durante a estimulação de poços de petróleo, limpeza de oleodutos e remoção de incrustações utilizando ácido clorídrico (HCl). A exposição a 1,0 M de HCl inicia reações eletroquímicas que levam à dissolução metálica, evolução de hidrogênio e falha de equipamentos. Embora a tecnologia de inibidores seja crítica para mitigar esses riscos, há uma necessidade de avaliar como modificações estruturais, especificamente a quaternização, influenciam a eficácia dos inibidores de corrosão em meios ácidos.

Metodologia
O estudo investigou dois compostos estruturalmente relacionados: uma nova base de Schiff sintetizada, (Z)-N,N-dimetil-3-((1-metilpirrolidin-2-ilideno)amino)propan-1-amina, e seu derivado surfactante catiônico quaternizado, (E)-N,N-dimetil-N-(3-((1-metilpirrolidin-2-ilideno)amino)propil)dodecan-1-aminium brometo. O surfactante foi criado pela alquilação da base de Schiff com 1-bromododecano.

O desempenho desses inibidores foi avaliado contra aço carbono API 5L X70 em 1,0 M de HCl por meio de uma abordagem multifacetada:

Análise Gravimétrica (Perda de Massa): Realizada ao longo de 24 horas em temperaturas variando de 25 °C a 85 °C com concentrações de inibidor de $1 \times 10^{-4}$ a $5 \times 10^{-3}$ mol L $^{-1}$ .
Técnicas Eletroquímicas: Polarização potentiodinâmica (PDP) e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) foram realizadas a 25 °C para determinar correntes de corrosão, potenciais e resistência à transferência de carga.
Caracterização de Superfície: Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X (EDX) foram utilizadas para examinar a morfologia da superfície e a composição elementar após a exposição.
Cálculos Teóricos: Cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT) (B3LYP/6-311G) foram empregados para analisar as energias orbitais moleculares, descritores de reatividade e mecanismos de adsorção.
Atividade de Superfície: A concentração micelar crítica (CMC) e medições de tensão superficial foram conduzidas para avaliar as propriedades surfactantes.

Principais Contribuições e Resultados

Eficiência de Inibição: Ambos os compostos demonstraram inibição de corrosão dependente da concentração. O surfactante catiônico superou consistentemente a base de Schiff original. Na concentração ótima ( $5 \times 10^{-3}$ mol L $^{-1}$ ) e a 25 °C, o surfactante alcançou uma eficiência de inibição máxima de 90,90%, comparado a 70,54% para a base de Schiff.
Efeitos da Temperatura: A eficiência de inibição para ambos os compostos diminuiu conforme a temperatura aumentou de 25 °C para 85 °C, sugerindo que o processo de adsorção é exotérmico e que a maior energia térmica promove a dessorção.
Mecanismo de Adsorção: Os inibidores seguiram o isoterma de adsorção de Langmuir. Parâmetros termodinâmicos indicaram adsorção espontânea ( $\Delta G^0_{ads}$ variando de -33,13 a -40,53 kJ mol $^{-1}$ ). A entalpia de adsorção relativamente baixa ( $\Delta H^0_{ads}$ ) e a dependência da temperatura sugerem que a adsorção física (atração eletrostática) é o mecanismo dominante, embora os autores observem que interações doador-aceitador também possam contribuir.
Comportamento Eletroquímico: Ambos os inibidores atuaram como inibidores de tipo misto, suprimindo tanto a dissolução anódica do metal quanto a evolução catódica de hidrogênio. Os resultados de PDP mostraram uma redução significativa na densidade de corrente de corrosão ( $i_{corr}$ ), enquanto os dados de EIS revelaram um aumento substancial na resistência à transferência de carga ( $R_{ct}$ ) e uma diminuição na capacitância da dupla camada ( $C_{dl}$ ) com o aumento da concentração do inibidor, indicando a formação de uma camada de barreira protetora.
Análise de Superfície: Imagens de SEM confirmaram que as superfícies tratadas com o inibidor permaneceram significativamente mais lisas e menos corroídas em comparação com as amostras em branco. A análise EDX detectou nitrogênio nas superfícies protegidas, confirmando a adsorção dos inibidores contendo nitrogênio, e mostrou uma redução no conteúdo de oxigênio, indicando a supressão da formação de óxidos.
Insights Teóricos: Cálculos de DFT apoiaram os achados experimentais, mostrando que o surfactante possui uma energia HOMO mais alta, um gap de energia HOMO-LUMO menor, um momento de dipolo maior e uma carga negativa total maior em comparação com a base de Schiff. Essas propriedades eletrônicas correlacionam-se com a capacidade superior de doação de elétrons e a interação mais forte do surfactante com a superfície metálica.

Significância e Alegações
O artigo alega que a quaternização da base de Schiff em um surfactante catiônico aumenta significativamente sua capacidade de proteção contra corrosão. Esse aumento é atribuído à natureza anfifílica do surfactante, que facilita o empacotamento denso e a cobertura superficial eficaz no aço carbono. O estudo estabelece um vínculo direto entre a estrutura molecular (especificamente a introdução de uma cadeia alquílica longa e do grupo amônio quaternário) e o aumento do desempenho inibitório.

Os autores concluem que o surfactante catiônico sintetizado é um candidato promissor para o controle de corrosão em ambientes ácidos relevantes para a indústria de petróleo. No entanto, eles observam modestamente que estes achados baseiam-se em condições de laboratório (HCl 1,0 M estático sob pressão ambiente) e que investigações adicionais sob condições relevantes de campo (temperaturas, pressões mais altas, fluxo dinâmico e presença de outros aditivos) são necessárias antes da aplicação prática. O trabalho fornece um quadro comparativo demonstrando que a modificação estrutural via quaternização pode efetivamente otimizar o desempenho do inibidor para a proteção do aço carbono.

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