DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c05642
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41560497
تاريخ النشر: 2026-01-21
المؤلف: Caio Victor Pereira Pascoal وآخرون
الموضوع الرئيسي: سلوك التآكل والتثبيط
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في خصائص تثبيط التآكل لثلاثة سوائل أيونية بروتونية (PILs) – الفورمات 2-هيدروكسي ديثانولامين (PIL A)، البروبيونات 2-هيدروكسي ديثانولامين (PIL B)، والبنتونات 2-هيدروكسي ديثانولامين (PIL C) – على فولاذ الكربون A36 في محلول NaCl بتركيز 3.5 wt %. باستخدام مجموعة من تقنيات التحليل الكهربائي وخصائص السطح، بما في ذلك قياسات فقدان الوزن، الاستقطاب الديناميكي، طيف الامتصاص الكهربائي (EIS)، وطرق المجهر المختلفة، توضح الأبحاث آليات الامتزاز الواجهية وتكوين الفيلم. نموذج أيزوثيرم الامتزاز فرومكين وصف سلوك الامتزاز بشكل أفضل، مما يشير إلى أن الامتزاز بشكل أساسي هو فيزيائي مع متوسط طاقة حرة قياسية للامتزاز ($\Delta G°_{ad} = -20.89 \, \text{kJ mol}^{-1}$). من بين السوائل، أظهر PIL A أعلى كفاءة تثبيط (>75%)، مما يعزز تكوين فيلم واجهي واقي، بينما أظهرت PILs B و C أداءً أقل.
تؤكد النتائج على أهمية التركيب الجزيئي في تثبيط التآكل، حيث يساهم الجزء الحمضي الأصغر في PIL A في كفاءته الفائقة. تشير التحليلات الديناميكية الحرارية إلى أن آلية الامتزاز هي في الأساس فيزيائية، تتميز بتفاعلات كهربائية ضعيفة، مما قد يحد من الحماية على المدى الطويل مقارنة بآليات الامتزاز الأقوى التي تُرى في السوائل الأيونية غير البروتونية. أشارت القياسات الكهربائية إلى أن PIL A يعمل كمانع من النوع المختلط، بينما أظهرت PILs B و C طابعًا أكثر أنودية. تختتم الدراسة بأن السوائل الأيونية البروتونية المصممة خصيصًا تمثل بديلاً واعدًا وصديقًا للبيئة لحماية التآكل، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف لخصائصها الواجهية وأدائها على المدى الطويل في البيئات التآكلية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي العالمي الكبير الذي تسببه التآكل، حيث تتجاوز التكاليف السنوية 2.5 تريليون دولار، مما يمثل حوالي 3.4% من الناتج المحلي الإجمالي العالمي، وأكثر من 450 مليار دولار في الولايات المتحدة وحدها. لقد دفعت هذه العبء الاقتصادي، جنبًا إلى جنب مع التهديدات للسلامة العامة وسلامة البيئة، الصناعات إلى اعتماد الفولاذ منخفض السبيكة وموانع التآكل كحلول فعالة من حيث التكلفة. ومع ذلك، غالبًا ما تثير موانع التآكل التقليدية مخاوف صحية وبيئية، مما يستدعي استكشاف بدائل أكثر أمانًا. تُعرض السوائل الأيونية البروتونية (PILs) كمرشحين واعدين نظرًا لملفاتها البيئية المواتية، وقابلية التحلل البيولوجي، وقابلية تعديل التركيب، مما يسمح بإدخال مكونات أقل سمية.
تهدف الورقة إلى دراسة فعالية PILs كموانع للتآكل، مع التركيز بشكل خاص على تخليقها باستخدام ديثانولامين لإنشاء مركبات جديدة. تميز هذه الأبحاث نفسها من خلال اعتماد نهج شامل يتضمن تقنيات تحليل مختلفة لتحليل التركيب الكيميائي، والأداء الكهربائي، وآليات التآكل المرتبطة بـ PILs. من خلال تقييم PILs بشكل منهجي مع مجموعات حمضية مختلفة تحت ظروف محكومة، تسعى الدراسة إلى إقامة علاقات بين التركيب الجزيئي وفعالية التثبيط. من المتوقع أن تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول تصميم استراتيجيات التخفيف من التآكل الصديقة للبيئة، مع التأكيد على الهدفين المزدوجين للأداء الفني والاستدامة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم الحصول على كواشف عالية النقاء من ألدرش وسيغما لضمان موثوقية السوائل الأيونية البروتونية (PILs) المنتجة. تضمنت التحضير خلط كتل معروفة من PILs مع مذيبات قطبية (ميثانول) وغير قطبية (تولوين) في زجاجات زجاجية محكمة الإغلاق لتقليل التبخر. تم قياس الكثافة وسرعة الصوت للمخاليط باستخدام مقياس كثافة DSA 5000 عند ضغط جوي ثابت قدره 100 كيلو باسكال عبر نطاق درجة حرارة من 293.15 ك إلى 333.15 ك. تم الإبلاغ عن عدم اليقين القياسي لقياسات الكثافة واللزوجة، مما يضمن دقة البيانات المجمعة.
شملت المزيد من خصائص PILs طيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) باستخدام مطياف Avance DRX 500، حيث تم إذابة العينات في أكسيد الديوتيريوم للتحليل. تم استخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء لتقييم كل من العينات السائلة والصلبة مباشرة، والتقاط أطياف الامتصاص في النطاق من 400-4000 سم$^{-1}$. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل الوزن الحراري (TGA) تحت النيتروجين لتقييم الاستقرار الحراري لـ PILs، مما يكشف عن سلوك متسق عبر نطاق درجات الحرارة من 30 °م إلى 400 °م. تتوفر بيانات شاملة، بما في ذلك الجداول والأشكال، في المعلومات الداعمة.
مناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، تم وصف تخليق السوائل الأيونية البروتونية (PILs)، مع تسليط الضوء على استخدام كواشف محددة مثل الفورمات 2-هيدروكسي ديثانولامين (PIL A)، البروبيونات (PIL B)، والبنتونات (PIL C). أكدت الدراسة على قابلية الذوبان والاستقرار للثيرانولامين والدينثانولامين في البيئات المالحة، وخاصة في محاليل كلوريد الصوديوم (NaCl) بتركيز 3.5 wt %، والتي تعتبر ذات صلة بمحاكاة الظروف البحرية. أشارت النتائج إلى أنه بينما تظهر المركبان قابلية ذوبان جيدة وقدرات تثبيط التآكل، أظهر الدينثانولامين حركة أقل بسبب حجمه الجزيئي الأكبر. تم تقييم فعالية هذه PILs كموانع للتآكل من خلال قياسات فقدان الوزن والتقييمات الكهربائية، مما يكشف أن كفاءة التثبيط تعتمد على التركيز وتتأثر بالتركيب الجزيئي لـ PILs.
أظهرت اختبارات فقدان الوزن أنه عند تركيز 1000 جزء في المليون، حقق PIL A أقصى كفاءة تثبيط قدرها 75.05%، بينما أظهرت PIL B و C تراجعًا في الأداء عند تركيزات أعلى. تشير هذه الاتجاهات إلى أن التعديلات الهيكلية، مثل زيادة طول سلسلة الكربون، قد لا تؤدي دائمًا إلى تحسين كفاءة التثبيط، على عكس التوقعات بناءً على الأدبيات السابقة. أشار تحليل أيزوثيرم الامتزاز إلى أن نموذج فرومكين قدم أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية، مما يشير إلى أن امتزاز PILs على سطح فولاذ الكربون يتأثر بالتفاعلات الجزيئية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية تحسين كل من التركيز والتصميم الجزيئي لـ PILs لتعزيز قدراتها في حماية التآكل في البيئات الغنية بالكلوريد.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5c05642
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41560497
Publication Date: 2026-01-21
Author(s): Caio Victor Pereira Pascoal et al.
Primary Topic: Corrosion Behavior and Inhibition
Overview
This study investigates the corrosion inhibition properties of three protic ionic liquids (PILs)—2-hydroxy diethanolamine formate (PIL A), 2-hydroxy diethanolamine propionate (PIL B), and 2-hydroxy diethanolamine pentanoate (PIL C)—on A36 carbon steel in a 3.5 wt % NaCl solution. Utilizing a combination of electrochemical and surface characterization techniques, including weight loss measurements, potentiodynamic polarization, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and various microscopy methods, the research elucidates the mechanisms of interfacial adsorption and film formation. The Frumkin adsorption isotherm model best described the adsorption behavior, indicating predominantly physical adsorption with an average standard free energy of adsorption ($\Delta G°_{ad} = -20.89 \, \text{kJ mol}^{-1}$). Among the PILs, PIL A demonstrated the highest inhibition efficiency (>75%), promoting the formation of a protective interfacial film, while PILs B and C exhibited lower performance.
The findings underscore the significance of molecular structure in corrosion inhibition, with PIL A’s smaller acid fraction contributing to its superior efficacy. Thermodynamic analysis suggests that the adsorption mechanism is primarily physisorption, characterized by weak electrostatic interactions, which may limit long-term protection compared to stronger adsorption mechanisms seen in aprotic ionic liquids. Electrochemical measurements indicated that PIL A functions as a mixed-type inhibitor, while PILs B and C showed a more anodic character. The study concludes that tailored protic ionic liquids present a promising, environmentally friendly alternative for corrosion protection, emphasizing the need for further exploration of their interfacial properties and long-term performance in corrosive environments.
Introduction
The introduction highlights the significant global challenge posed by corrosion, with annual costs exceeding $2.5 trillion, representing approximately 3.4% of global GDP, and over $450 billion in the United States alone. This economic burden, coupled with threats to public safety and environmental integrity, has prompted industries to adopt low-alloy steels and corrosion inhibitors as cost-effective solutions. However, traditional corrosion inhibitors often raise health and environmental concerns, necessitating the exploration of safer alternatives. Protic ionic liquids (PILs) are presented as promising candidates due to their favorable environmental profiles, biodegradability, and structural tunability, which allows for the incorporation of less toxic components.
The paper aims to investigate the efficacy of PILs as corrosion inhibitors, particularly focusing on their synthesis using diethanolamine to create novel compounds. This research distinguishes itself by employing a comprehensive approach that includes various characterization techniques to analyze the chemical structure, electrochemical performance, and corrosion mechanisms associated with PILs. By systematically evaluating PILs with differing acid moieties under controlled conditions, the study seeks to establish correlations between molecular structure and inhibition effectiveness. The findings are expected to contribute valuable insights into the design of environmentally friendly corrosion mitigation strategies, emphasizing the dual goals of technical performance and sustainability.
Methods
In the experimental section of the study, high-purity reagents were sourced from Aldrich and Sigma to ensure the reliability of the protic ionic liquids (PILs) produced. The preparation involved mixing known masses of PILs with polar (methanol) and apolar (toluene) solvents in sealed glass vials to minimize evaporation. The density and speed of sound of the mixtures were measured using a DSA 5000 densimeter at a constant atmospheric pressure of 100 kPa across a temperature range of 293.15 K to 333.15 K. The standard uncertainties for density and viscosity measurements were reported, ensuring precision in the data collected.
Further characterization of the PILs included Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy using an Avance DRX 500 spectrometer, where samples were dissolved in deuterium oxide for analysis. Infrared spectroscopy was employed to evaluate both liquid and solid samples directly, capturing absorbance spectra in the range of 400-4000 cm$^{-1}$. Additionally, Thermogravimetric Analysis (TGA) was conducted under nitrogen to assess the thermal stability of the PILs, revealing consistent behavior across the temperature range of 30 °C to 400 °C. Comprehensive data, including tables and figures, are available in the Supporting Information.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the synthesis of protic ionic liquids (PILs) was described, highlighting the use of specific reagents such as 2-hydroxy diethanolamine formate (PIL A), propionate (PIL B), and pentanoate (PIL C). The study emphasized the solubility and stability of ethanolamine and diethanolamine in saline environments, particularly in 3.5 wt % sodium chloride (NaCl) solutions, which are relevant for simulating marine conditions. The findings indicated that while both compounds exhibit good solubility and corrosion inhibition capabilities, diethanolamine showed reduced mobility due to its larger molecular size. The effectiveness of these PILs as corrosion inhibitors was assessed through weight loss measurements and electrochemical evaluations, revealing that the inhibition efficiency is concentration-dependent and influenced by the molecular structure of the PILs.
The weight loss tests demonstrated that at a concentration of 1000 ppm, PIL A achieved a maximum inhibition efficiency of 75.05%, while PIL B and C exhibited a decline in performance at higher concentrations. This trend suggests that structural modifications, such as increasing carbon chain length, may not always yield improved inhibition efficiency, contrary to expectations based on previous literature. The adsorption isotherm analysis indicated that the Frumkin model provided the best fit for the experimental data, suggesting that the adsorption of PILs on the carbon steel surface is influenced by molecular interactions. Overall, the study underscores the importance of optimizing both the concentration and molecular design of PILs to enhance their corrosion protection capabilities in chloride-rich environments.