La corrosión es uno de los principales problemas del deterioro en componentes, herramentales, equipos e inclusive a nivel estructural, ejemplo de esto son los aceros al carbono. En el presente trabajo se estudió la capacidad de inhibición a la corrosión de un extracto orgánico biodegradable proveniente de la planta del Nopal (Opuntia ficus-indica) para la protección del acero al carbono tipo AISI 1018, al agregar el 50% v/v del extracto de Nopal (EN) en una solución de H2SO4 (0,6 mol.l-1). Se utilizaron las técnicas de Resistencia a la Polarización (LPR) y Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (EIS) para determinar la eficiencia de inhibición (IE) a temperatura ambiente durante 24 h y obtener las velocidades de corrosión (Vcorr), posteriormente se llevó a cabo la evaluación metalográfica para registrar el daño superficial. Los resultados mostraron una reducción de la Vcorr con una IE máxima del 84% al adicionar el inhibidor orgánico EN.
Los problemas por corrosión en la industria se ven reflejados en pérdidas económicas debido a la degradación de componentes de acero, parada de las unidades de producción por mantenimiento y en un caso extremo, paros por accidentes del personal. Estas problemáticas motivan a diversas ramas de la ciencia e ingeniería a dirigir sus esfuerzos para encontrar alternativas que ayuden a minimizar la presencia de corrosión, la cual también está presente durante el traslado o almacenamiento de las piezas de acero que después de su manufactura presentan una superficie muy activa, siendo susceptibles de presentar corrosión en función del tiempo de almacenamiento y/o traslado.
Algunas prácticas para el traslado y almacenamiento de piezas de acero hacen uso de inhibidores de corrosión a base de aceites industriales donde las piezas son impregnadas o sumergidas evitando que se corroan; sin embargo, al utilizar este método las piezas requieren un postratamiento por lo que tienen que ser lavadas antes de su disposición, agregando así una operación de lavado al proceso para eliminar el inhibidor significando gastos de operación no programados. Otras opciones involucran el uso de papel encerado lo que evita la operación de remoción del inhibidor industrial, sin embargo, el costo es alto y poco eficiente.
En la literatura se han reportado diversos compuestos orgánicos con grupos funcionales que contienen elementos del grupos V y VI tales como: nitrógeno, fosforo, arsénico, azufre, oxígeno y selenio han sido investigados por mostrar un buen desempeño como inhibidor en aceros de bajo carbono, sin embargo, muchos de estos inhibidores no solo son costosos sino que también son peligrosos para el medio ambiente, por lo que su uso se ha reducido debido a las modificaciones en la normatividad ISO 14001, que hace referencia a la restricción en el uso de inhibidores de corrosión sintéticos. De éste modo nace la necesidad de crear formulaciones totalmente amigables con el ambiente, por lo que en los últimos años surge la propuesta del uso de inhibidores verdes “
Por lo tanto, el desarrollo de inhibidores orgánicos biodegradables a partir de extractos de plantas ofrece la posibilidad de proteger las piezas de acero para su traslado o almacenamiento temporal sin la necesidad de un proceso de lavado previo a la disposición de éstas y sin la generación de residuos industriales.
La eficiencia de un compuesto orgánico como inhibidor de corrosión depende principalmente de la habilidad de anclarse por interacciones químicas o físicas sobre la superficie del metal formando multicapas de moléculas orgánicas adsorbidas que bloquean los sitios activos de corrosión y retardando las reacciones anódicas y/o catódicas. La estabilidad de dicha capa adsorbida sobre la superficie depende de las propiedades físico-química de las moléculas relacionadas con los grupos funcionales del inhibidor: anillos aromáticos, posible efecto de histéresis, densidad electrónica de átomos donadores, además de otros factores como el ambiente corrosivo y la naturaleza de la interacción entre el orbital π de los inhibidores y el orbital
Algunos extractos de plantas y frutos que han sido estudiados como inhibidores verdes son:
Por otro lado, el Nopal (
Una barra de acero AISI 1018 se seccionó en especímenes de 25 mm de diámetros por 5,0 mm de espesor, éste acero se utilizó como sustrato y electrodo de trabajo (WE, “por sus siglas en inglés”) para las pruebas electroquímicas; composición se presenta en la
Composición del acero SAE 1018
Elemento | Composición (% peso) |
---|---|
C | 0,15-0,20 |
Mn | 0,60-0,90 |
P | 0,03 Máx. |
S | 0,05 Máx. |
Fe | Balance |
Para la preparación del extracto de Nopal se seleccionaron pencas tiernas que se limpiaron (remoción de espinas), cortaron y se desinfectaron con 2 ml de Cl2 + 1ml de Cu2SO4 para garantizar la eliminación de microorganismo y hongos que degraden al extracto. Posteriormente se llevó a trituración en un extractor donde la pulpa resultante se calentó para su maceración con una relación en volumen de agua destilada 2:1 durante una hora a 78 °C. El concentrado líquido se filtró en un tamiz fino para asegurar la separación de los sólidos superiores a 180 μm, obteniendo el producto final para las pruebas como se observa en la
Proceso de Extracción del concentrado de Nopal.
La caracterización electroquímica se llevó a cabo en una celda de acrílico de diseño propio ( Garfias-García
Celda Electroquímica para pruebas de corrosión.
Las pruebas electroquímicas se llevaron a cabo con un potenciostato Bio-Logic® ajustando la secuencia que se ilustra en la
Secuencia Experimental.
El monitoreo del potencial de corrosión (Ecorr) para el comportamiento del acero 1018 en H2SO4 y con EN quedó registrado en la
Potencial de Corrosión del acero 1018 con y sin inhibidor.
La técnica LP fue realizada durante las 24 h de inmersión en ambos medios (blanco y H2SO4 + EN) que se muestran en la
Polarización Lineal en función del tiempo a ± 25 mV vs SCE, para el acero 1018 con y sin inhibidor.
Curvas de Polarización para el acero 1018 con y sin inhibidor.
Mediante la extrapolación de Tafel se obtuvieron los valores de las pendientes anódicas (βa) y catódicas (βb) para el cálculo del coeficiente de Stern Geary (B), el cruce de las pendientes permitió determinar el valor Ecorr e icorr, siendo este último valor dividido entre el área expuesta de la muestra la cual fue de 1 cm2 para obtener una densidad de corriente jo (A·cm-2) para el cálculo de la resistencia a la transferencia de carga (Rp) para la técnica LP por medio de la relación (Ec. (1)):
Conociendo jo es posible conocer Vcorr, por lo tanto, con las modificaciones adecuadas la ecuación de Faraday ahora queda representada por la ecuación siguiente (Ec. (2)):
siendo M la masa del metal, n el número de electrones transferidos, y
En la
Resultados de las técnicas electroquímicas para evaluar al acero 1018 con y sin inhibidor
Acero 1018 | LPR | EIS | |||
---|---|---|---|---|---|
Ecorr (V ) vs SCE | Rp (Ω·cm-2) | Rct (Ω·cm-2) | Cdl(μF·cm-2) | ||
H2SO4 | 2,927E-05 | -0,511 | 268,182 | 187,538 | 189 |
50% H2SO4 +50% EN | 7,856E-06 | -0,545 | 1015,013 | 717,162 | 154 |
Gráfico de velocidad de corrosión vs tiempo, obtenidos mediante los resultados de LPR y EIS.
La técnica de EIS permite separar las contribuciones de resistencia a la transferencia de carga del sistema (Rct) y efecto de caídas óhmicas debida a la concentración de la solución, es decir, la resistencia de la solución (Rsol), este último valor resulta ser bajo ≈10Ω, debido a que la concentración del H2SO4 es alta por lo que al comparar los valores de Rct con respecto a los de RP resultan menores para ambos casos (blanco y H2SO4+EN). También se observó una disminución en el valor de la capacitancia (Cdl) lo cual está ligado a una disminución de la constante dieléctrica en las regiones locales en la fase ferrita debido a un mecanismo de adsorción molecular del inhibidor en la interface metal/electrolito, incrementando el espesor de la doble capa electroquímica que está asociado a la capacidad de inhibición de las moléculas del nopal.
La
Gráficos de Nyquist correspondientes al comportamiento del acero AISI-1018 en H2SO4 y con la mezcla 50% H2SO4 + 50% EN en función del tiempo de exposición.
CEE seleccionado para el Ajuste de los Espectros de Impedancia para ambos casos: 1018 en H2SO4 y 1018 en 50% H2SO4 + 50% EN.
La propuesta del CEE se sustenta en la observación de una sola constante de tiempo formada en los diagramas de bode-fase (
Diagrama Bode- Fase de acero 1018 en: H2SO4 y 50% H2SO4 + 50% EN.
Para obtener los valores de capacitancia (Cdl) a partir del elemento de fase constante (CPE), fue necesaria la obtención de la frecuencia máxima del semicírculo de Nyquist (ωθmax) así como el exponente
Una forma de calcular la eficiencia del inhibidor es a través de determinar el grado de cobertura de la superficie metálica “
Donde 1/Rct es el inverso de la resistencia a la transferencia de carga cuyos valores fueron tomados de los resultados de impedancia.
La eficiencia calculada de las expresiones 4 y 5 se muestran en la
Resultados de
T (h) | 1/Rct (blanco) | 1/Rct (inhibidor) | EI (%) | |
---|---|---|---|---|
1,00 | 0,0063 | 0,0015 | 0,758 | 75,77 |
2,50 | 0,0063 | 0,0015 | 0,758 | 75,77 |
5,00 | 0,0057 | 0,0017 | 0,705 | 70,50 |
7,50 | 0,0050 | 0,0015 | 0,704 | 70,40 |
10,00 | 0,0050 | 0,0013 | 0,733 | 73,33 |
12,50 | 0,0048 | 0,0013 | 0,723 | 72,29 |
15,00 | 0,0047 | 0,0013 | 0,719 | 71,94 |
17,50 | 0,0048 | 0,0013 | 0,723 | 72,32 |
20,00 | 0,0050 | 0,0013 | 0,745 | 74,48 |
22,50 | 0,0080 | 0,0013 | 0,843 | 84,34 |
Grado de cobertura en la superficie.
Eficiencia de inhibición.
La evidencia fotografía revela que el acero 1018 inmerso en H2SO4 0,6 (mol·l-1) después de 24 h sufre un ataque uniforme acompañado de una alta densidad de picaduras profundas en toda la superficie de prueba como se muestra en las
Micrografías obtenidas mediante el microscopio óptico a 5X después de las pruebas de corrosión: a y c) 1018 en H2SO4, b y d) 1018 en 50% H2SO4 +50% EN.
El extracto de nopal demostró tener propiedades de inhibición del proceso de corrosión por picaduras en H2SO4 desde las primeras 2,5 h de inmersión para el acero AISI 1018, comportándose como un inhibidor del tipo mixto durante las 24 h de exposición al medio ácido.
Los resultados indican que se alcanzó una eficiencia de inhibición de la corrosión del 84% a las 22 h de inmersión, indicando que la eficiencia puede cambiar no solo por la concentración, si no con respecto al tiempo. El comportamiento de Bode ángulo demostró un cambio de la capacitancia Cdl de la superficie del acero AISI 1018 con el extracto de Nopal, lo cual está ligado una mejor redistribución de las moléculas de EN sobre los sitios activos del acero, promoviendo un ataque generalizado de menor agresividad y sin la presencia de picaduras, en comparación con los daños observados en el acero expuesto únicamente al H2SO4 (blanco).
Dentro de este trabajo únicamente se consideró mostrar la capacidad de inhibición frente a la corrosión que posee el EN, en un medio ácido diferente a HCl, sin embargo, se considera necesario obtener un perfil de eficiencia a diversas concentraciones, así como a diferentes temperaturas, para estudiar el mecanismo de adsorción específico de la molécula de EN y la influencia que el compuesto del Mucílago presenta en el extracto.
Este proyecto de investigación fue desarrollado en el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C. (CIDETEQ) en colaboración con la Universidad Autónoma del Estado de México (UAEM), Centro Universitario UAEM Valle de México. En particular el Dr. Héctor Herrera Hernández agradece el apoyo económico otorgado a través del UAEM-SIyEA (Secretaría de Investigación y Estudios Avanzados) 3817/2014/CID. También se agradece al estudiante Luis E. Almazán Corona por las pruebas de corrosión realizadas como parte de su residencia profesional y tesis de licenciatura. Por último, los autores reconocen al CONACyT por la aportación económica mensual por el desempeño como investigador nacional con reconocimiento SNI.