Corrosion protection of mild steel in cooling water systems with green polymeric inhibitors

Abstract

Corrosion is the physical interaction between a metal and its environment, which results in changes of the metal's properties and which may lead to significant functional impairment of the metal, the environment or the technical system of which they form a part. This interaction is often of an electrochemical nature. Corrosion is not only an unavoidable natural process but also one of the most severe engineering problems worldwide. The cost of losses due to corrosion is estimated in billions of dollars each year and to be able to prevent these losses, technological options have to be practised to protect against corrosion. With the increasing awareness of environmental protection, the development of non-toxic inhibitors has become a hot topic. Tannic acid (TA) is one of the promising green inhibitors from natural polymers due to its natural and renewable source, and it has high biodegradability under aerobic and anaerobic conditions, which makes it safe for disposal compared to inorganic corrosion inhibitors such as chromates, nitrites, zinc salts or oxides. The present work is designed to investigate and gain further understanding of the inhibition mechanism of TA as a green inhibitor for the corrosion inhibition of mild steel in acidic media, decarbonised and seawater. TA has already been proved as a suitable steel corrosion inhibitor in acidic, but no investigations of alkaline media have been done. Because corrosion occurs via electrochemical reactions, electrochemical techniques are ideal for the study of the corrosion processes. The electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is one of the most effective and reliable methods to extract information about electrochemical characteristics of the electrochemical system. Electrochemical measurements, including anodic and cathodic polarisation curves and EIS, were performed in a three-electrode cell. During the work, EIS data was also analysed by fitting it to an equivalent electrical circuit model. Most of the circuit elements in the model are common electrical elements such as resistors, capacitors, and inductors. From the data obtained, it is intended to develop structure/property relations to find optimal corrosion inhibition conditions. In the first part, acidic media were examined in the absence of and with varying amount of TA to observe the optimum concentration of the inhibitor. Additionally, measurements in decarbonised water and seawater were performed to be able to gain knowledge in the corrosion inhibition behaviour of TA for possible industrial cooling water characteristics. Adsorption isotherm was used to determine the critical concentration and to gain information on corrosion protection mechanism. The characterisation of solutions was performed by Thin Layer Chromatography (TLC) and Ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) absorption measurements for the examination of the structural effects on the corrosion inhibition. Corrosion behaviour of mild steel was investigated in the absence and presence of a different amount of TA to determine the optimum inhibitor concentration. The effect of polyaspartic acid (PASA) on the corrosion inhibition performance of TA was also investigated. As a part of the study, application of small biomolecules such as ascorbic acid, sebacic acid, and gallic acid as environmental-friendly, low-cost, readily available corrosion inhibitors have been investigated if they would have to boost effect on corrosion inhibition efficiency of TA. The corrosion inhibition behaviour of the TA for under practice-like conditions has also been carried out in pilot plant studies, simulating closed cooling systems. The corrosion product was characterised by weight loss, according to ASTM 2688-94, X-ray Fluorescence (XRF) analysis, Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX) measurements. Results suggested that TA shows high inhibition efficiency for mild steel corrosion in cooling water applications and this efficiency can be improved with the addition of PASA.

Korozyon, metal ile çevresi arasında, metalin özelliklerinde değişikliklere neden olan ve neticesinde metalin, çevrenin veya bir parçasını oluşturdukları teknik sistemin önemli ölçüde işlevsel bozulmasına yol açabilecek fiziksel etkileşim. Bu etkileşim genellikle elektrokimyasal niteliktedir. Korozyon sadece kaçınılmaz doğal bir süreç değil aynı zamanda dünya çapında en ciddi mühendislik problemlerinden biridir. Korozyondan kaynaklanan kayıpların maliyeti her yıl milyarlarca dolar olarak tahmin edilmekte ve bu kayıpları önleyebilmek ve korozyona karşı koruma sağlamak için teknolojik seçeneklerin kullanılması gerekmektedir. Farklı korozyondan korunma metodları mevcuttur ve bu metodların akrif ve pasif metodlar olarak genel sınıflandırılması yapılabilir. Aktif korozyon koruması, korozyon sürecine müdahale ederek korozyonu önlemeyi veya korozyon reaksiyonu hızını azaltmayı amaçlamaktadır. Hava kirliliğini azaltmak, sistem dizaynı sırasında, korozyona dayanıklı uygun malzemeler kullanmak ve korozyona karşı koruma için detaylandırma yapmak aktif korozyon koruma metodlarına örnek olarak verilebilir. Pasif korozyon koruması ise, çelik yüzeyini aşındırıcı maddelerden, kaplamalardan, inhibitörlerden korumayı amaçlar. Malzeme üzerine koruyucu kaplama uygulamak ya da korozyon inhibitörleri kullanmak pasif korozyon koruma metodlarına örnek olarak verilebilir. Çevrenin korunması konusundaki farkındalığın artmasıyla, toksik olmayan inhibitörlerin geliştirilmesi önemli bir konu haline gelmiştir. En yaygın kullanılan malzemelerden biri olan yumuşak çeliğin, ciddi korozif ortamlarda korozyon korumasının sadece araştırılması değil, aynı zamanda ticari olarak da mevcut olan, doğal ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilen "Yeşil inhibitörler" ile korozyon korumasının gerçekleştirilmesi, doğal kaynakların sürdürülebilirliği için hem korozyon hem de çevre otoritelerinin ve tüm dünyanın mevcut ilgi alanlarından biridir. Yenilenebilir kaynaklar veya lignin, nişasta, selüloz, tannin gibi doğal biyopolimerler hidroksiller, aldehitler, ketonlar, karboksiller, çift bağlar, esterler, eter ve diğer fonksiyonel grupları içerir. Bu fonksiyonel gruplar substrata adsorplanırlar ve böylece korozyon direnci performansı kazandırırlar. Mevcut performansları ayrıca kimyasal dönüşümler, katkı maddeleri ve değiştiricilerin (inorganik takviyeler, nanomalzemeler) ilave edilmesiyle ve diğer yöntemlerle daha da geliştirilebilir. Doğal polimerlerden gelen yeşil inhibitörler mevcut korozyon inhibitörlerine mükemmel bir alternatif sunarken, bunların biyolojik olarak bozunabilirliği, aynı zamanda doğal polimerlerin depolanmasını ve uzun süreli kullanımını sınırlandırmaktadır. Tannik asit (TA), doğal ve yenilenebilir kaynağından dolayı doğal polimerlerin umut verici çevreci inhibitörlerinden biridir. Aerobik ve anaerobik koşullar altında yüksek biyolojik olarak parçalanabilirliğe sahiptir ve bu da, kromatlar, nitritler, çinko tuzları veya oksitleri gibi inorganik korozyon önleyicilerine kıyasla daha güvenli bir şekilde deşarj edilmelerini sağlar. Ayrıca TA, endüstrideki mevcut korozyon önleyicileri ile benzer bir mekanizma göstermektedir ve demir ve diğer metallerle şelatlar oluşturabildiği için araştırmanın başlangıç noktası olarak seçilmiştir. Bu nedenle, doğal bir polimer olarak TA, sanayi için alternatif bir korozyon inhibitörü haline gelebilir. Bu çalışma, için çevreci inhibitör olarak TA'nın asidik ortamda, dekarbonize sularda ve deniz suyundaki çelik malzemenin korozyonunun önlenmesinde inhibisyon mekanizmasını araştırmak ve daha fazla anlayabilmek için tasarlanmıştır. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda TA, asidik sularda olarak iyi bir çelik korozyon inhibitörü olarak kanıtlanmıştır, ancak alkalin medya araştırmaları yapılmamıştır. Korozyon, elektrokimyasal reaksiyonlar yoluyla oluştuğu için, korozyon prosesleri için elektrokimyasal teknikler idealdir. Elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS), sistemin elektrokimyasal özellikleri hakkında bilgi elde etmek için en etkili ve güvenilir yöntemlerden biridir. Elektrokimyasal ölçümler, anodik ve katodik polarizasyon eğrileri ve EIS de dahil olmak üzere üç elektrodlu bir hücre içinde gerçekleştirildi. EIS verileri, çalışma sırasında eşdeğer bir elektrik devresi modeline uyarlanarak da analiz edildi. Modeldeki devre elemanlarının çoğu, dirençler, kapasitörler ve indüktörler gibi ortak elektrik elemanlarıdır. Elde edilen verilerden optimum korozyon engelleme koşullarını bulmak için yapı/özellik ilişkileri geliştirilmesi amaçlanmıştır. Birinci bölümde, inhibitörün optimum dozajını belirlemek için, asidik ortamlarda değişen miktarda TA performansları incelendi. Buna ek olarak, endüstriyel soğutma suyu karakterleri olan dekarbonize su ve deniz suyunda TA'nın korozyon inhibisyon davranışıyla ilgili bilgi elde edebilmek için ölçümleri yapılmıştır. Adsorpsiyon izotermi, kritik konsantrasyonu belirlemek ve korozyona karşı koruma mekanizması hakkında bilgi toplamak için kullanılmıştır. İnhibitör içeren çözeltilerin karakterizasyonu korozyon inhibisyonundaki yapı etkinliğini incelemek için ince tabaka kromotografi (TLC) ve ultraviyole ve görünür ışık (UV-Vis) absorpsiyon spektroskopi ile gerçekleştirildi. Optimum inhibitör konsantrasyonunu belirlemek için değişen TA konsantrasyonlarında ve yokluğunda, yumuşak çeliğin korozyon davranışı araştırılmıştır. Ayrıca, poliaspartik asit (PASA) 'nın TA'nın korozyon inhibisyon performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Çalışmanın bir parçası olarak, çevre dostu, düşük maliyetli ve kolaylıkla temin edilebilir korozyon inhibitörleri olan askorbik asit, sebasik asit ve gallik asit gibi küçük biyomoleküllerin TA'nın korozyon inhibisyonu etkinliği üzerinde artış etkisi olup olmadığı araştırılmıştır. Pratikteki saha uygulamarının simülasyonu için TA'nın korozyon inhibisyon davranışı, kapalı soğutma sistemlerini simüle eden pilot tesis çalışmalarında da gerçekleştirilmiştir. Korozyon ürünü, ASTM 2688-94'e göre ağırlık kaybı, X-ışını Floresans (XRF) analizi, Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi (FTIR) spektroskopisi ve enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi ile taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDX) ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Sonuçlar, TA'nın soğutma suyu uygulamalarında yumuşak çelik malzeme korozyonu için yüksek inhibisyon verimi gösterdiğini ve bu verimliliğin PASA eklenmesiyle geliştirilebileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında çevreci polimerik korozyon inhibitörleri ile soğutma sistemlerinde çelik malzemenin korozyonunun önlenmesi hedeflenmiş ve bu amaca yönelik olarak, çevreci, düşük maliyetli, endüstriyel kullanıma uygun yeni bir inhibitör formülasyonu geliştirilmiştir.