甲醇法提取鹰嘴豆提取物作为抑制高铬钢氯化物腐蚀的绿色缓蚀剂

《Bioresource Technology Reports》：Methanolic chickpea extract as a green corrosion inhibitor for mitigating chloride-induced corrosion of high?chromium steel

　　

摘要

本文研究了鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）种子甲醇提取液在高铬钢含氯环境中的缓蚀性能，重点探讨局部腐蚀的抑制作用及可持续生物质资源的利用。提取液采用以80%甲醇为溶剂的简单浸渍法制备，为开发绿色缓蚀剂提供了一条经济且可持续的途径。研究在3.5 w/v% NaCl溶液中，利用不同缓蚀剂浓度下的电化学技术（开路电位、动电位极化曲线和电化学阻抗谱）、吸附等温线分析、光谱表征以及腐蚀后表面检验等手段，评估其耐蚀性能。结果表明，随着提取液浓度的增加，腐蚀电流密度显著降低，电荷转移电阻随之升高，在缓蚀剂浓度达2000 ppm时，最大缓蚀效率约为90%。吸附等温线分析表明，缓蚀行为最符合Freundlich吸附等温线，说明缓蚀剂分子在金属表面的吸附属于非均相吸附；而电化学与表面表征的综合结果支持在钢表面形成了具有保护作用的缓蚀剂改性界面层。研究结果表明，鹰嘴豆种子提取液作为高铬钢的一种环境友好型高效缓蚀剂具有广阔的应用前景，能有效抑制氯离子诱导的局部腐蚀。此外，该研究还验证了利用农业生物质衍生提取液进行钝化合金腐蚀防护的可行性，并支持通过农业资源的高值化利用开发可持续的腐蚀缓解策略，适用于海洋及工业环境。

引言

农业是经济增长的基石，支撑着数百万人的生计并推动国家发展。印度地理环境多样，在各种气候区域种植了广泛的大宗作物、水果和蔬菜（Agarwal, 2025）。印度相当大比例的人口从事农业，使其成为全球主要农业国之一（Narang, 2025）。印度是全球最大的作物和豆类生产国之一，也是全球第二大小麦（13-14%）和大米（约28%）生产国，以及全球最大的豆类（25-28%）、甘蔗（约20%）和鹰嘴豆（约70%）年度生产国（Halawar, 2019; Kumar et al., 2015; Rani et al., 2023）。因此，印度对全球粮食安全框架作出了重要贡献，并支撑了以农业为基础的食品加工业（Patel et al., 2019）。自然而然地，一个拥有如此大规模作物种植的国家会产生大量的农业副产物、残留物和废弃物。最常见的残余物包括作物秸秆、豆荚壳、破损种子、根系和蔗渣。因此，面对大量农业产出，废弃物管理已成为印度面临的一项重大挑战。由于缺乏完善的废弃物管理设施、意识和教育，大部分废弃物通常被焚烧和/或露天堆放、填埋或排入水体。据报道，这些活动对全球温室气体排放、环境危害、PM2.5污染、水体污染以及珍贵植物化学物质的损失都有显著贡献（Bhuvaneshwari et al., 2019）。因此，管理和再利用大量农业废弃物被公认为至关重要。

科学家们（Alzandi et al., 2025; Oleszek et al., 2023; Zhao et al., 2015）报道，作物和豆类的残余物含有多种有用的有机化合物或植物化学物质，包括多酚、单宁、黄酮类化合物、皂苷和其他有机酸。这些生物活性化合物由于其强金属螯合特性、给电子基团和结构不饱和性，能与金属表面有效相互作用，使其成为各类用途的经济选择（Mandal et al., 2024b; Miralrio and Vázquez, 2020）。因此，研究人员对这些有价值的化学品的再利用表现出浓厚兴趣，将其应用于不同的商业和工业领域。例如，秸秆和豆荚壳被重新利用为纳米纤维素、生物燃气和生物燃料（Kumar Trivedi et al., 2023; Reddy et al., 2025）。甘蔗渣也被用作陶瓷和复合材料工业中碳基材料的前驱体（Altynov et al., 2025）。这些在不同领域的应用得益于其固有的金属螯合能力、杂原子的存在以及不饱和分子结构。相同的分子特征也在腐蚀科学领域引起了广泛关注，生物质衍生的植物化学物质正越来越多地被研究作为暴露于侵蚀性介质中的金属材料的环保缓蚀剂。多酚、黄酮类化合物、单宁和相关含氧化合物易于吸附在金属表面，形成保护性界面膜，抑制阳极溶解和阴极反应。最近关于生物质缓蚀剂的研究一致表明，富含这些植物化学物质的植物提取液能显著提高电荷转移电阻、降低腐蚀电流密度，并通过吸附辅助保护机制改善表面钝化（Maizia et al., 2025; Maizia et al., 2023）。因此，农业生物质已成为多功能缓蚀剂的可持续来源，同时促进废弃物资源化利用和环境负责的腐蚀缓解（Kaban et al., 2024; Meng et al., 2021; Miralrio and Vázquez, 2020）。

尽管取得了这些进展，但关于鹰嘴豆衍生提取液在氯化物诱导的局部腐蚀作用下对钝化高铬钢的缓蚀行为研究相对较少（Hossain et al., 2025; Kaban et al., 2024; Meng et al., 2021; Miralrio and Vázquez, 2020）。近年来，针对鹰嘴豆废弃物提出了可持续管理方法。鹰嘴豆豆荚壳通常被转化为生物炭，以提高土壤肥力和碳封存能力（Soni et al., 2023）。其他副产品通过厌氧消化和生物沼气生产被重新用作动物饲料、有机堆肥或生物能源（Hosseinpour et al., 2022; Serrapica et al., 2021）。这些方法有助于减少环境污染，同时有效支持循环农业系统。鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）种子也富含生物活性植物化学物质，包括黄酮类化合物、多酚、异黄酮、酚酸、植物甾醇和皂苷（Begum et al., 2023; Pérez-Ramírez et al., 2023）。这些植物化学成分具有抗氧化性能，拥有多种含氧官能团和共轭芳香结构，能够通过吸附与金属表面相互作用。总酚含量因鹰嘴豆品种而异，并受种皮颜色的强烈影响。深色种子类型通常比浅色的Kabuli类型表现出更高的酚类水平（Domínguez-Arispuro et al., 2017）。种皮本身含有大量这些酚类化合物，使鹰嘴豆副产品成为生物质衍生缓蚀剂的有前景来源（Begum et al., 2023; Domínguez-Arispuro et al., 2017; Pérez-Ramírez et al., 2023）。鹰嘴豆副产品因其丰富的生物活性和结构成分而在各种非食品应用中受到广泛关注，如表1所述。

表1中总结的多样化应用主要归功于通过溶剂提取回收生物活性植物化学物质。因此，选择适当的提取方法对于获得具有潜在缓蚀性能的功能性化合物至关重要。鹰嘴豆残余物含有可观量的异黄酮、皂苷、单宁、黄酮类化合物、酚酸和其他含氧植物化学物质，这些物质具有芳香π电子体系和多个吸附活性官能团。这些特征加上鹰嘴豆生物质的大量可获得性，使其成为一种有吸引力的可持续缓蚀候选材料，同时支持农业废弃物的资源化利用。这些成分已经在染料和纺织工业以及化学试剂领域得到应用，凸显了其多功能的表面活性特征（Jose et al., 2019; Yadav et al., 2024）。以往的研究利用不同溶剂（包括乙醇、甲醇和丙酮）对鹰嘴豆进行提取，并采用浸渍法、索氏提取法、超声辅助提取法（UAE）和微波辅助提取法（MAE）等技术（Cheng et al., 2017; Jayaprakash and Das, 2018; Nithiyanantham et al., 2012; Younas et al., 2025）。表2总结了鹰嘴豆报道中选择的提取方法和溶剂。

尽管鹰嘴豆的甲醇提取已被广泛研究以回收抗氧化和生物活性化合物，但关于其在暴露于氯化物丰富环境中的钝化含铬钢的腐蚀缓蚀行为和吸附特性方面的研究相对较少。建立这种相关性对于将生物质提取液在可持续腐蚀缓解策略中的应用拓展至更广范围至关重要。科学家们认为，最简单且最古老的浸渍法是目前最有效的溶剂提取技术（Rasul, 2018）。与其他现代技术相比，其提取率相对较低。然而，它仍然是以经济且可持续的方式回收保持分子完整性生物活性化合物的优选方法（Begum et al., 2023）。该过程涉及将农业材料浸泡在溶剂（如去离子水、乙醇、甲醇和丙酮）中（El Houda Lezoul et al., 2020; Sasidharan et al., 2010）。在常用提取溶剂中，80%甲醇被报道能够更优越地回收多酚、黄酮类化合物和其他生物活性成分，因其具有平衡的极性，能够提取广泛谱系的吸附活性植物化学物质（Hapsari et al., 2022）。回收的植物化学物质，特别是多酚和黄酮类化合物，具有多个含氧官能团，能够通过吸附与金属表面相互作用，为其作为可持续缓蚀剂的研究提供了基础。

高铬钢因其优异的机械强度、耐磨性和固有耐腐蚀性而被广泛应用于工业和结构领域（Sun et al., 2020）。这些钢材在海洋结构、石化装置、发电设施和高炉设备中至关重要（Liu et al., 2025）。尽管其耐久性有所提高，但高铬钢在侵蚀性环境中容易遭受局部腐蚀，特别是如海水、盐水溶液和工业废水等氯化物富集的介质中的点蚀（Liu et al., 2025）。一般来说，该钢材因高铬含量而获得钝化性，从而抵御大多数腐蚀性介质。然而，氯离子穿透钢材表面的钝化氧化层，引发局部腐蚀，如点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀（Tait, 2018）。这使得检测腐蚀点的位置变得更加困难。因此，这些腐蚀过程带来的经济和安全影响要求开发有效且可持续的缓解策略。

鉴于对生物质缓蚀剂和农业资源可持续利用日益增长的兴趣，本研究调查了鹰嘴豆甲醇提取液在含氯介质中对高铬钢的腐蚀缓蚀行为。采用电化学技术以及光谱和表面表征方法来阐明生物质提取液的吸附行为、保护膜形成和缓蚀机制。研究重点在于理解其在缓解氯化物诱导的局部腐蚀方面的有效性，并将电化学响应与界面特性相关联。除了评估缓蚀效率外，本研究还旨在建立对钝化高铬钢在含氯环境中吸附行为、保护膜形成和腐蚀缓解的机理性理解。研究结果有望为利用农业生物质在高含盐环境中对高性能钢材进行可持续腐蚀防护提供见解。

材料使用和缓蚀剂提取

从高铬钢棒从当地供应商处购买，经电火花加工加工成直径15 mm、厚度3 mm的小型试样。试样通过逐步精细砂纸机械抛光制备，随后用乙醇脱脂、去离子水冲洗和空气干燥。采用光谱分析仪测定钢的化学成分（wt%）：C 0.193、Mn 7.88、Si 0.546、Ni 1.08、Cr 14.77、Ta 0.09、Nb 0.01、Cu 0.724。

提取率与缓蚀剂表征

图1(a)展示了使用浸渍法生产鹰嘴豆提取液的各项步骤。使用80%甲醇通过加速浸渍获得约10%的提取率。观察到的光谱特征与此前报道的甲醇鹰嘴豆提取液中通常富含的植物化学成分一致，包括多酚、黄酮类化合物、酚酸、异黄酮、皂苷和其他极性植物化学物质（Segev et al., 2011）。这些植物化学成分具有抗氧化、抗细菌、抗真菌和抗炎活性，其表面特性有助于提高钢材的耐蚀性。

结论

本研究证明，鹰嘴豆甲醇提取液可作为高铬钢在3.5 w/v% NaCl溶液中有效且可持续的生物质衍生缓蚀剂。随着缓蚀剂浓度增加，电化学性能逐步改善，在2000 ppm浓度下缓蚀效率达到约90%。长期浸泡试验进一步表明，CPE的保护性能在长时间暴露过程中得以保持。

作者贡献声明

Suman Nayak：撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，数据管理。Praveen K. Pandey：撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，概念构思。Saikat Mandal：调查，正式分析，概念构思。Saiful Islam：正式分析。K. Mondal：撰写——审阅与编辑，监督，资源，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

Suman Nayak | Praveen K. Pandey | Saikat Mandal | Saiful Islam | K. Mondal
印度理工学院坎普尔分校，材料科学与工程系，坎普尔，北方邦，印度 208016