5-(3-

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012.

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INHBITION DE LA CORROSION D’UN ACIER DOUX PAR LE 5-(3- METHOXYPHENYL)- 1.2.4 -TRIAZOLE 3-THIONE MPTT DANS UNE

SOLUTION D’ACIDE CHLORYDRIQUE

H. B. Ouici¹, O. Benali², Y. Harek³, L Larabi³ et C. Selles³ E-mail : oui_syn@yahoo.fr

1 Département de Chimie, Faculté des Sciences et de la Technologie, Université Tahar Molay, Saïda

2 Département de Biologie, Faculté des Sciences et Technologie, Université Tahar Molay, Saïda

3 Département de Chimie, Faculté des Sciences, Université Tlemcen

RESUME

Certains composés organiques sont considérés comme des inhibiteurs efficaces pour lutter contre la corrosion des aciers dans le milieu acide, lorsqu’ils sont ajoutés en faibles concentrations ; ils peuvent réduire ou stopper la corrosion du métal exposé. Leur principe de fonctionnement se base sur la protection du métal de son environnement.

Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à l’étude de l’efficacité inhibitrice du 5-(3- MethoxyPhenyl)-1,2,4-Triazole 3-Thione (MPTT) sur l’inhibition de la corrosion de l’acier doux dans l’acide chlorhydrique HCl 5%. L’étude du comportement électrochimique (courbe de polarisation, résistance de polarisation et la spectroscopie d'impédance électrochimique) et gravimétrique de l’inhibiteur sous investigation a montrer que la variation de l'efficacité inhibitrice augmente en fonction de la concentration en inhibiteur pour atteindre 98% a une température égale à 30°C. Les résultats de la méthode gravimétrique et les méthodes électrochimiques sont en très bon accord.

L’isotherme d’adsorption a été évaluée pour expliquer le mécanisme d’inhibition et les interactions métal-inhibiteur.

Mots clés : Acide, acier doux, inhibition, corrosion, MPTT.

I. INTRODUCTION

Les solutions acides sont largement utilisées dans l’industrie. Leurs grandes applications sont dans les bains de décapages de métaux et le nettoyage des installations industrielles. Or, les solutions aqueuses acides constituent généralement des milieux agressifs pour les métaux et alliages. Pour pallier ce phénomène indésirable, les inhibiteurs organiques dont le mode d’action résulte généralement de leur adsorption sur la surface du métal sont les plus fréquemment employés. Leurs sélections dépendent du type d’acide, de sa concentration, de la température et du matériau métallique exposé à l’action de la solution acide. Ainsi, les inhibiteurs contenant du soufre sont efficaces dans l’acide sulfurique [1-4], tandis que ceux contenant l’azote [5-7] sont efficaces en milieux chlorhydriques. Par ailleurs les hétérocycles contenant un motif traizole sont considérés comme inhibiteurs efficace de corrosion pour l’acier doux en milieux acide [8-13]. Compte tenu de l'excellente performance des composés de type triazole, un dérivé nommé : 5-(3-MethoxyPhenyl)- 1,2,4-Triazole 3-Thione (MPTT) a été synthétisé avec l'objectif d'évaluer son efficacité inhibitrice vis- à-vis la corrosion d’un acier doux dans HCl 5%.

II. PARTIE EXPERIMENTALE

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 92 II. 1. Inhibiteur Utilisé

L’inhibiteur utilisé est le 5-(3-MethoxyPhenyl)-1.2.4-Triazole 3-Thione (MPTT) sous forme de poudre blanche et de masse molaire M =207 g/mol. La structure moléculaire de l’inhibiteur est la suivante :

N H N N MeO SH

Figure 1. Structure de 5-(3-MethoxyPhenyl)-1.2.4-Triazole 3-Thione (MPTT)

II. 2. Matériau et Solutions

Dans cette étude, nous avons utilisé des échantillons d’acier doux dont la composition est comme suit (pourcentage massique): C ≤ 0,15%, Mn ≤ 0,50%, P ≤ 0,03%, S ≤ 0,03% et la reste du fer. La solution corrosive est une solution HCl 5% obtenue par dilution de l’acide chlorhydrique 36%

de l’eau distillée.

II. 3. Mesures Gravimétriques et électrochimiques

Avant toute mesure, les échantillons subissent un polissage au papier abrasif de granulométrie décroissante allant jusqu’à 1200 suivi d’un lavage à l’eau distillée ; d’un dégraissage par l’éthanol et d’un séchage à l’aire libre. La gamme utilisée pour l’inhibiteur est de 10^-4 M à 4 x 10^-4M. Les essais gravimétriques ont été réalisés dans un bêcher de 100ml. Le volume d’électrolyte est de 50 ml. Les échantillons sont sous forme rectangulaire de dimensions 15 x 11,8 x 1,8 mm.

Les expériences électrochimiques sont effectuées dans une cellule double paroi en pyrex de 500 ml en volume, équipée d’un montage à trois électrodes ; l’acier comme électrode de travail (ET), le platine comme électrode auxiliaire et une électrode au calomel Hg/Hg2Cl2/KCl saturé (ECS) comme électrode de référence. Cette dernière est munie d’un capillaire de Luggin dont l’extrémité est placée en face de l’électrode de travail. Les courbes intensité - potentiel sont obtenues en mode potentiodynamique ; le potentiel appliqué à l’échantillon varie de façon continue. L’intensité de courant est mesurée entre l’électrode de travail et la contre électrode de platine de surface égale 1 cm². Les mesures sont réalisées avec un montage comprenant un potentiostat Tacussel, type Radiomètre PGZ 301, piloté par un logiciel Voltmaster 4. L’électrode de travail, sous forme d’un disque est disposée face à l’électrode auxiliaire avec une surface active étant de 0,5 cm². Avant le tracé des courbes, l’électrode de travail est maintenue à son potentiel d’abandon pendant un temps égal à 1heure. La détermination des résistances de polarisation est faite dans les mêmes conditions que le tracé des courbes de polarisation. La mesure est réalisée dans un intervalle de potentiel de  20 mV centré au potentiel d’abandon.

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 93 Les mesures d’impédance sont effectuées dans les mêmes milieux avec une amplitude de la tension sinusoïdale appliquée au potentiel d’abandon de 10 mV crête à crête, avec 5 points par décade.

Un bain thermostaté permet de maintenir l’électrolyte à la température désirée.

III. RESULTATS ET DISCUTION III. 1. Etude gravimétrique

La vitesse de corrosion de l’acier doux est déterminée par gravimétrie après 1 heure d’immersion dans les deux acides sans et avec addition des inhibiteurs testés à différentes concentrations. L’efficacité inhibitrice (P%) de ces composés est calculée à partir de la relation suivante :

P(%) = (1 – V / V0) x100 (1) Où V et V0 représentent respectivement, la vitesse de corrosion de l’acier en milieu HCl 5% sans et avec addition du composé testé en mg.cm^-2.h^-1.

Les résultats obtenus sont regroupés dans le Tableau 1, dont l’analyse nous permet de constater que l’augmentation de la concentration de l’inhibiteur s’accompagne d’une diminution de la vitesse de corrosion. Cette diminution est importante même à faible concentration 2x10^-4M. L’efficacité inhibitrice augmente avec la concentration et atteint 98,2 % à 4 x 10^-4 M.

Tableau 1- Vitesse de corrosion et efficacités inhibitrices de l’acier doux dans HCl 5% sans et avec addition du MPTT à T=30°C.

III. 2. Mesures électrochimiques

Les courbes de polarisation cathodique et anodique de l’acier doux en milieu HCl 5% à 30 °C et à deux concentrations en MPTT sont représentées sur la figure 2.

-800 -700 -600 -500 -400 -300

-5 -4 -3 -2 -1

log I (mA/cm2 )

E (mV vs ECS) Blanc

MPTT 2x10^-4 M MPTT 4x10^-4 M

Figure 2. Courbes de polarisation de l’acier dans HCl 5% sans et avec addition du MPTT à T = 30°C

Concentration (mol /L) Vcorr (mg / cm². h¹) P ( )

Blanc 5,5 ---

2x10^-4 0,6 89.10

4 x 10^-4 0,1 98.2

(4)

http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 94 Le tableau 2 rassemble les valeurs associées aux paramètres électrochimiques déterminées à partir de ces courbes ainsi que l’efficacité inhibitrice de corrosion définie comme :

P % = (1 -

corr corr

i

i' ) × 100 (2)

Où icorr et i’corr sont les densités de courant de corrosion sans et avec addition de l’inhibiteur, déterminées par extrapolation des droites cathodiques de Tafel au potentiel de corrosion.

Tableau 2- Paramètres électrochimiques de l’acier doux dans HCl 5% sans et avec addition du MPTT.

Nous remarquons d’après la figure 2 et le Tableau 2 qu’en présence de l’inhibiteur :

 Les valeurs du potentiel de corrosion varient vers les potentiels plus négatifs par rapport au potentiel de corrosion d’acier en présence d’acide seul. Cette observation montre clairement que le MPTT est classé comme inhibiteur de corrosion cathodique.

 Les valeurs des pentes de Tafel cathodiques varient peut dans un intervalle de 180-168 mV/décade.

Ceci indique que la présence de l’inhibiteur n’agit pas sur le mécanisme de la réaction de réduction de H⁺ à la surface de l’acier doux et que la décharge des ions H⁺ se fait selon un mécanisme d’activation pur.

 L’addition du MPTT au milieu corrosif conduit à une diminution des densités de courant cathodique d’autant plus prononcée que la concentration en inhibiteur augmente.

 Dans le domaine anodique, la présence du MPTT en milieu HCl 5% se traduit également par une diminution des densités de courant anodique. De plus, nous constatons d’après la figure 2 et pour les deux concentrations de MPTT, la présence de deux portions linéaires. Dans la région des faibles potentiels de polarisation (faibles surtensions anodiques), la densité du courant anodique augmente avec le potentiel anodique appliqué avec une pente ba1. Lorsqu’un potentiel Eu [14] (appelé E1 par autres chercheurs [15]) est dépassé, la densité de courant anodique croit rapidement et l’acier se dissout avec une pente égale à ba2 dans la région des surtensions élevées. Ce comportement a été largement analysé dans le cas du fer dans des solutions de HCl [14, 16-18]. La croissance rapide du courant anodique, après le potentiel Eu, est attribuée à la désorption des molécules du MPTT adsorbées à la surface du métal. Ceci indique clairement que le mode d’inhibition du MPTT dépend du potentiel d’électrode. Dans ce cas, le phénomène d’inhibition observé est généralement décrit comme étant dû à la formation d’une couche bidimensionnelle d’inhibiteur adsorbé à la surface de l’électrode [19].

 L’efficacité inhibitrice augmente avec la concentration et atteint approximativement 94.43 % à 4 x 10^-4 M.

III. 3. Spectroscopie d’impédance électrochimique

La figure 3 représente les diagrammes de Nyquist de l’acier dans une solution HCl 5% non désaérée en absence et en présence de l’inhibiteur MPTT.

Concentration (mol /L)

Ecorr

(mV / ECS)

bc

(mV /dec)

icorr

(µA / cm²)

P ( )

Blanc -450 180 6.28 ----

2x10^-4 -478 162 0.62 90.13

4x10^-4 -474 161 0.35 94.43

(5)

0 10 20 30 40 50

0 5 10 15 20 25

-Z_Re(.cm²) -Zim(.cm2 )

Blanc MPTT 2x10^-4 M MPTT 4x10^-4 M

Figure 3. Spectres d’impédance de l’acier doux dans HCl 5% sans et avec addition du MPTT à T = 30°C

Nous remarquons, pour toutes les deux concentrations, la présence d’une seule boucle capacitive correspondante à la résistance de transfert de charge (Rt). A partir de ces diagrammes réalisés aux potentiels d’abandon, nous avons pu accéder aux valeurs de la résistance de transfert de charge Rt et de la capacité de la double couche Cdl et par conséquent à l’efficacité inhibitrice du MPTT dans les conditions opératoires considérées. Les valeurs de la résistance de transfert de charge sont calculées à partir de la différence d’impédance aux hautes et basses fréquences sur l’axe des réels, tel que suggéré par Haruyama et Tsuru [20]. La capacité de la double couche Cdl est déterminée à partir l’élément constant de phase (CPE).

L’efficacité inhibitrice de corrosion de l’acier est calculée à partir de la résistance de transfert de charge selon la relation:

 

) 100

' R - 1 (

%

P  ^t 

Rt (3) Où R’t et Rt représentent respectivement les valeurs de la résistance de transfert de charge en présence et en absence de l’inhibiteur.

Tableau 3- Paramètres électrochimiques et efficacité inhibitrice pour différentes concentrations de MPTT pour la corrosion de l’acier doux dans HCl 5% à T = 30°C.

Concentration (Mol/L)

Rt

(Ω cm²)

Q (Ω^-1cm^-2 sⁿ)

n Cdl

(µF cm^-2) P (%)

Blanc 3,60 4,2 x10^-4 0,83 111,06 ---

2x10^-4 21.2 3 x1 0^-4 0.80 85.22 83,02

4 x 10^-4 42.1 2 x1 0^-4 0.80 60.58 91.45

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 96 Les paramètres relatifs aux mesures des impédances électrochimiques de l’acier en milieu HCl 5% avec et sans MPTT sont regroupés dans le tableau 3 à partir du quel nous pouvons faire les remarques suivantes :

 La résistance de transfert de charge augmente avec la concentration de l’inhibiteur tandis que la capacité de la double couche diminue au fur et à mesure que la quantité du MPTT croît. La diminution de Cdl est due à l’adsorption de l’inhibiteur à la surface de l’acier qui a pour effet de réduire la constante diélectrique du milieu,



, et/ou d’augmenter l’épaisseur de la double couche

électrique d

( )

C

dl

_  d

^o . Le comportement électrochimique au potentiel d’abandon, peut être décrit par un schéma électrique équivalent simple constitué par une capacité en parallèle avec une résistance, le tout en série avec la résistance de l’électrolyte.

 L’efficacité inhibitrice augmente avec la concentration de l’inhibiteur pour atteindre une valeur maximale de 91,45% à 4x10^-4M. Ce résultat est en bon accord avec ceux trouvés par les mesures gravimétriques et des courbes de polarisation.

L’analyse des diagrammes d’impédance conduit à la recherche des schémas électriques équivalents susceptibles de traduire le comportement de l’interface métal / solution, compatibles avec l’allure des courbes courant- tension stationnaires. Ainsi le circuit équivalent permettant la bonne description de ces types de spectres d’impédances est donné dans la figure 4, un élément de constant de phase (CPE) en parallèle à une résistante correspondante à une résistance de transfert de charge (Rt), l’ensemble est en série avec une autre résistance de faible valeurs correspondante au résistance d’électrolyte ou solution (Rs).

Figure 4. Le circuit équivalent utilisé pour fitter les spectres d’impédance

III. 4. Isotherme d’absorption

En supposant que l’adsorption de l’inhibiteur MPTT suit l’isotherme d’adsorption de Langmuir, le taux de recouvrement de la surface métallique est donné par la relation (les taux de recouvrement ont été calculés à partir des données de courant de corrosion) suivante :

 C =

K

1 + C (4)

(7)

0,0000 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005

C (Mol/L)

C/

Figure 5. Modèle de l’isotherme d’adsorption de Langmuir de l’acier doux dans HCl 5% à T= 30°C Le tracé de



C en fonction de C est une droite. Les facteurs de régression, les pentes ainsi que les valeurs des enthalpies libres d’adsorption sont regroupées dans le tableau 4. D’autre part, il faut noter que l’accès aux enthalpies libre d’adsorption ΔGads est à partir de l’équation suivante:

K = 55,5 1 exp (

RT G^ads



 ) (5)

Tableau 4- Valeurs des paramètres d’adsorption de l’acier doux dans HCl 5% en présence de MPTT.

T (°C) K pente ΔG°ads

(kJ / mol)

30 6.89 x10⁴ 1.02 -38.2

Les valeurs négatives de ΔG°ads indiquent la spontanéité des processus d’adsorption et la stabilité de la couche adsorbée sur la surface métallique. Généralement, les valeurs de ΔG°ads, voisines de -20 KJ.mol^-1 ou moins négatives, sont liées à des interactions électrostatiques entre les molécules chargées et le métal (adsorption physique), alors que celles proches de -40 KJ.mol^-1 ou plus négatives impliquent un transfert de charge entre les molécules organiques et la surface métallique (chimisorption) [21-22]. Dans notre cas, les valeurs de ΔG°ads sont voisines ou plus négatives de -40 KJ.mol^-1 montrant que cet inhibiteur est chimisorbé sur la surface du métal impliquant le partage des électrons libres hétéroatome (azote, soufre) existants dans la structure de MPTT et le métal.

(8)

http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 98 L’adsorption de la molécule MPTT peut être également se produire à partir des interactions des électrons π de l’aromaticité de la molécule et l’acier sous étude

VI. CONCLUSION

L’influence de l’addition du 3-(5-MéthoxyPhenyl)-1.2.4-Triazole 3-Thione (MPTT) sur la corrosion d’un acier doux dans HCl 5% a été étudiée par des méthodes gravimétriques et électrochimiques, nous pouvons conclure que :

 La valeur de l’efficacité inhibitrice augmente avec la concentration du MPTT et atteint 98.2 % à 4x 10^-4M.

 Les valeurs de l’efficacité inhibitrice estimée par les méthodes gravimétriques et électrochimiques sont en bon accord.

 L’inhibiteur s’adsorbe à la surface d’acier selon l’isotherme de Langmuir.

 L’analyse des courbes de polarisation montre que le MPTT présente un caractère cathodique. Les valeurs des pentes de Tafel montrent que cet inhibiteur agit sans modification du mécanisme de réduction du proton.

 L’adsorption de l’inhibiteur sur la surface du métal est de nature chimisorptive.

REFERENCES

[1] Benali, O., Larabi, L., Merah S., Harek Y., J. Mater. Environ. Sci. Vol. 2 (1) (2011) 39-48.

[2] Benali O., Larabi L., Mekelleche S. M. and Harek Y., J. Mmat. Sci, 41 (2006) 7064.

[3] Benali O., Ouazene M., Arabian Journal of Chemistry, 4 (2011) 443–448.

[4] Bentiss F., Traisnel M., Gengembre L., Lagrenée M., Appl. Surf. Sci., 152(1999) 237.

[5] Larabi, L., Harek, Y., Benali, O., Ghalem, S., Prog. Org. Coat., 54 (2005) 256.

[6] G. Banerjee et S. N. Malhotra, Corrosion, 48, 10 (1992).

[7] J. D. Talati et D. K. Gandhi, Corros. Sci., 23, 1315 (1983).

[8] M.A. Quraishi, S. Ahmad, M.Q. Ansari, Br. Corros. J. 32 (1997) 297.

[9] M.A. Quraishi, D. Jamal, Mater. Chem. Phys. 68 (2001) 283.

[10] F. Bentiss, M. Lagrenée, M. Traisnel, J.L. Hornez, Corros. Sci. 41 (1999) 789.

[11] F. Bentiss, M. Traisnel, L. Gengembre, M. Lagrenée, Appl. Surf. Sci. 161 (2000) 194.

[12] S. El Hajjaji, A. Lgamri, D. Aziane, A. Guenbour, E.M. Essassi, M. Akssira, A. Ben Bachir, Progr. Org. Coat. 38 (2000) 207.

[13] F. Bentiss, M. Traisnel, L. Gengembre, M. Lagrenée, Appl. Surf. Sci. 152 (1999) 237.

[14] M. Bartos, N. Hackerman, J. Electrochem. Soc. 139 (1992) 3428.

[15] F. Bentiss, M. Bouanis, B. Mernari, M. Traisnel et M. Lagrenee, J. Appl. Electrochem., 32 (2002) 671.

[16] H. C. Kuo, K. J. Nobe, J. Electrochem. Soc. 125 (1978) 853.

[17] D. R .Mac Farlane, S. I. Smedley, J.Electrochem. Soc. 133 (1986) 2240.

[18] Y. Feng, K. S. Siow, W. K. Teo, A. K. Hseieh, Corros. Sci. 41 (1999) 829.

[19] W. J. Lorentz, F. Mansfeld, Corros. Sci. 31 (1986) 467.

[20] Tsuru, T., et Haruyama, S., Boshoku Gijutsu, J. Japon Soc. Corrs. Engng , 27 (1978) p. 573.

[21] Benali O., Larabi L., Tabti B. and Harek Y., Anti-Corr Meth. Mater., 52 (2005) 280.

[22] Larabi L., Benali O. and Harek Y., Materials Letters, 61 (2007) 3287.