Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Российский Химико-Технологический Университет имени Д. И. Менделеева Кафедра инновационных материалов и защиты от коррозии Реферат Биохимическая и микробиологическая коррозия металлов Москва 2020 1 Содержание Введение ........................................................................................................................................ 3 Биохимическая коррозия .............................................................................................................. 4 Микробиологическая коррозия ................................................................................................... 5 Сульфатредуцирующие бактерии ............................................................................................... 6 Микологическая коррозия ........................................................................................................... 8 Защита конструкций от биокоррозии ......................................................................................... 9 Список литературы ..................................................................................................................... 11 2 Введение Машины и аппараты, изготовленные из металлов и сплавов, при эксплуатации в природных или технологических средах, подвержены коррозии. Коррозия металлов – это самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие их взаимодействия с окружающей средой. В основе данного процесса лежат химические и электрохимические реакции, а иногда и механическое воздействие внешней среды. Способность металлов сопротивляться воздействию среды называется коррозионной стойкостью или химическим сопротивлением материала. Металл, подвергающийся коррозии, называют корродирующим металлом, а среда, в которой протекает коррозионный процесс – коррозионной средой. В результате данного процесса изменяются свойства металла и часто происходит ухудшение его функциональных характеристик. Металл при коррозии может частично или полностью разрушаться. Химические соединения, образующиеся в результате взаимодействия металла и коррозионной среды, называют продуктами коррозии. Продукты коррозии могут оставаться на поверхности металла в виде оксидных пленок, окалины или ржавчины. Коррозия является физико-химическим процессом и закономерности её протекания определяются общими законами термодинамики и кинетики гетерогенных систем. Различают внутренние и внешние факторы коррозии. Внутренние факторы характеризуют влияние на вид и скорость коррозии природы металла. Внешние определяют влияние состава, коррозионной среды и условий протекания коррозии. Противокоррозионная защита – это процессы или средства, применяемые для уменьшения или прекращения коррозии металла [1]. 3 Биохимическая коррозия Биологическая или биохимическая коррозия – тип коррозионного разрушения в условиях воздействия микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности различных микроорганизмов, которые присутствуют в воде или грунте, ускоряют процесс коррозии. Биокоррозию можно рассматривать как самостоятельный вид разрушения, но чаще всего процессы биологической коррозии протекают параллельно с другими, например, почвенной, морской, атмосферной и др. Для металлических сооружений носит сезонный характер и наиболее интенсивна в весенний период, когда создаются наилучшие условия для развития и существования бактерий. Действие микроорганизмов на металлы различно. Прежде всего, коррозию металлов могут вызывать агрессивные метаболиты микроорганизмов — минеральные и органические кислоты и основания, ферменты и другие. Они создают коррозионно-активную среду, в которой в присутствии воды протекает коррозия по обычным законам электрохимии. Колонии микроорганизмов могут создавать на поверхности металлов наросты и пленки мицелия или слизи, под которыми может развиваться язвенная (питтинговая) коррозия в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами. Биологическая коррозия в зависимости от вида микроорганизмов делится на бактериальную и микологическую, а также может быть смешанной [2]. 4 Микробиологическая коррозия Бактериальная или микробиологическая коррозия (Mcrobiologically Influenced Corrosion, MIC) наиболее распространенная и разрушительная, встречается в воде, почве, топливе при наличии бактерий. Бактерии очень быстро размножаются и легко приспосабливаются к всевозможным условиям окружающей среды. Последнее объясняется тем, что они могут адаптивно образовывать ферменты, необходимые для превращения среды в питательную. Бактерии, жизнедеятельность которых протекает в кислородсодержащих средах, относят к аэробным, в бескислородных средах — к анаэробным. В природных средах аэробные и анаэробные микроорганизмы существуют совместно. Бактериальная коррозия может протекать при рН среды от 1 до 10,5 и температуре (чаще всего) 6 – 40 °С при наличии различных органических и неорганических веществ, содержащих кислород, углерод, водород, железо, азот, калий, серу и т.д. Обычно в коррозионном процессе участвуют бактерии многих видов, связанные между собой и совместно обусловливающие явление биологической коррозии. При этом условия для существования анаэробных бактерий часто могут быть созданы деятельностью аэробных бактерий. В почве наиболее интенсивная коррозия наблюдается в болотистых местах (рН = 6,2 - 7,8), насыщенных органическими остатками, с пониженным содержанием кислорода. Поверхность изделий, имеющих значительную протяженность (трубопровод), становится анодом по отношению к участкам, контактирующим с более аэрированной почвой, и коррозия усиливается [2]. Бактерии, участвующие в микробиологической коррозии: Сульфатредуцирующие бактерии (SRB) Сульфатокисляющие бактерии (SOB) Бактерии, восстанавливающие трехвалентное железо (IRB) Бактерии, окисляющие железо (IOB) Метаногенные бактерии 5 Сульфатредуцирующие бактерии Характерной особенностью коррозии металлоконструкций под действием сульфатредуцирующих бактерий является то, что она протекает в анаэробных условиях и характерна для подземных сооружений и конструкций, находящихся в плотных глинистых и водоносных слоях грунта. Источником углерода для них служат органические вещества. Следует отметить, что микробиологическая коррозия этого типа, как правило, является вторичным процессом и развивается вслед за обычной электрохимической коррозией. При этом под слоем ржавчины — продукта коррозии — создаются благоприятные анаэробные условия для развития сульфатредуцирующих бактерий. В настоящий момент существует 2 модели коррозии сульфатредуцирующими бактериями: 1. Бактерии ускоряют процесс окисления металлического железа за счет потребления Н2, восстановленным на поверхности металла (8Н2О → 8ОН- + 8Н+; Fe0 + 2H+ → Fe2+ + H2). 2. Прямой перенос электронов электронно-проводящей системой в клеточной стенке бактерий (4Fe0→ 8e-). Например, Desulfopia corrodens. Коррозия, вызванная сульфатредуцирующими бактериями, частично связана с химически агрессивной природой сероводорода, продукта их метаболизма. Сырая нефть, содержащая более 0.5% серы по весу, называется «кислой» и может вызывать коррозию металлических конструкций и трубопроводов, погруженных в морскую воду. На нефтяных месторождениях вблизи океана на Ближнем Востоке и Аляске закачивают морскую воду для поддержания пластового давления и нагнетания нефти. Так как морская вода содержит около 30mM сульфата, нежелательное следствие данного метода – скисание воды из-за благоприятных условий для роста сульфатредуцирующих бактерий. В настоящее время в нефтяной промышленности используется стратегия по увеличению нитратов в закачиваемой воде. Тем самым стимулируя рост нитрифицирующих бактерий, которые стимулируют рост сульфид окисляющих бактерий. Они в свою очередь компенсируют работу сульфатредуцирующих бактерий, снижая уровень повреждения металлоконструкций [3]. Морские свайные конструкции (пристань и причалы) часто подвержены особому типу микробиологической коррозии – ускоренной коррозии с низким 6 содержанием воды (Accelerated Low Water Corrosion, ALWC). Во время прилива концентрация кислорода в воде падает, что способствует развитию сульфатредуцирующих бактерий, которые начинают активно восстанавливать сульфаты из морской воды до сульфидов железа. Сульфиды железа имеют характерную черную окраску и располагаются под оранжевым наростом. Во время отлива концентрация кислорода в среде увеличивается и в этот момент активизируются сульфатокисляющие бактерии[4]. 7 Микологическая коррозия Микологическая коррозия — разрушение металлов и металлических покрытий при воздействии агрессивных сред, формирующихся в результате жизнедеятельности мицелиальных (несовершенных, плесневых) грибов. Она является частным случаем биоразрушения материалов. Видовое многообразие грибов и их высокая приспособляемость к условиям обитания приводят к тому, что объем поврежденных ими материалов значительно превышает объем материалов, поврежденных бактериями. Метаболиты многих микроскопических грибов вызывают коррозию черных и цветных металлов. Биокоррозия под действием грибов характерна для атмосферных и почвенных условий. В местах с ограниченным воздухообменом, где создаются благоприятные для развития грибов температурно-влажностные условия, попавшие на поверхность металла вместе с загрязнениями споры грибов, могут вызвать коррозию металлов. Выросшие на загрязненных поверхностях мицелии грибов способны в дальнейшем удерживать влагу даже при снижении относительной влажности окружающего воздуха до 60% и ниже. Местное повышение влажности в присутствии мицелия создает дополнительные благоприятные условия для развития коррозии. Типичными представителями грибов, вызывающих биокоррозию в различных климатических зонах, являются грибы родов Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Cladosporium и др. Процесс развития микологической коррозии можно представить следующим образом: первая стадия – образование микроколоний, их рост, появление метаболических продуктов и локальное накопление электролитов с избыточным содержанием водородных ионов; вторая стадия – появление электрохимических элементов на поверхности металла; третья стадия – возникновение катодной (анодной) деполяризации в результате захвата протонов (электронов) грибами и продуктами их жизнедеятельности [2]. 8 Защита конструкций от биокоррозии Защита подземных трубопроводов и сооружений от коррозии позволяет не допустить быстрого их разрушения. Для защиты металлоизделий от почвенной коррозии применяются самые разнообразные методы. Основные методы защиты металлоконструкций от почвенной коррозии: нанесение защитных покрытий и изоляция изделий, создание искусственной среды, электрохимическая защита, применение специальных методов укладки. Очень часто, особенно в высококоррозионых грунтах, применяют комплексную защиту от подземной коррозии. Защиту от почвенной (биологической) коррозии можно разделить на пассивную (изоляция изделия от воздействия окружающей среды, специальные способы укладки) и активную (электрохимическую). Металлические конструкции покрывают материалом, который способен задержать процесс коррозии, защищая металл от воздействия окружающей среды (лакокрасочный, полимерный, содержащий антикоррозионные вещества и др.). Для защиты конструкций от биологической коррозии эффективным и основным способом является обработка поверхности изделий бактерицидными средствами (содержащие хлор, формалин и т.п.). Очень часто бактерицидные вещества вводят в состав лакокрасочных материалов и других видов покрытий. Но такой способ защиты достаточно дорогой и не всегда возможен. В практике защиты металлов от почвенной коррозии очень часто применяется катодная защита. Это существенно снижает (сводит к минимуму) скорость почвенной коррозии. Для защиты буровых платформ, сварных металлических оснований, подземных трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды (старые стальные трубы, рельсы и другие отходы черного металла, которые помещают в грунт рядом с трубопроводом). При протекторной защите трубопровод превращается в катод без постороннего источника тока. В качестве анода используется металлический стержень, помещаемый в грунт рядом с трубопроводом. Металл анода подбирается так, чтобы он имел более отрицательный электрохимический потенциал, чем железо, например, цинк, магний, алюминий и их сплавы. В образованной гальванической паре коррозирует протектор (анод), а трубопровод защищен от коррозии. 9 В результате протекания процессов коррозии металлов в среду попадают продукты коррозии – ионы металлов. Известно, что микроорганизмы могут использовать ионы металлов в качестве источников микроэлементов, энергии или акцепторов электронов. Однако известно и обратное, токсичное воздействие металлов на клетки [2]. 10 Список литературы 1. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии// М.: Физматлит, 2002, с335 2. Колесникова Н. Н., Лихачев А. Н., Луканина Ю. К. и др. Биологическая коррозия металлических конструкций и защита от нее. //УДК 620.193.8 стр. 170-174. 3. Bender M., Sattley B. Brock biology of microorganisms. 15th edition 4. Javaherdashti R., Element F. Microbiologically Influenced Corrosion.// Springer, 2017. p228. 11
