Биокоррозия металла и металлоконструкций
Содержание.
- Введение.
2 - Термины и определения в области биоповреждений.
3
- Влияющие факторы окружающей среды. 3
- Классификация биоповреждений.
5 - Проблемы биоповреждений.
7 - Биокоррозия металла и металлоконструкций.
8 - Защита металлов от биокоррозии.
14 - Список используемой литературы.
16
Введение.
В технике и повседневной жизни со случаями биокоррозии металлов приходится сталкиваться реже, чем со случаями биоповреждений .неметаллических материалов. Это связано с различными причинами. Прежде всего металлы сами по себе являются более биостойким материалом, а некоторые из «их обладают даже биоцидным действием. В машинах, приборах и других технических изделиях они, как правило, используются с различными защитными и декоративными лакокрасочными и другими покрытиями, которые первыми принимают на себя воздействие агентов биоповреждений и предохраняют металл от биокоррозии. И, наконец, следует отметить, что внешние проявления биокоррозии металлов мало отличаются от обычной коррозии, сопровождающейся, например, в случае атмосферной коррозии появлением ржавчины. Поэтому даже специалисты в области коррозии не всегда могут распознать биокоррозию и для установления биологической природы тех или иных случаев коррозии вынуждены обращаться к микробиологам.
Биоповреждения – особый вид разрушения материалов конструкций техники, связанный с воздействием микроорганизмов (бактерий, грибов и др.) К биоповреждениям относят также разрушение промышленных и строительных материалов насекомыми и грызунами, повреждения летательных аппаратов птицами, а речных и морских судов, кораблей ВМФ и гидротехнических сооружений водными организмами – обрастателями.
Все перечисленное можно считать биофакторами при рассмотрении процессов повреждения конструкций техники в результате влияния факторов среды или биоагентами при рассмотрении биоповреждений отдельных материалов.
Биофакторы могут воздействовать специфически (микроорганизмы потребляют металлы в качестве источников питания) после определенного периода адаптации или косвенно (продукты жизнедеятельности микроорганизмов повышают агрессивность среды и стимулируют процессы коррозии металлов, старения ) также через период времени, необходимый для образования колоний, сообществ (биоценоза).
Процессы биоповреждений по своему механизму различны и зависят как от биофактора, так и от особенностей подверженного его действию объекта. Например, механическое повреждение самолета, столкнувшегося со стаей птиц во время полета, равно как и электрохимическая коррозия трубопроводов, связанная с жизнедеятельностью железобактерий, относятся к разряду биоповреждений.
Если млекопитающие, птицы, рыбы и некоторые другие организмы чаще вызывают механические повреждения, то в основе биоповреждающего действия микроорганизмов находятся, как правило, ферментативные реакции. Здесь преимущество должно быть отдано ферментам – оксидоредуктазам и гидролазам. Для проявления активности ферментов необходима водная среда. Вода может быть в большем или меньшем количестве в повреждаемом объекте. Влага может вноситься за счет самих микропробных клеток, содержащих 80 % и более воды. Ее достаточно, чтобы индуцировать соответствующие ферментативные реакции.
При заметном размножении микроорганизмов в какой-либо среде необходимо учитывать не только ферментативные реакции, приводящие к химическому изменению объекта, но и микробную массу.
Термины и определения в области биоповреждений.
Биоповреждения металлов и металлоконструкций принято называть биокоррозией или микробиологической коррозией металлов. Поскольку среди живых организмов — агентов биокоррозии — основными являются бактерии и микроскопические грибы, то в специальной литературе приняты термины «бактериальная» и «грибная» коррозия. В зарубежной литературе термин биокоррозия и микробиологическая коррозия иногда распространяется и на неметаллические материалы. В нашей стране официально принятый термин «биокоррозия» относится только к металлам и металлоизделиям.
В единую систему защиты от коррозии и старения входит ГОСТ 9.102–78 «Воздействие биологических факторов на технические объекты. Термины и определения»:
биологический фактор (биофактор), вид воздействия биофактора, разрушение под воздействием биофактора (биоразрушение), биологическое повреждение объекта (биоповреждение), биологическое засорение объекта (биозасорение), засоритель, биологическая коррозия (биокоррозия), обрастание, обрастатель, стойкость к воздействию биофактора (биостойкость), бактеристойкость, грибостойкость, микробиологическая стойкость, ингибиторная зона, испытания на биостойкость, испытания на биостойкость в природных условиях, эксплуатационные испытания на биостойкость, микологическая площадка, микологический стенд. В приложении к стандарту даны определения, применяемые в смежных областях науки и техники: биоцид, биоцидная обработка объекта, фунгицидность, фунгистатичность, бактерицидность, бактеристатичность. Рассмотрим основные из них:
биологический фактор (биофактор) – организмы или их сообщества, вызывающие нарушение исправного и работоспособного состояния объекта;
биологическое повреждение (биоповреждение) – повреждение объекта, вызываемое биофактором. Сопровождается оно одним из следующих повреждений: механическим, химическим, биологическим засорением, электрохимическим или комплексом их;
биоразрушение (биодеструкция) – частичное или полное разрушение объекта под воздействием биофактора или биофакторов, сопровождающееся изменением его химического состава и строения; завершающая стадия биоповреждения;
биологическое засорение (биозасорение) – состояние объекта, связанное с присутствием биофактора, после удаления которого восстанавливается исправное и работоспособное состояние объекта.
Микробиологическая стойкость – свойство объекта сохранять значение показателей в пределах, установленных нормативно-технической документацией в течение заданного времени в процессе или после воздействия биофактора. Термин биостойкость применяют с указанием конкретного биофактора (бактериостойкость, грибо-стойкость);
биологическая коррозия – коррозия металла под воздействием биофактора.
Влияющие факторы окружающей среды.
Развитие микроорганизмов неразрывно связано с окружающей средой, жизнедеятельность их зависит от внешних воздействующих факторов.
Процессы повреждений материалов конструкций и сооружений с участием микроорганизмов необходимо изучать с учетом этих факторов.
Физические факторы – влажность среды, концентрация веществ в водных растворах, осмотическое давление, температура, радиация.
Влажность среды – определяющий фактор жизнедеятельности многих микроорганизмов. Нитрифицирующие бактерии, например, при недостатке влаги погибают. Грибы и споры многих бактерий, наоборот, сохраняют жизнеспособность в высушенном состоянии десятки лет. Почвенные микрогрибы развиваются наиболее интенсивно при влажности около 60 %. Высокое содержание некоторых веществ в водной среде нарушает нормальный обмен между средой и клеткой. Вода выходит из клетки, цитоплазма отделяется от клеточной оболочки (плазмолиз), поступление в клетку питательных веществ прекращается. На этом свойстве основаны методы консервации (соление) пищевых продуктов. Употребляются 16 ... 30 %-ные растворы хлорида натрия или 60 ... 70 %-ные растворы сахара. С ростом концентрации веществ растет осмотическое давление (Р0). Консервирующий эффект заметен при Р0 » 5 МПа.
Температура среды – важнейший фактор, влияющий на жизнь микробов. Каждому виду микроорганизмов соответствует свой температурный интервал жизнедеятельности и свой оптимум. Микроорганизмы делят на три группы: психрофилы (холодолюбивые) с интервалом жизнедеятельности 0 ... 10 °С и оптимумом ~10 °С; мезофилы (предпочитающие средние температуры) – соответственно 10 ... 40 °С и 25 °С и термофилы (теплолюбивые) – 40 ... 80 °С и 60 °С.
Губительное действие высоких температур используют для уничтожения (частичного или полного) микроорганизмов. Пастеризация – нагрев до 60 ... 70 °С в течение 20 ... 30 мин и до 70 ... 80 °С в течение 5 ... 10 мин, в результате которого погибают вегетативные формы микроорганизмов. Стерилизация – нагрев до 100 ... 130 °С в течение 20 ... 40 мин, при котором уничтожаются практически все формы микроорганизмов, в том числе и споры бацилл.
Излучение (солнечный свет, особенно ультрафиолетовые лучи) губительно для микроорганизмов.
Рентгеновские и другие радиоактивные излучения в малых дозах стимулируют развитие некоторых микробов, в больших дозах убивают их. Электрический ток высокой частоты, механические сотрясения (вибрации), ультразвук уничтожают микроорганизмы, высокие давления влияют слабо.
Отдельные виды бактерий обитают в океане на глубине до 9 км. Некоторые виды грибов выдерживают давление до 102 МПа.
Химические факторы – состав и реакция среды, а также ее окислительно-восстановительные действия. В окружающей среде могут содержаться вещества, которые стимулируют или ингибируют жизнедеятельность микроорганизмов.
Стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов различные загрязнения. Они же – важнейший фактор инициирования процесса биоповреждений. Биоцидное действие для многих микробов оказывают соли тяжелых металлов (ртути, свинца, серебра, меди), галогены, некоторые галоиды и окислители, особенно хлорид бария, перекись водорода, перманганат и бихромат калия, борная кислота, углекислый и сернистый газы, фенол, крезол, формалин. Природа действия этих веществ различна, результат практически один – гибель микроорганизмов.
Реакция среды
– существенный фактор, определяющий
жизнедеятельность
При рН = 0 ... 6,9 – кислые среды; 7,1 ... 14 – щелочные; 7 – нейтральные.
Большинство бактерий
лучше развиваются в
Для грибов и дрожжей благоприятны среды с рН = 3 ... 6. В очень кислых и очень щелочных средах микроорганизмы погибают, за исключением специфических видов (молочно-кислые, уксусно-кислые).
Окислительно-
Биологические
факторы учитывают
При антагонизме одни виды микроорганизмов в результате своей жизнедеятельности губят другие. Это происходит косвенным путем: в среде накапливаются продукты жизнедеятельности одних организмов, губительные для других, например, антибиотики микромицетов и грибов подавляют многие бактерии, фитонциды многих растений также обладают бактерицидными свойствами. Возможно подавление прямым путем – паразитизм. Микроб-паразит использует в качестве источника питания другой организм, что приводит к гибели последнего. Явление антагонизма микроорганизмов может служить основой для разработки биохимических и экологических методов защиты от биоповреждений.
Классификация биоповреждений.
Механизм биоповреждений весьма сложен. Микроорганизмы могут непосредственно разрушать материал конструкций, но чаще они стимулируют процессы биоповреждений. Классификация процессов биоповреждений по видам, механизму и условиям их протекания представлена в табл. 3.
Классификация биоповреждений построена с учетом биофакторов и подверженных их воздействию объектов. На основании накопленного фактического материала за основу можно взять среду обитания, биофактор или повреждаемые материалы.
По среде
обитания следует различать
По биофакторам различают:
а) воздействие микроорганизмов: простейшие, грибы, бактерии, лишайники. Все микроорганизмы относят к прокариотам (бактерии) и эукариотам (грибы, простейшие). Лишайники обычно состоят из водорослей и грибов;
Таблица 1
Классификация процессов биоповреждений
Процесс повреждения материала |
Характер повреждения |
Пример |
Прямое разрушение микроорганизмами
Химическое разрушение
Электрохимическое (коррозионное) разрушение
Комбинированное разрушение2 |
Ассимиляция ингредиентов материалов бактериями, грибами
Воздействие
продуктов жизнедеятельности То же, в токопроводящих средах (биокоррозия)1
Комплексное воздействие микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности в изменяющихся условиях (конденсация влаги, попадание загрязнений и т. п.) |
Повреждение полимерных материалов в атмосферных условиях
Повреждение материалов при контакте с топливами и маслами
То же, в водных средах
Повреждения металлоконструкций в специфических условиях эксплуатации3 |
1) Биокоррозия подразделяется на бактериальную (в водных средах, при наличии особого вида бактерий в почве, воде, топливе) и грибную (в атмосферных условиях, при контакте с почвой, при увлажнении поверхности, наличии загрязнений, спор и мицелия грибов)
2) Значительные эффекты разрушения материала в результате сочетания процессов с разными механизмами могут привести к внезапным отказам техники, находящейся в эксплуатации.
3) Повреждения в водных средах, в том числе при воздействии обрастателей, разрушение железобетонных сооружений, заглубленных в почву, при воздействии грибов, бактерий и других микроорганизмов.
б) воздействие макроорганизмов: растения, животные с клеточным, органным и системным уровнями организации (беспозвоночные и хордовые).
По механизму процесса, кроме перечисленных в табл. 3, можно рассматривать биоповреждения как физическое, биохимическое, физико-биохимическое разрушения материалов.
По поврежденным материалам различают действие: на кирпич, камень, здания, сооружения, стекло, силикаты, оптику, дорожные покрытия, древесину и изделия из нее, металл, металлоизделия, полимеры, резину, нефть, нефтепродукты, бумагу, документы, фото, книги, музейные коллекции, краски, клей, кожи, шерсть, одежду, обувь, радио- и электрооборудование.
Проблемы биоповреждений.
Процессы
биологических повреждений
Исследования показали, что более 60 % применяемых в конструкциях техники и сооружений полимерных материалов и покрытий не обладают достаточной микробиологической стойкостью. Некоторые специалисты считают, что до 50 % коррозионных процессов связано с влиянием в той или иной степени микроорганизмов. Микроорганизмы по данным разных авторов вызывают от 50 до 80 % всех повреждений.
Повреждение биофакторами соответствующих объектов не только ведет к их изменению, но может прямо или косвенно отразиться на здоровье человека (выделение токсических продуктов, ухудшение микроклимата, появление аллергенов и др.). Все это необходимо учитывать при создании и эксплуатации соответствующих материалов и изделий из них в закрытых и открытых экосистемах.
Система защиты должна быть построена с учетом общих экономико-статистических данных о биоповреждениях и эффективности средств защиты в масштабе всей страны.
Таким образом, разработка эффективных методов и средств защиты от биоповреждений требует комплексного подхода как к научно-исследовательской работе, так и к практическим мероприятиям. Проблема биоповреждений предусматривает изучение взаимоотношений и взаимодействия двух аспектов – экологического и технического, прежде всего с точки зрения их значения для хозяйственной деятельности и существования человека. Проблема биоповреждений стала самостоятельной, возникнув на стыке различных наук и отраслей хозяйства. В решении этой проблемы имеет особое значение тесный контакт биологических, химических и технических наук и соответствующих отраслей хозяйства.
Проблему биоповреждений нельзя решать вне общеэкологических и народнохозяйственных программ, направленных на защиту окружающей среды от загрязнений. Живые организмы очищают планету от старых, отработавших свой срок материалов и изделий. Защита материалов от биоповреждений с помощью химических средств приводит в известной мере к загрязнению окружающей среды. Процессы биоповреждений эксплуатирующихся материалов в конструкциях и биоразрушения отработавших и подлежащих утилизации конструкций протекают в одних и тех же экологических условиях. Задача заключена в том, чтобы остановить или замедлить первые, не затрагивая или активизируя вторые.
Биокоррозия металла и металлоконструкций.
Микробиологическая коррозия может протекать самостоятельно и сопровождать электрохимическую почвенную, атмосферную, морскую и другие виды коррозии металлов. Действие микроорганизмов на металлы может происходить различно. Прежде всего, коррозию металлов могут вызывать агрессивные экзометаболиты микроорганизмов — минеральные и органиче ские кислоты и основания, ферменты и др. 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.
Биокоррозию металлов могут вызывать различные роды микроскопических грибов. Среди литотрофных бактерий наиболее часто коррозию металлов связывают с деятельностью: сульфатвосста-навливающих бактерий (СВБ) родов Desulfovibrio и Desulfotomaсulum и тионовых бактерий рода Tiobacillus,
окисляющих серу и соединения серы до серной кислоты; железобактерий родов Саllionella и Sperotilus, окисляющих закиcное железо до окисного. Коррозия металлов и металлоконструкций под действием СВБ встречается в технике наиболее часто по сравнению с другими видами биокоррозии. Характерной особенностью этого вида коррозии является то, что она протекает в анаэробных условиях и основные возбудители ее два рода СВБ — Desulfovibrio и Desulfotomaсulum.
|
||
Aspergillus Mold - Stachybotrys Mold - Cladosporium - Fusarium...
|
Aspergillus fumigatus. Cladosporium herbarum.
Случаи анаэробной коррозии более характерны для -подземных сооружений и конструкций (нефтепромысловое оборудование, трубопроводы, нефтехранилища и т. п.), находящихся в плотных глинистых и водоносных слоях грунта. Коррозия металлов под действием СВБ связана главным образом с образованием сероводорода и сульфидов в результате восстановления сульфатов. Коррозия железа и стали под действием СВБ обычно имеет характер местной и язвенной коррозии. Продукты коррозии окрашены в характерный черный цвет, имеют запах сероводорода, слабо прилегают к поверхности металла, который под их слоем сохраняет блестящую поверхность. Особенно интенсивно протекает коррозия чугуна под действием СВБ, сохраняющиеся островки частиц углерода рассыпаются от легкого прикосновения. В анаэробных условиях глинистых почв водопроводные трубы с толщиной стенки 6 мм разрушались полностью в течение 3—4 лет. Наличие в почве свободных ионов железа ускоряет биокоррозию. Механизм биокоррозии под действием СВБ очень сложен, поскольку параллельно протекает несколько многостадийных процессов, Наряду с восстановлением сульфатов, как правило, происходит восстановление фосфатов.
Биокоррозия под действием микроскопических грибов. 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. Наиболее опасными в отношении биокоррозии металлов климатическими зонами являются зоны влажного тропического и субтропического климата. В зонах умеренного климата грибы вызывают коррозию в тех случаях, где нарушаются условия хранения или эксплуатации техники. Типичными представителями грибов, вызывающих биокоррозию в различных климатических зонах, являются грибы родов Аsреrgillus, Penicillium, Fusarium, Cladosporium и др. Штаммы музейных культур этих грибов используются в качестве тесткультур для исследования биокоррозии металлов в лабораторных условиях. Как правило, музейные штаммы бывают менее агрессивны, чем культуры, выделенные непосредственно с пораженных грибами материалов. В естественных микоценозах могут встречаться и доминировать наряду с указанными грибами и другие. Поскольку грибы гетеротрофы, то на поверхности чистого, незагрязненного металла, не имеющего контакта с органическими материалами, например смазками, полимерными пленками, красками и др., они не могут развиваться.
Биокоррозия металлов под действием грибов носит в связи с этим как бы вторичный характер. Вначале грибы поселяются и развиваются на органических материалах, контактирующих с металлом, а затем мицелий, распространяясь на металл, вызывает коррозию своими метаболитами — кислотами, ферментами.
Биокоррозия отмечалась на незащищенных смазками или неокрашенных металлических деталях — резьбовых соединениях, электрическах контактах и т. п. Такие поражения характерны для радиоэлектронных и оптических приборов (телевизоры, стереотрубы, микроскопы). Образование мицелия на поверхности электрических контактов приборов в ряде случаев вызывало нарушение работы всего прибора вследствие замыкания электрической цепи или размыкания из-за нароста продуктов коррозии на поверхностях.
Микроорганизмы в реактивном топливе стали причиной серьезных коррозионных поражений алюминиевых топливных баков. В большинстве случаев они имеют нитевидную форму на стали, алюминии, цинке, магнии и хромированном никеле; на нержавеющей стали, меди, никеле, свинце и более благородных металлах не встречаются.
Как показывают исследования, на стали круглый зародыш нитевидной коррозии заполнен синими или зелеными солями двухвалентного железа, а сам коррозионный очаг — красной ржавчиной, представляющей гидрат окиси трехвалентного железа. На магнии продукты коррозии имеют черный цвет (очаг заполнен белой гидроокисью).
При такой коррозии
с цинковых пассивированных поверхностей
хроматы постепенно исчезают, и на
металле формируются
К биокоррозии следует отнести и коррозию, возникающую при контакте металла (сплава) с органическими материалами.
На железо, цинк, медь, кадмий, алюминий влияют фенопласты и амино-пласты, резина и тефлон, полиамид и полистирол, лакокрасочные и эпоксидные покрытия, дуб и бук. Прочая древесина на эти металлы практически не влияет. Так, прессованная фенолформальдегидная масса с древесной мукой или пропитанная вяжущим веществом вызывает коррозию цинка ~ 3,7 мкм/(м • с), меди 0,3 мкм/(м • с) (относительная влажность воздуха 100%, температура 35 °С). Агрессивным началом в фенопластах является формальдегид, окисляющийся в муравьиную кислоту, а также примеси гексаметилентетраамина, выделяющие аммиак, особенно агрессивный к металлам. Древесная мука как наполнитель этих пресс-материалов вызывает в процессе гидролиза образование уксусной и муравьиной кислот.
Коррозионное воздействие фенопластов на металлы особенно сильно в тех местах, где зазор между пластмассой и металлом не превышает 5 — 10 мм. При этом сталь корродирует на 0,5—1, цинк — на 0,5 — 20, медь и латунь — на 0,1 — 1,5, алюминий — на 0,05 — 0,2 мкм/мес. Эпоксидные материалы (для этих металлов) вызывают коррозию 0,1 — 10 мкм/мес, а резина и каучук—0,05 —1 мкм/мес.
В табл. №2 приведены данные о коррозии металлов.
3. Степень коррозии металлов в герметичном объеме (а) и при непосредственном контакте (б)
Материал |
Fe |
Zn |
Cu |
Al |
Cd | |||||
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б |
а |
б | |
Фенольная смола |
2 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
1 |
1 |
2 |
2 |
Аминопласты |
1 |
2 |
2 |
3 |
2 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
Поликарбонаты |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Эпоксидные смолы |
1 |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Полиэтилен |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Полиметил-метакрилат |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Полистирол |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
о |
0 |
0 |
0 |
0 |
Ацетил целлюлоза |
1 |
1-2 |
1-2 |
1-2 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Резины |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
2 |
Масляная краска |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
Дуб или бук |
3 |
3 |
3 |
0 |
2 |
1 |
1 |
2 |
2 | |
Ель |
0-1 |
0-1 |
1-2 |
1-2 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
Орех или вяз |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |

- Биокосные системы
- Биоламинирование волос
- Биолгическое действие радиации
- Биолгиялық таяқшалар
- Биологическая адаптация
- Биологическая активность
- Биологическая безопасность микробиологических объектов
- Биоиндикация состояния почвенного покрова. Фитоиндикация состояния почвенного покрова
- Биоклиматическая архитектура
- Биокомпьютеры
- Биокомпьютеры
- Биокомпьютеры или живые компьютеры
- Биоконверсия лигноцеллюлозных объектов
- Биокоррозия и биоразрушение конструкционных материалов и сооружений