Биологическая коррозия

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

 

Тульский  государственный университет

 

Кафедра «Физика металлов и материаловедение»

 

 

 

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Коррозия и защита металлов»

на тему: «Биологическая коррозия»

 

 

 

 

Выполнила:

студентка гр

Проверила:

д.т.н.,

 

 

 

Тула 2012

Содержание

Введение            3

Бактериальная коррозия         5

Микологическая коррозия         7

Заключение                  12

Список литературы                 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Процессы, связанные с  жизнедеятельностью микроорганизмов, относят к биохимическим процессам. Они могут оказывать влияние  на коррозионную стойкость металлов и защитную стойкость покрытий, способствуя возникновению или ускорению коррозионного разрушения.

Биокоррозией является процесс коррозионного разрушения металла в условиях воздействия микроорганизмов (бактерий, актиномицетов, мицелиальных грибов) наряду с другими факторами среды.

По данным ряда специалистов, около 50% случаев возникновения коррозии металлов связано с деятельностью микроорганизмов. Первое упоминание о разрушении металлических элементов водопроводной сети растительными остатками относится к 1886 г. Разрушение металлического трубопровода в почве в 1910 г. объяснили как следствие жизнедеятельности бактерий.

Количество исследований биологической коррозии значительно увеличилось после второй мировой войны, когда транспортируемое в тропические страны военное снаряжение и оружие в результате морских перевозок и хранения на складах оказалось непригодным к ведению боевых действий. Причиной разрушения являлась коррозия, усиливаемая воздействием микроорганизмов. Более обстоятельным изучением микробиологических повреждений материалов стали заниматься 25—30 лет назад, когда особенно остро встала проблема защиты металлоконструкций, эксплуатируемых в тропических странах.

Только учтенные биогенные  потери ежегодно составляют свыше 2% стоимости  произведенных материалов. В США  эти потери оцениваются в 1,5 млрд. долларов в год. По мнению японских специалистов, практически все электрооборудование, оптические приборы и др. в теплом, влажном климате Юго-Восточной  Азии поражаются мицелиальными грибами. Испытания изделий электронной  промышленности на грибостойкость показали, что большая часть материалов (до 60%) имеет недостаточную биологическую  стойкость. Наблюдали разрушения топливных баков и коммуникаций самолетов бактериями, забивку фильтров продуктами их жизнедеятельности.

Приведенные факты свидетельствуют  о том, что воздействие микроорганизмов  на элементы конструкций может приводить  к отказам техники при эксплуатации.

Процесс биоповреждений весьма сложен. Микроорганизмы могут непосредственно разрушать материал конструкции, но чаще они стимулируют процессы химической или электрохимической коррозии.  Биокоррозия может рассматриваться как самостоятельный вид коррозии, наряду с такими, как жидкостная, атмосферная, почвенная, контактная и т. п.

Однако чаще она протекает  совместно с атмосферной или  почвенной, или жидкостной (в неэлектролитах), инициирует и интенсифицирует их. Коррозионные эффекты аналогичны другим видам коррозии металлов.

Например, подобно локальной  сосредоточенной коррозии, в результате биоповреждений образуются блестящие или шероховатые плоские малозаметные углубления, особенно под шламом или тонкими окисными пленками, а также раковины различной глубины под слоем продуктов коррозии.

Идентифицировать биокоррозию, особенно на ранних стадиях ее развития, без проведения биохимических исследований практически невозможно. Биологическая коррозия является характерным процессом разрушения металла оборудования в ряде отраслей промышленности.

Биоповреждениям подвержены подземные сооружения, метро, оборудование нефтяной промышленности, топливные  системы самолетов, трубопровод  при контакте с почвой, элементы конструкций машин, защищенные консервационными смазками и лакокрасочными покрытиями.

 

 

 

Бактериальная коррозия

Бактериальная коррозия может развиваться при температуре 6—40°С, pH=1-10,5 в присутствии органических и неорганических веществ, включающих углерод, серу, азот, фосфор, калий, железо, водород, кислород и т. д.

Разрушение металла происходит по следующим причинам, непосредственно  или косвенно связанным с жизнедеятельностью бактерий: на поверхности металла образуются различные электрохимические элементы; в растворе или на поверхности металла создаются агрессивные химические соединения; изменяются электрохимические потенциалы среды в связи с изменением концентрации кислорода в растворе. Бактерии быстро размножаются и легко приспосабливаются к изменяющимся физическим, химическим и биологическим условиям 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. Потребляемый аэробными бактериями кислород идет на окисление органических и неорганических веществ, в том  числе и металла. Бактерии, использующие органические вещества в качестве источника  энергии, называются гетеротрофными. Бактерии, окисляющие неорганические вещества и  использующие при этом энергию для  поддержания своего существования, называются аутотрофными. Необходимый  углерод они получают в виде свободной  или связанной в карбонаты  двуокиси углерода. 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 аэробоных  бактерий. При аэрации почвы восстанавливающие  бактерии погибают, а окисляющие развиваются. Характерен в этом отношении случай катастрофического разрушения крепи тоннеля в результате интенсивной бактериальной коррозии крепежных элементов. Основными факторами, влияющими на этот процесс, явились условия строительства сооружения и наличие микроорганизмов — тиобацилл. Последние начали развиваться в прилегающем грунте в условиях кессонной проходки и усиленного аэрирования грунта. Обычно в природе аэробные и анаэробные бактерии существуют совместно. 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. В анодных зонах возможно окисление гидрозакиси железа железобактериями. Бактерии могут инициировать коррозию меди, свинца и других металлов с образованием сульфидов.

Установлено, что электрохимическая коррозия металлов происходит при деполяризации локальных элементов. В аэробных условиях процесс идет при участии кислорода воздуха (анодное растворение стали, катодная деполяризация и образование продуктов коррозии). В анаэробных условиях процесс коррозии, казалось бы, должен прекратиться после поляризации локальных элементов. Однако при участии бактерий происходит и анаэробная коррозия. Установлено, что гидрагеназоактивный штамм сульфатвосстанавливающих бактерий является эффективными катодным деполяризатором при анаэробной коррозии алюминиевых сплавов. Скорость бактериальной коррозии в 100 раз превышает скорость коррозии в контрольном стерильном опыте.

Выпадающий при развитии бактерий сульфид железа может также способствовать усилению коррозии.

Изучение катодной поляризации  стали в бактериальной среде, восстанавливающей сульфаты, показало, что сульфидный механизм является основным в бактериальной коррозии стали.

В период роста бактерий потенциал стального электрода  сдвигается в отрицательную сторону  на 50—70 мВ. Затем наблюдается смещение потенциала к положительным значениям. Возможность возникновения анаэробной коррозии увеличивается с понижением электродного потенциала в области от отрицательных значений до + 100 мВ.

Механизм реакции меняется при переходе от одной фазы развития бактерий к другой. В период развития бактерий происходит деполяризация  анодных и катодных процессов  по сравнению со стерильной средой.

С понижением бактериологического  воздействия поляризация вновь  увеличивается, и образующийся сульфид  железа тормозит анодный процесс. Значения рН при этом сдвигаются от 7—7,2 до 7,8—8. конструкций машин и сооружений мицелиальными грибами представляют большую опасность: в результате биоповреждений снижаются прочностные, электроизоляционные и другие свойства материалов и покрытий. Видовое многообразие грибов и их высокая приспособляемость  к условиям обитания приводят к тому, что объем поврежденных ими материалов значительно превышает объем  материалов, поврежденных бактериями.

 

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. Методы  защиты конструкции изделий техники  от повреждений мицелиальными  грибами разработаны недостаточно. Если для развития сульфатвосстанавливающих, метанобразующих и железобактерий необходимы специальные условия, то для мицелиальных грибов достаточно временного повышения влажности воздуха, чтобы образовать колонию на поверхности металла. Биокоррозия, вызываемая мицелиальными грибами, имеет характерные признаки и особенности. Мицелиальные грибы не содержат хлорофилла и по способу питания относятся к гетеротрофам, т. е. потребляют углерод из готовых органических соединений, в том числе из ядов (цианидов, фенола и др.). Грибы размножаются разрастанием гиф и спор. Воздушные среды, содержащие углекислоту, аммиак, этиловый спирт и другие вещества, могут стимулировать развитие отдельных видов грибов.

Основным фактором, способствующим развитию грибов, является вода, которая  составляет главную часть клеточного тела гриба. Пылевидные частицы, оседающие  на поверхность изделия, могут содержать споры грибов, органические соединения, необходимые для питания грибницы, и, наконец, являясь гигроскопичными, сохранять влагу на поверхности материала. Большое влияние на прорастание спор оказывает температура. Температурный интервал жизнедеятельности грибов достаточно широк (0—45° С), при этом каждый вид мицелиальных грибов имеет свой температурный оптимум. Отрицательное влияние на рост грибов оказывает движение воздуха, которое препятствует оседанию спор на поверхности материала и повреждает мицелий.

Значительное увеличение рН (защелачивание) или уменьшение рН (подкисление) также неблагоприятны для развития грибов. Биохимические  реакции жизнедеятельности мицелиальных грибов можно разделить на две  группы: реакции, идущие с поглощением  энергии, ведут к образованию  клеточного материала; реакции, идущие с освобождением энергии, ведут  к образованию метаболитов.

Последние интенсифицируют коррозионные процессы, так как содержат различные органические кислоты. Грибы являются продуцентами десятков органических кислот. Кислотообразующая способность грибов зависит от их вида. К сильным кислотообразователям относятся грибы рода Aspergillus и др. 

Для испытания использовалась смесь семи видов грибов:

• Aspergillus niger,
• Afamstelodami,
• Peyclopuim,
• P.brevi — conpactum,
• Paecilomyces varioti,
• Stachylitrusacta,
• Chaetomium globosum.

В большинстве случаев Aspergillus niger подавляет развитие других видов. Рост грибов значительно усиливает коррозионные процессы. Процесс развития микологической коррозии можно представить следующим образом: первая стадия — образование микроколоний и их рост до размеров, видимых невооруженным глазом, сопровождается появлением коррозионно-активных метаболических продуктов, локальным накоплением электролитов с избыточным содержанием водородных ионов; вторая стадия — появление электрохимических элементов на поверхности металла, например локализованных градиентов концентрации акцепторов электронов (кислорода); третья стадия — возникновение катодной (анодной) деполяризации в результате захвата протонов (электронов) грибами и продуктами их жизнедеятельности. Особую опасность представляет разрушение металлоконструкций изделий, оборудования и сооружений в условиях влажной атмосферы с ограниченным воздухообменом. Более 60% используемых в технике материалов и покрытий не обладают достаточной стойкостью к биоповреждениям этими микроорганизмами. Поэтому проблема защиты конструкций стоит довольно остро. Следует также отметить методологические трудности при исследовании указанных проблем.

Во-первых, биоповреждения материалов и микробиологическая коррозия, в частности, носят специфический характер: приходится иметь дело с биологическими объектами и процессами. Материалы конструкций также влияют на микроорганизмы. Так, отдельные полимеры и некоторые химические вещества (амины и др.) воздействуют на видовой отбор и адаптацию наиболее устойчивых и жизнеспособных микроорганизмов. В процессе адаптации повышается активность грибов, появляется способность специфического (ферментивного) воздействия на материалы.

Во-вторых, биоповреждения материалов необходимо рассматривать в совокупности с другими процессами разрушения материалов (коррозии металлов, деструкции полимеров), которые могут действовать одновременно и увеличивать повреждения техники и сооружений.