Микробиологическая коррозия

Коррозия представляет собой процесс в результате которого разрушается поверхность металла, бетона и других материалов. Коррозия в водной среде представляет собой электрохимический процесс. При этом природные и сточные воды, содержащие достаточно много растворенных солей, выполняют роль коррозионных агентов.

Сущность электрохимической коррозии состоит в образовании разности потенциалов на отдельных участках границы металл – электролит, что приводит к возникновению электрохимических пар (анодных и катодных участков), между которыми протекает коррозионный ток. При этом на анодных участках разрушается металл в результате перехода ионов металла в раствор:

Fe – 2e^- = Fe²⁺

На катоде в результате присоединения избыточных электронов металла идут реакции восстановления протона (водородная деполяризация):

2Н⁺ + 2е^- = Н₂

или кислорода (кислородная поляризация):

½ О₂ + 2 е^- + Н₂О = 2ОН^-

Эти реакции способствуют ускорению коррозии. Замедляется процесс коррозии при повышении рН.

Величина электродного потенциала, возникающего на поверхности железа, контактирующего с водой, в значительной степени зависит от концентрации кислорода. В результате даже небольшого различия в степени аэрации на поверхности металла возникают электрохимические пары, называемые парами дифференциальной аэрации. Разница в электродных потенциалах таких пар очень невелика, однако коррозия, вызываемая ими, не меньше, а для железа даже больше, чем от обычных электрохимических пар.

Биологическая, или микробная, коррозия – процесс разрушения материалов под влиянием грунта или электролитов, ускоренный микроорганизмами. Роль микроорганизмов в процессах коррозии сводится к ускорению деполяризации катода путем ферментативного переноса электронов, выделению коррозионных продуктов обмена и образованию пар дифференциальной аэрации.

Многие виды бактерий – активные коррозионные агенты. Микроорганизмы обрастаний часто вызывают или усиливают коррозию металлов. Если микроорганизмы выделяют вещества, способные вызывать или усиливать коррозию металла, например кислоты, то разрушение его может происходить на некотором удалении от места массового развития микроорганизмов. Продукты выделения микроорганизмов, например диоксид углерода, могут вызывать коррозию бетона. При транспортировке сточных вод по трубам создаются условия для развития анаэробов, например бактерий, восстанавливающих сульфаты, что сопровождается образованием таких коррозионных агентов, как сероводород. Некоторые виды плесневых грибов (Penicillium, Aspergillus) и актиномииетов вызывают коррозию натурального каучука.

Коррозия в аэробных условиях

Коррозия в аэробных условиях возникает при наличии достаточного количества кислорода в воздушном пространстве или в воде (в растворенном виде). Аэробной коррозии подвержены железобетонные и металлические трубопроводы и сооружения из металла и бетона.

Основные агенты микробной коррозии в данных условиях – серобактерии, тионовые и нитрифицирующие бактерии, железобактерии.

В результате жизнедеятельности тионовых бактерий в качестве конечного продукта метаболизма выделяется серная кислота

S^2- + 2O₂ = SO₄^2-

S⁰ + H₂O + 1,5O₂ = H₂SO₄

S₂O₃^2- + H₂O + 2O₂ = 2SO₄^2- + 2H⁺

SO₃^2- + 0,5O₂ = SO₄^2-,

создающая агрессивную среду, которая служит причиной коррозии металла.

Коррозионность среды при понижении рН объясняется увеличением концентрации ионов Н⁺, поддерживающих катодную реакцию.

Однако роль тионовых бактерий в коррозии металла не ограничивается созданием агрессивной среды. Тиобациллы вида Thiobacillus ferrooxidans способны окислять Fe(II) до Fe (III) по реакции:

4Fe²⁺ + 4H⁺ + O₂ = 4Fe³⁺ + 2H₂O.

Образующееся трехвалентное железо выступает как активный окислитель, способный принимать электроны с поверхности металла

Fe³⁺ + e^- = Fe²⁺

и играть роль деполяризатора. Образующееся Fe²⁺ снова окисляется тиобациллами. Такой циклический процесс способен постоянно поддерживать коррозию металла.

С деятельностью тионовых бактерий связано и разрушение бетонных сооружений. Развиваясь на бетонной поверхности, тионовые бактерии снижают рН контактирующей с бетоном воды путем выделения кислоты. В кислой среде защитная пленка карбоната кальция разрушается. Это создает возможность диффузии воды вглубь бетона и растворения его компонентов. Кроме того, продукты жизнедеятельности тионовых бактерий – сульфаты – участвуют в образовании в бетоне так называемой «цементной бациллы» - гидросульфоалюмината кальция 3CaO∙Al₂O₃∙3CaSO₄∙31H₂O. Это соединение способно расширяться в 2 – 2,5 раза, что приводит к разрушению бетона.

Под действием тионовых бактерий разрушаются не только металлы и бетон, но и сплавы, содержащие серу, а также резина, поскольку в ней после вулканизации содержится сера.

Нитрифицирующие бактерии могут быть причиной коррозии пористых материалов на основе цемента. Окисляя аммиак, они продуцируют азотную кислоту

NH₄⁺ + 2O₂ = NO₂^- + 2H₂O

2NO₂^- + O₂ = 2NO₃^-,

которая реагирует с СаСО₃ бетона, переводя его в хорошо растворимую форму Ca(NO₃)₂. В данном случае коррозия бетона проявляется в образовании альвеол или шелушении поверхности бетона.

С деятельностью железобактерий связывают микробную аэробную коррозию водопроводных труб. Поселяясь в трубах, они образуют на их стенках слизистые скопления, обладающие высокой механической прочностью и поэтому не смываемые током воды. Прочность этих скоплений обусловлена волокнистой структурой оболочек железобактерий.

Коррозия начинается с появления на внутренней поверхности трубы желтых или темно-коричневых налетов, или каверн, состоящих из гидроксида трехвалентного железа. Каверны возникают, как правило, на неровностях труб. Участки труб под кавернами оказываются изолированными от воды и доступ кислорода к ним затруднен. Напротив, участки омываемые водой, аэрируются хорошо. Таким образом, развитие железобактерий приводит к образованию на поверхности труб зон с различной степенью аэрации. На участках труб покрытых кавернами и свободными от них устанавливаются различные значения электродных потенциалов, что приводит к возникновению коррозионного тока. Участки под кавернами функционируют как аноды. Хорошо аэрируемые участки являются катодами.

Деятельность железобактерий приводит к окислению Fe(II) в Fe(III) и к его гидролизу

Fe³⁺ + 3H₂O = Fe(OH)₃ + 3H⁺.

Образование Fe(OH)₃ сопровождается снижением рН, т.е. созданием коррозионной среды. Кроме того, в результате интенсивного потребления железобактериями кислорода и роста отложений Fe(OH)₃ анаэробные условия на анодных участках усугубляются, что ведет к увеличению разности потенциалов между катодом и анодом, а следовательно, к ускорению процесса коррозии.

Коррозия в анаэробных условиях

Коррозию в анаэробных условиях вызывают сульфатредуцирующие бактерии рода Desulfovibrio, развивающиеся при рН 6,8 – 8 при наличии в среде сульфатов, источников электронов и питания. Будучи строгими анаэробами, эти бактерии часто обнаруживаются в средах, богатых кислородом, где они обитают в ассоциации с аэробными (часто слизеобразующими) бактериями, создающими необходимые условия для анаэробиоза. Молекулярный водород, образующийся на катодных участках, используется данными бактериями для восстановления сульфатов

SO₄^2- + 5H₂ = H₂S + 4H₂O.

Выделяющийся сероводород способен связывать двухвалентное железо и восстанавливать Fe(OH)₃ с образованием плотного осадка FeS.

Таким образом, сульфатредуцирующие бактерии способствуют процессу коррозии, ускоряя деполяризацию катода и выделяя коррозионный продукт – сероводород.

Способы защиты от микробиологической коррозии

Специальных средств защиты от микробиологической коррозии не существует. Защитные битумные или полимерные покрытия, а также защитные пленки обеспечивают изоляцию металлической поверхности от воды, а следовательно, и от микробного воздействия. В некоторых случаях используются бактерицидные или бактериостатические вещества. Например, эффективным бактериостатом для сульфатредуцирующих бактерий служит кислород, поэтому усиление аэрации способствует замедлению коррозии, вызванной сульфатредуцирующими бактериями. Как мера предотвращения коррозии этого типа может быть использовано подщелачивание среды (когда это возможно), так как рост и развитие сульфатредуцирующих бактерий полностью подавляются при рН>9.

Поиск по сайту: