Российские ученые защитили сталь от ржавчины с 95%-й эффективностью

Статья опубликована в сборнике конференции «Химия. Экология. Урбанистика».
Коррозия стали — процесс разрушения железа и его сплавов, запускаемый агрессивными компонентами окружающей среды: влагой, кислородом, химическими реагентами и даже микробами. Внешне она чаще всего проявляется в виде рыхлой ржавчины (слоя оксидов и гидроксидов железа), которая не только является следствием разрушения, но и активно его ускоряет, впитывая влагу и способствуя дальнейшему распространению процесса.

Если с обычным атмосферным повреждением в той или иной мере справляются классические методы — лакокрасочные покрытия, ингибиторы (специальные химические вещества) и прочие барьерные технологии, — то существенно более опасным и скрытым противником является биокоррозия. Это процесс, при котором материал разрушается под воздействием микроорганизмов: бактерий, грибов и водорослей.

Особенно активно этот процесс протекает в водной среде, где влага выступает не только как проводник, но и как идеальная среда для размножения микроорганизмов. Например, такую коррозию можно наблюдать на корпусах кораблей, элементах шлюзов и опорах мостов. В этом случае разрушение провоцируется и поддерживается деятельностью железобактерий и других микроорганизмов, которые формируют на поверхности металла свои плотные биопленки. В процессе метаболизма они выделяют агрессивные соединения, например, кислоты, и буквально «поедают» металл изнутри. Такое воздействие обходит традиционную защиту, что приводит к стремительным и необратимым дефектам особенно подводных конструкций, трубопроводов и резервуаров.

Ученые Пермского Политеха разработали инновационный метод ингибирования коррозии стали, который комплексно решает проблему микробиологического разрушения. Одним из ключевых и распространенных агентов биокоррозии являются железобактерии. Для их изучения исследователи провели сезонный отбор проб воды из рек в ноябре, феврале и сентябре, используя специальную питательную среду, которая стимулировала рост этой группы микроорганизмов, чтобы получить достаточное количество бактерий для экспериментов и анализ сезонных особенностей их воздействия на металлические поверхности.

— Мы добавили в образцы выделенных штаммов цветовой индикатор. При микроскопировании это позволило нам установить одинаковое строение клеточных стенок данных микроорганизмов и идентифицировать их как один вид, — рассказала Татьяна Соколова, доцент кафедры «Химия и биология».

Железобактерии показали высокую эффективность в разрушении металла, преобразовав в ржавчину более половины всего железа в растворе — от 60% до 77%. Наибольшую активность проявила сентябрьская культура (образец №3), что объясняется сезонными особенностями: в теплый период метаболизм железобактерий активизируется благодаря благоприятным температурным условиям. Теплая среда стимулирует их жизнедеятельность и усиливает коррозионное воздействие.

Для проверки влияния микробов на разрушение стали в реальной среде исследователи поместили образцы металла в чистую дистиллированную воду, куда добавили отобранные железобактерии в виде жидкой суспензии (по 10 миллилитров на каждую пробу). Для сравнения часть образцов металла находилась в такой же воде, но без микроорганизмов. Все емкости оставили открытыми при обычных условиях на 28 дней, чтобы обеспечить естественный доступ воздуха.

Эксперименты показали, что выделенные штаммы железобактерий ускоряют коррозию стали почти в два раза. Это происходит потому, что бактерии в процессе своей жизнедеятельности активно перерабатывают железо: поглощают растворенные ионы металла, окисляют их кислородом и преобразуют в ржавчину. При этом они выделяют кислоту, которая дополнительно разъедает металлическую поверхность. Таким образом, микробы не только непосредственно потребляют железо, но и создают агрессивную кислую среду, что приводит к более резкому ускорению коррозионных процессов. В связи с этим, ученые впервые применили ингибитор на основе двух компонентов против биокоррозии.

— Для борьбы с этим разрушительным воздействием мы испытали два средства для защиты стали от бактерий: нитрит натрия и буру (препарат, подавляющий рост бактерий и нейтрализующий кислоту). Первое вещество проявляло антикоррозионное действие уже при концентрации 0,05%, обеспечивая защиту на уровне 87-91%. В то время как бура работала при более высоких дозах — от 0.3% (с эффективностью до 88%). При их совместном использовании (0,1% буры и нитрита натрия в концентрации 0,05-1%) был достигнут максимальный защитный эффект — 94-95%, — объяснила Татьяна Соколова.

Это объясняется тем, что по отдельности использовать только нитрит натрия недостаточно, так как он образует защитный слой на поверхности металла, но не уничтожает бактерии, которые продолжают вырабатывать агрессивные кислоты и разрушать покрытие. Бура в чистом виде тоже не является идеальным решением, поскольку она только борется с микроорганизмами, а для защиты требует высоких концентраций (от 0,3%), что плохо сказывается на окружающей среде.

Поэтому комбинация низких доз обоих веществ создает необходимый эффект в борьбе с биокоррозией. Этот метод обеспечивает максимальную защиту при минимальной химической нагрузке, что делает его экологичнее и экономичнее использования каждого ингибитора в отдельности.

Данный подход важен для защиты критически важных объектов — трубопроводов, резервуаров и водных конструкций, где он одновременно формирует защитное покрытие и устраняет биологическую причину разрушения. Такое решение особенно незаменимо в условиях длительной эксплуатации при ограниченном техническом обслуживании, обеспечивая надежную защиту без необходимости постоянного вмешательства.

ПНИПУ

1271 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram