Микробная коррозия

Микробная коррозия , также называемая коррозией под микробиологическим воздействием (MIC) , коррозией, вызванной микробами ( MIC ) или биокоррозией , представляет собой когда микробы влияют на электрохимическую среду поверхности, на которой они находятся. Обычно это включает в себя создание биопленки , которая может привести либо к усилению коррозии поверхности, либо, в процессе, называемом ингибированием микробной коррозии, защитить поверхность от коррозии.

Поскольку каждая поверхность, так или иначе подвергающаяся воздействию окружающей среды, также подвергается воздействию микробов, микробная коррозия ежегодно наносит ущерб на триллионы долларов по всему миру.

Микробы действуют либо путем производства побочных продуктов своих клеточных процессов, которые разъедают металлы, либо препятствуя работе обычных ингибиторов коррозии и оставляя поверхности открытыми для воздействия других факторов окружающей среды.

Бактерии

Некоторые сульфатредуцирующие бактерии производят сероводород , который может вызвать сульфидное растрескивание под напряжением . Бактерии Acidithiobacillus производят серную кислоту ; Ацидотиобацилла тиооксиданс часто повреждает канализационные трубы. Ферробацилла феррооксиданс непосредственно окисляет железо до оксидов и гидроксидов железа ; ржавчина , образующаяся на месте крушения Титаника , вызвана бактериальной активностью. Другие бактерии производят различные кислоты , как органические, так и минеральные, или аммиак .

В присутствии кислорода аэробные бактерии , такие как Acidithiobacillus thiooxydans , Thiobacillus thioparus и Thiobacillus concretivorus , широко присутствующие в окружающей среде, являются частыми факторами, вызывающими коррозию, приводящими к биогенной сульфидной коррозии .

В отсутствие кислорода часто встречаются анаэробные бактерии , особенно Desulfovibrio и Desulfotomaculum . Desulfovibrio salixigens не менее 2,5% требует концентрации хлорида натрия , но D. vulgaris и D. desulfuricans могут расти как в пресной, так и в соленой воде. D. africanus — еще один распространенный микроорганизм, вызывающий коррозию. Род Desulfotomaculum включает сульфатредуцирующие спорообразующие бактерии; Дтм. orientis и Dtm. nigrificans участвуют в коррозионных процессах. Сульфатредукторам необходима восстановительная среда; Для их развития необходим электродный потенциал ниже -100 мВ. Однако даже небольшое количество производимого сероводорода может привести к такому сдвигу, поэтому рост, однажды начавшись, имеет тенденцию ускоряться.

Во внутренних частях коррозионных отложений могут существовать слои анаэробных бактерий, а во внешних — аэробные бактерии.

Некоторые бактерии способны утилизировать водород , образующийся в ходе процессов катодной коррозии.

Бактериальные колонии и отложения могут образовывать концентрационные клетки , вызывая и усиливая гальваническую коррозию .

Бактериальная коррозия может проявляться в виде питтинговой коррозии , например, на трубопроводах нефтегазовой промышленности. Анаэробная коррозия проявляется в виде слоев сульфидов металлов и запаха сероводорода. В случае чугуна графита результатом может быть селективное коррозионное выщелачивание , при котором железо поглощается бактериями, оставляя графитовую на месте матрицу с низкой механической прочностью.

различные ингибиторы коррозии Для борьбы с микробной коррозией можно использовать . Составы на основе хлорида бензалкония широко распространены в нефтедобывающей промышленности.

Микробная коррозия также может распространяться на пластмассы , бетон и многие другие материалы. Двумя примерами являются бактерии, питающиеся нейлоном , и бактерии, питающиеся пластиком.

Смотрите также: бактериальная анаэробная коррозия.

Грибы

Грибки могут вызвать микробную коррозию бетона. При адекватных факторах окружающей среды, таких как влажность, температура и источники органического углерода, грибы образуют колонии на бетоне. Некоторые грибы могут размножаться бесполым путем. Этот общий для грибов процесс позволяет многим новым спорам грибов быстро распространяться в новую среду, образуя целые колонии там, где ничего не существовало. Эти колонии и образующиеся новые споры используют гифы для поглощения питательных веществ из окружающей среды.

Гифы невероятно крошечные и тонкие, их диаметр составляет всего от 2 до 6 микрометров. Грибковые гифы используются для проникновения в мельчайшие отверстия, трещины и овраги в бетоне. Эти области содержат влагу и питательные вещества, за счет которых выживает гриб. По мере того, как все больше гиф прорываются в эти крошечные трещины и щели, давление заставляет эти зазоры расширяться, подобно тому, как вода замерзает в крошечных отверстиях и трещинах, заставляя их расширяться. Механическое давление позволяет трещинам расширяться, что приводит к попаданию большего количества влаги внутрь, и, таким образом, грибы получают больше питательных веществ, что позволяет им проникать глубже в структуру бетона. Изменяя окружающую среду, грибы разрушают бетон и его щелочной слой, создавая тем самым идеальные условия для бактерий, вызывающих коррозию, которые еще больше разрушают бетонные конструкции.

Другой способ, которым грибы вызывают коррозию бетона, — это органические кислоты, естественным образом вырабатываемые грибами. Эти органические кислоты химически реагируют с кальцием 2+ в бетоне, в результате чего образуются водорастворимые соли. Затем высвобождается кальций 2+, нанося со временем значительный ущерб структуре. Поскольку грибы выделяют пищеварительные соки, чтобы получить питательные вещества, структура, на которой они растут, начнет растворяться. То же самое касается и бетона, когда такие грибы, как Fusarium укореняются . Эксперимент сравнил коррозию бактерий Tiobacillus с коррозией гриба Fusarium. В эксперименте обеим группам организмов были предоставлены адекватные условия для роста, а также равный кусок бетона в каждом эксперименте. Через 147 дней бактерия Tiobacillus вызвала снижение массы тела на 18%. Однако гриб Fusarium за тот же период времени вызвал снижение массы на 24%, продемонстрировав тем самым свои коррозионные способности.

Бхаттачарья провел исследование трех отдельных типов грибов, которые, как известно, вызывают коррозию бетона: Aspergillus tamarii, Aspergillus niger и Fusarium.   Aspergillus tamarii был самым разрушительным из трех грибов. Он вызывает расширение и углубление трещин, быстро и эффективно укореняется и способствует выработке оксалата кальция. В результате образования оксалата кальция увеличивается скорость выщелачивания ионов кальция, что снижает общую прочность бетона. За 90 дней воздействие грибка привело к уменьшению массы бетона на 7,2%. Aspergillus niger был вторым по величине нарушителем из трех, за ним следовал Fusarium, который может снизить массу бетона на 6,2 грамма за один год, а также вызвать снижение pH с 12 до 8 за тот же период времени.

Авиационное топливо

микроорганизмы, утилизирующие углеводороды, в основном Cladosporium resinae и Pseudomonas aeruginosa , а также сульфатредуцирующие бактерии обычно присутствуют В реактивном топливе , в просторечии известные как «жуки HUM» . Они обитают на границе раздела капель воды с топливом, образуют темно-черные, коричневые или зеленые гелеобразные маты и вызывают микробную коррозию пластиковых и резиновых частей топливной системы самолета, поедая их, а также металлических деталей, поедая их. средства их кислых продуктов обмена. Их также неправильно называют водорослями из-за их внешнего вида. FSII добавляется в топливо в качестве замедлителя роста. Существует около 250 видов бактерий, которые могут жить в авиационном топливе, но менее дюжины из них представляют серьезный вред.

Читайте также: Керосиновый гриб

Ядерные отходы

Микроорганизмы могут отрицательно влиять радиоактивные элементы, содержащиеся в ядерных отходах .

Конкретный

Множество факторов, создаваемых окружающей средой, стимулируют коррозию и разрушение бетона, такие как условия замерзания, радиационное воздействие и обширные тепловые циклы или циклы замораживания-оттаивания и влажно-высыхания. Циклы, вызывающие механическое разрушение бетона, такие как циклы замораживания-оттаивания, невероятно разрушительны. Все это дает возможность микробам взять верх, еще больше разрушая и ослабляя конструкции из бетона. Рост ущерба урбанизированным канализационным системам и городам, расположенным вдоль побережья, заставил людей глубже задуматься о том, как защитить бетон от микробов.

Чтобы остановить ущерб, наносимый микробами, необходимо провести полное изучение микробов, вызывающих коррозию. Это включает в себя знание того, из чего состоят конкретные микробы и их сообщества и как они разрушают структурный бетон. Факторы воздействия окружающей среды на конструкции часто способствуют микробной коррозии, вызываемой бактериями, археями, водорослями и грибами. Эти микроорганизмы зависят от окружающей среды, которая обеспечивает необходимую влажность, уровень pH и ресурсы, необходимые для размножения.

Уровень pH бетона сильно влияет на то, какие микробы могут размножаться и какой ущерб наносится бетону. Бетонная поверхность имеет щелочную реакцию, что затрудняет размножение микробов. Однако химические процессы окружающей среды и сами микроорганизмы вызывают изменения в бетоне. Условия окружающей среды в сочетании с карбонизацией , вызванной избранными микробами, вызывают негативные изменения pH бетона. Эти немногие микробы могут выделять метаболиты, которые изменяют pH с 12 до 8. При более низком уровне pH на бетоне может выжить больше микроорганизмов, что ускоряет скорость коррозии. Это становится серьезной проблемой, поскольку многие микробы, поражающие бетон, выживают в анаэробных условиях. Например, в канализации низкий уровень кислорода и много азота и серного газа, что делает их идеальными для микробов, которые метаболизируют эти газы.

Канализация

Конструкции канализационной сети склонны к биопорче материалов из-за действия некоторых микроорганизмов, связанных с серным циклом. Это может быть очень разрушительное явление, которое впервые было описано Олмстедом и Хэмлином в 1900 году. для кирпичной канализации, расположенной в Лос-Анджелесе. Шовный раствор между кирпичами рассыпался, а железные конструкции сильно проржавели. Растворный шов увеличился в два-три раза по сравнению с первоначальным объемом, что привело к разрушению или ослаблению некоторых кирпичей.

Около 9% повреждений, описанных в канализационных сетях, можно объяснить последовательным действием двух видов микроорганизмов. Сульфатвосстанавливающие бактерии (SRB) могут расти в относительно толстых слоях осадочного ила и песка (обычно толщиной 1 мм), скапливающихся на дне труб и характеризующихся бескислородными условиями. Они могут расти, используя окисленные соединения серы, присутствующие в стоках, в качестве акцептора электронов и выделяя сероводород (H ₂ S). Затем этот газ выделяется в надземной части трубы и может воздействовать на конструкцию двумя способами: либо напрямую, вступая в реакцию с материалом и приводя к снижению pH, либо косвенно, через его использование в качестве питательного вещества сероокисляющими бактериями ( СОБ), растущие в кислородных условиях, которые выделяют биогенную серную кислоту. Затем конструкция подвергается воздействию биогенной серной кислоты. Такие материалы, как цемент на основе алюмината кальция , трубы из ПВХ или керамической глины, можно заменить обычными бетонными или стальными канализационными коллекторами, которые не устойчивы в этих средах. Уменьшение коррозии мягкой стали в воде за счет поглощения растворенного кислорода осуществляется Rhodotorula mucilaginosa(7).

Ингибирование микробной коррозии

Для ограничения микробной коррозии было разработано множество методов. Основная задача заключалась в поиске способов предотвращения или остановки роста микробов без негативного воздействия на окружающую среду. В списке ниже представлен обзор некоторых тактик, которые использовались или находятся в разработке.

• Использование биоцида (любого химического вещества, подавляющего жизнь) для уничтожения микроорганизмов. Поскольку биопленки настолько устойчивы, необходимо использовать много биоцидов. Это дорого, оказывает негативное воздействие на окружающую среду и может вызвать еще большую коррозию поверхности из-за своей токсичности. Биоциды и другие химические средства против микробов также могут быть опасны для людей, которые их готовят и применяют.

Рао и Малки разработал обширный список методов ограничения роста микробов и, следовательно, микробной коррозии.

• Растительные продукты могут помочь ограничить рост микробов. Они будут биоразлагаемыми и безопасными для тех, кто их применяет, но еще не прошли широкомасштабных испытаний.

• Поверхностно-активные вещества, особенно те, которые вырабатываются организмами в качестве вторичных метаболитов. Они полезны, потому что проникают между коррозийной жидкостью и поверхностью и разделяют их.
• Нанесение супергидрофобного покрытия на поверхность. Это препятствует развитию биопленки, но она чувствительна и может легко потерять свои супергидрофобные свойства.
• Использование самовосстанавливающихся поверхностей может предотвратить коррозию в трещинах и дефектах. Его можно использовать с супергидрофобной поверхностью, чтобы снизить ее чувствительность.
• Использование гидрофильных поверхностей для создания области, которая сдерживает развитие белков в пленку, покрывающую поверхность.
• Использование синтетически созданных веществ, которые сдерживают коррозию благодаря своей химической структуре. Это может оказать меньшее негативное воздействие на окружающую среду, чем другие варианты.
• Использование биопленок, специально выращенных для подавления микробной коррозии. Это достигается путем выращивания на поверхности биопленки, состоящей из бактерий, которая может выделять соединения, убивающие другие микробы и предотвращающие коррозию.
• Использование эфирных масел. Эффективность эфирных масел против микробной коррозии широко не проверялась.
• Покрытие поверхности различными наноматериалами или озоном для предотвращения микробной коррозии.

Микробы подавляют коррозию

Хотя микроорганизмы часто являются причиной коррозии, они также могут защищать поверхности от коррозии. Например, окисление является распространенной причиной коррозии. Если чувствительная поверхность покрыта биопленкой, которая поглощает и использует кислород, то эта поверхность будет защищена от коррозии из-за окисления. Биопленки также могут выделять противомикробные соединения, что полезно, если биопленка не вызывает коррозии и может сдерживать появление микробов. Биопленки обеспечивают барьер между поверхностью и окружающей ее экосистемой, поэтому, пока биопленка не оказывает вредного воздействия, она также может служить защитой от коррозии. Поскольку биопленки не оказывают негативного воздействия на экосистему, они потенциально являются одним из лучших механизмов ингибирования коррозии. Они также могут изменить условия на поверхности металла, чтобы снизить вероятность повреждения металла и предотвратить коррозию.

См. также

• Микробиологическая коррозия (MIC)
• Биогенная сульфидная коррозия
• Коррозия
• Рустикл
• Бактериальная анаэробная коррозия

Ссылки

• Олмстед, В.М., Хэмлин, Х., 1900. «Преобразование частей водосточной канализации Лос-Анджелеса в септик». Инженерные новости 44, 317–318.
• Кемпфер В., Берндт М., 1999. «Оценка срока службы бетонных труб в канализационных сетях». Долговечность строительных материалов и изделий 8, 36–45.
• Айлендер, Р.Л., Девинни, Дж.С., Мансфельд, Ф., Постин, А., Ши, Х., 1991. «Микробная экология коррозии кроны в канализации». Журнал экологической инженерии 117, 751–770.
• Робертс, Д.Д., Ника, Д., Цзо, Г., Дэвис, Дж.Л., 2002. «Количественная оценка разрушения бетона, вызванного микробами: первоначальные исследования». Международная биопорча и биодеградация 49, 227–234.
• Окабе С., Одагири М., Ито Т., Сато Х., 2007. «Сукцессия сероокисляющих бактерий в микробном сообществе при разъедании бетона в канализационных системах». Прикладная и экологическая микробиология 73, 971–980.
• Мансури Х., Алави С.А. и Фотоват М. «Микробная коррозия кортеновской стали по сравнению с углеродистой сталью и нержавеющей сталью в маслянистых сточных водах, вызванная Pseudomonas Aeruginosa» . ДЖОМ , 1–7.
• Мадхусудан П. Дабхол и К.Н. Джоиши. 2003. «Уменьшение коррозии мягкой стали в воде за счет поглощения растворенного кислорода Rhodotorula mucilaginosa ». Журнал научных и промышленных исследований . Том. 62, нет. 7, стр. 683–689.

Внешние ссылки

• Диалог о запахе и биогенной коррозии в канализационных системах, устройствах для вытяжки воздуха и устройствах для бродильных газов

Дальнейшее чтение

• Кобрин, Г., «Практическое руководство по микробиологической коррозии», NACE , Хьюстон, Техас, США, 1993.
• Хейтц Э., Флемминг Х.К., Санд В. Коррозия материалов под влиянием микробов , Springer, Berlin, Heidelberg, 1996.
• Видела Х., Руководство по биокоррозии , CRC Press, 1996.
• Джавахердашти, Р., Микробиологическая коррозия – инженерный взгляд , Спрингер, Великобритания, 2008 г.
• Томей Ф.А., Митчелл Р. (1986) «Разработка альтернативного метода изучения роли H ₂ -потребляющих бактерий в анаэробном окислении железа». В: Декстер С.С. (ред.) Материалы Международной конференции по биологической коррозии . Национальная ассоциация инженеров по коррозии , Хьюстон, Техас, 8:309–320
• Д. Вейсманн, М. Лозе (ред.): «Практическое руководство по сульфидам для технологии очистки сточных вод; запах, опасность, предотвращение коррозии и контроль затрат!» 1-е издание, ВУЛКАН-Верлаг, 2007 г., ISBN   978-3-8027-2845-7 - немецкий.
• Мансури, Хамидреза, Сейед Аболхасан Алави и Мейсам Фотоват. « Микробная коррозия кортеновской стали по сравнению с углеродистой сталью и нержавеющей сталью в нефтесодержащих сточных водах, вызванная Pseudomonas aeruginosa » . JOM : 1–7.
• Ж. Ф. Паризо (редактор), Коррозия и изменение ядерных материалов , CEA Saclay, Париж, 2010, с. 147–150