Биокоррозия металла и металлоконструкций

Содержание.

 

1. Введение.                                                                                                  2
2. Термины и определения в области биоповреждений.                          3

3. Влияющие факторы окружающей среды.                                              3

4. Классификация биоповреждений.                                                          5
5. Проблемы биоповреждений.                                                                         7
6. Биокоррозия металла и металлоконструкций.                                      8
7. Защита металлов от биокоррозии.                                                         14
8. 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 микроорганизмов. Ее характеризует водородный показатель рН (отрицательный логарифм концентрации ионов  водорода).

При рН = 0 ... 6,9 –  кислые среды; 7,1 ... 14 – щелочные;   7 – нейтральные.

Большинство бактерий лучше развиваются в нейтральной и слабощелочной среде, рН = 7 ... 7,5.

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-восстановительные  процессы характеризует показатель гН₂ (отрицательный логарифм давления молекулярного водорода, выражающий степень аэробности). При перенасыщении среды кислородом гН₂ = 41. Если среда насыщена молекулярным водородом, то гН₂ = 0. Равновесие окислительных и восстановительных процессов характеризуется гН₂ = 28. Как показано выше, потребность в кислороде у микроорганизмов различна. Анаэробы существуют при гН₂ = 8 ... 10, аэробы – при гН₂ =10 ... 30. Факультативные анаэробы жизнеспособны при гН₂ = 0 ... 30.

Биологические факторы учитывают взаимоотношения  микроорганизмов в окружающей среде. Они могут быть симбиотическими и антагонистическими. При симбиозе виды, находящиеся в сожительстве, поддерживают развитие друг друга, извлекая взаимную пользу. Симбиоз может принимать следующие формы. Метабиоз – использование продуктов жизнедеятельности одного микроорганизма другим (сапрофиты расщепляют белки до аминокислот, которые служат исходным материалом для нитрофицирующих бактерий). Метабиоз – основная форма взаимоотношений почвенных микробов. Комменсализм – форма существования микроорганизмов, когда они питаются за счет макроорганизмов, не нанося последним ущерба. Мутуализм – также симбиоз микро- и макроорганизмов, выгодный для обоих.

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 биоповреждения в почве, грунте, в водной среде, в органических средах, например продуктах нефтепереработки, в наземной (воздушной) среде, в космосе.

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 микроорганизмов в  токонепроводящих средах. 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