Микробиологическая коррозия металлов и защита от нее

УДК 620.193.8

Е. Л. Пехташева, А. Н. Неверов, Г. Е. Заиков,

С. Ю. Софьина, Р. Я. Дебердеев, О. В. Стоянов

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ И ЗАЩИТА ОТ НЕЕ

Ключевые слова: коррозия, металлы, микробиологическая стойкость, биоциды, защита.

Рассмотрены проблемы микробиологической коррозии металлов и пути защиты от нее. Способы защиты металлов от биокоррозии основаны на применении химических биоцидов, а также на рациональном подборе и использовании в технических изделиях биостойких материалов. Большое значение имеет соблюдение санитарно-гигиенических правил при производстве и эксплуатации техники.

Keywords: corrosion, metals, microbiological resistance, biocides, protection.

The problems of microbiological corrosion of metals and the ways of their protection against it were considered. The ways of metals protection against biocorrosion are based on the use of chemical biocides as well as on the rational

selection and the use of biostable materials in technical products. The observance of sanitary regulations in

manufacturing and using of the equipment is of great importance.

Биоповреждения металлов принято называть микробиологической коррозией (биокоррозией) металлов. В повседневной жизни со случаями биокоррозии металлов приходится сталкиваться реже, чем со случаями биоповреждений неметаллических материалов. Металлы сами по себе являются более биостойкими материалами, а некоторые из них обладают 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. Внешние проявления биокоррозии мало отличаются от обычной коррозии, сопровождающейся появлением ржавчины [1, 2].

Действие микроорганизмов на металлы может происходить различным путем. Прежде всего, коррозию могут вызывать агрессивные метаболиты микроорганизмов - кислоты, основания, ферменты и др. Они создают коррозионно-активную среду, в которой в присутствии воды протекает коррозия по обычным законам электрохимии.

Колонии микроорганизмов могут создавать на поверхности металлов наросты мицелия или слизи, под которыми в результате разности электрических потенциалов на различных участках поверхности металла и ассимиляции ионов металлов самими микроорганизмами может развиваться язвенная коррозия.

Биоповреждение металлов под воздействием микроорганизмов может происходить различными путями:

• за счет непосредственного воздействия продуктов метаболизма микроорганизмов на металл;

• через образование органических продуктов, которые могут действовать как деполяризаторы или катализаторы коррозионных реакций;

• путем, при котором коррозионные реакции являются отдельной частью метаболитического цикла бактерий.

Среди бактерий наиболее часто коррозию металлов связывают с деятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий; тионовых бактерий, окисляющих серу и соединения серы до серной кислоты; железобактерий, окисляющих закисное железо до окисного.

Сульфатредуцирующие анаэробные

бактерии являются возбудителями биокоррозии. Они способны переводить сульфатные соединения металлов в сульфиды, образующиеся при взаимодействии выделяющегося в этом процессе сероводорода с металлами.

Существует несколько гипотез о механизме анаэробной коррозии стали, железа, алюминия и их сплавов под влиянием сульфатредуцирующих бактерий.

Одна из гипотез состоит в том, что при высоком содержании сульфида железа в среде он образует гальваническую пару с железом, в которой сульфид является катодом, а железо, являясь анодом, подвергается коррозии.

Тионовые бактерии окисляют сульфиды и другие восстановленные соединения серы до сульфатов. Скорость бактериального окисления сульфидов может быть в миллионы раз больше, чем скорость обычного химического окисления. В результате в больших количествах и достаточно быстро может образовываться серная кислота, создающая агрессивную коррозионную среду [1-5].

Железобактерии вызывают коррозию металлических поверхностей, соприкасающихся с водой. На месте сварных швов и других поверхностях металла железобактерии образуют слизистые скопления, не смываемые током воды. Под ними возникают участки, не омываемые водой и поэтому слабо аэрируемые, имеющие более низкий потенциал и поэтому действующие как анод. В анодной зоне железо растворяется, и происходит коррозия.

Некоторые ученые предполагают, что в формировании месторождений золота

определенную роль мощи играть микроорганизмы.

В лабораторных условиях на питательных средах, содержащих растворенное и взвешенное (коллоидное) золото, в течение двух месяцев выращивали определенные сообщества микроорганизмов и водорослей, живущих в Охотском море. Спектральный анализ показал, что эти сообщества переводят золото из раствора и взвесей в осадок. Частицы его размером 3 - 9 мкм и составляют 35 - 70 % осадка. Таким образом, было показано, что сообщества микроорганизмов могут участвовать в укрупнении частиц золота и концентрации его в месторождениях.

Вопрос о повреждении металлов грибами наименее изучен, поскольку до недавнего времени предполагали, что биоповреждения металлов вызываются главным образом бактериями.

Однако грибная коррозия металлов существует, и в ряде случаев она наносит не меньший вред металлическим конструкциям, чем

бактериальная. Удерживая на поверхности металлов влагу и выделяя органические кислоты, грибы способствуют коррозии деталей из латуни, меди, стали, алюминия и его сплавов. Продукты микробиологической коррозии, а также мицелий грибов, образующий мосты между металлическими контактами изделий, способствуют появлению электролитов на поверхности контактов и приводят к замыканию электрических цепей или к ухудшению электрических параметров изделий.

Массовые потери от коррозии после испытания в течение 12 сут. в присутствии А. niger достигли для алюминия 4, для меди - 18, для железа -33 г/м2, что в 4 раза превышает потери каждого металла от обычной коррозии. Основным фактором, вызывающим коррозию металлов в присутствии грибов, является изменение физико-химических свойств среды в процессе метаболизма, о чем свидетельствует изменение рН, окислительновосстановительного потенциала среды,

электрохимических потенциалов металлов.

При испытании пластинок из электролитической меди, полученных в различных условиях спекания и отжига, в солевой среде после нанесения взвеси конидий грибов А. /1ауш\ А. niger на их поверхность, был выявлен рост грибов, и происходило повреждение пластинок во всех вариантах опыта. Наблюдалось поражение грибами отдельных видов порошковых материалов и биметаллической проволоки при экспериментальном изучении их в условиях тропического климата.

Высказано предположение, что в качестве первичного механизма повреждения следует рассматривать внедрение гиф грибов в определенные участки поверхности образца, а вторичным является действие на поверхность металлов продуктов их метаболизма.

Самыми грибостойкими среди испытанных образцов металлов и сплавов являются - углеродистая сталь высокой прочности и сплав алюминия с магнием. Наиболее подверженным коррозионным изменениям оказался технически чистый алюминий.

Оценку биостойкости металлов проводят по внешнему виду коррозии, площади коррозионных поражений, потере массы образцов (после удаления продуктов коррозии), глубине коррозионных поражений.

С помощью сканирующего электронного микроскопа обнаружено, что в структуру биоповреждений металлов входят живые клетки грибов, дрожжей, бактерий, споры, мертвые клетки микроорганизмов, продукты распада клеток и различные вещества неорганической природы.

Биообрастания прочно связаны с поверхностью металла. Сталь, алюминий, медь в местах локализаций биообрастаный имеют различные биоповреждения - от микротрещин, микрократеров до полного разрушения металла на этих участках [6-10].

На поверхности чистого, незагрязненного металла, не имеющего контакта с органическими материалами, например, смазками, полимерными пленками, красками, грибы не могут развиваться. Биокоррозия металлов под действием грибов носит в связи с этим как бы вторичный характер, вначале они поселяются и развиваются на органических материалах, контактирующих с металлом, а затем мицелий, распространяясь на металл, вызывает коррозию своими метаболитами - кислотами, ферментами.

Биокоррозия отмечалась на резьбовых соединениях, электрических контактах и т. п. Такие поражения характерны для радиоэлектронных и оптических приборов. Образование мицелия на поверхности электрических контактов приборов вызывало нарушение работы всего прибора, вследствие замыкания электрической цепи или размыкания ее из-за нароста продуктов коррозии на поверхностях.

Способы защиты металлов от биокоррозии основаны на применении химических биоцидов, а также на рациональном подборе и использовании в технических изделиях биостойких материалов. Большое значение имеет соблюдение санитарногигиенических правил при производстве и эксплуатации техники.

Для защиты металлов от биокоррозии используют те же биоциды, что и для защиты неметаллических материалов. Существенным требованием к таким биоцидам является то, что они не должны быть агрессивны к металлам и не вызывать их коррозии, так как некоторые биоциды коррозионно опасны в этом отношении [11-15].

Литература

1. Е.Л. Пехташева, Биоповреждения и предохранение непищевых материалов, Москва, Изд. «Мастерство», 2002, 224 стр.

2. Г.Е. Заиков «Горение, деструкция и стабилизация полимеров», Санкт-Петербург, «Научные основы и технологии», 2008, 422 стр.

3. Yu. V. Moiseev, G.E. Zaikov “Chemical resistance of polymers in reactive media”, New York, Plenum Press, 1987, 586 pp.

4. G.E. Zaikov, A.L. Iordanskii, V.S. Markin “Diffusion of electrolytes in polymers”, Utrecht, VNU Science Press, 1988, 328 pp.

5. I.N. Todorov, G.E. Zaikov, I A. Degterev “Bioactive compounds: biotransformation and biological action”, New York, Nova Science Publ., 1993, 292 pp.

6. V.L. Roubajlo, S.A. Maslov, G.E. Zaikov “Liquid phase oxidation of unsaturated compounds”, New York, Nova Science Publ., 1993, 294 pp.

7. A.L. Iordanskii, T.E. Rudakova, G.E. Zaikov “Interaction of polymers with bioactive and corrosive media”, Utrecht, VSP International Publ., 1994, 298 pp.

8. “Degradation and stabilization of polymers. Theory and practice”, Ed. by G.E. Zaikov, New York, Nova Science Publ., 1995, 238 pp.

9. A.Ya. Polishchuk, G.E. Zaikov “Multicomponent transport in polymer systems”, New York, Gordon & Breach, 1996, 231 pp.

10. K.Z. Gumargalieva, G.E. Zaikov “Biodegradation and biodeterioration of polymers. Kinetical aspects”, New York, Nova Science Publ., 1998, 210 pp.

11. A. Jimenez, G.E. Zaikov “Polymer analysis and degradation”, New York, Nova Science Publ., 2000, 287 pp.

12. G.E. Zaikov, A.L. Buchachenko, V.B. Ivanov “Aging of polymers, polymer blends and polymer composites”, New York, Nova Science Publ., 2002, Vol. 1, 258 pp.

13. G.E. Zaikov, A.L. Buchachenko, V.B. Ivanov “Aging of polymers, polymer blends and polymer composites”, New York, Nova Science Publ., 2002, Vol. 2, 253 pp.

14. G.E. Zaikov, A.L. Buchachenko, V.B. Ivanov “Polymer aging at the cutting adge”, New York, Nova Science Publ., 2002, 176 pp.

15. S.A. Semenov, K.Z. Gumargalieva, G.E. Zaikov “Biodegradation and durability of materials under the effect of microorganisms”, Utrecht, VSP International Science Publ., 2003, 199 pp.

© Е. Л. Пехташева - Российский экон. ун-тет им. Г.В. Плеханова, pekhtashevael@mail.ru; А. Н. Неверов - Российский экон. ун-тет им. Г.В. Плеханова; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, chembio@sky.chph.ras.ru; С. Ю. Софьина - канд. техн. наук, доц. каф. технологии пластических масс КНИГУ; Р. Я. Дебердеев -д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИГУ, deberdeev@kstu.ru;, О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИГУ, stoyanov@mаil.ru.