Микробиологическая (биологическая, биокорозия, микробная) коррозия нержавеющей стали

Биологическая коррозия нержавеющей стали - это процесс, во время которого разрушаются нержавеющие металлы под влиянием живых организмов, таких как водоросли, бактерии, грибы и большими живыми существами. Микробиологическая коррозия нержавеющей стали - это процесс разрушения нержавеющего металла, вызванный жизнедеятельностью микроорганизмов.

Хотя нержавеющая сталь устойчива к коррозии, она может подвергаться биологической коррозии в определенных средах, где присутствуют микроорганизмы. Этот тип коррозии может привести к серьезным проблемам, особенно во влажных средах, где микроорганизмы могут процветать.

Так, например, в море опасность представляют ракушки, облепляющие днища судов и погруженные конструкции из нержавеющей стали. Ржавчина провоцируется как самой жизнедеятельностью, так и ее остаточными продуктами.

Этот тип повреждений характерен для различных сред, часто встречается в почве, морской воде и на открытом воздухе.

Долгое время такая угроза нержавеющему металлу не рассматривалась - на первый план выходило агрессивное атмосферное воздействие. Но сегодня процесс досконально изучен и подготовлены методы защиты нержавеющего металла от биокоррозии. И при правильном подходе от такой угрозы можно защититься. Есть множество средств, не позволяющих микроорганизмам закрепиться на поверхности нержавейки.

Потери материалов из-за коррозии неизбежны, и этому вопросу уделяется значительное внимание на разных этапах перерабатывающей промышленности, в частности, нефтяной, пищевой и кожевенной промышленности. В связи со значительными вредными последствиями, возникающими в результате микробной активности, исследования микробной коррозии и методов борьбы с ней стали актуальными. Около 10% коррозионных поражений металлов и неметаллов обусловлено микробной активностью. Микробиологическая коррозия является результатом синергического контакта между бактериями и металлами.

Основные типы биокоррозии нержавеющей стали

Существует два основных типа / вида биокоррозии:

1. Бактериальная. Провоцируется интенсивным размножением анаэробных или аэробных бактерий. Наибольшую опасность среди них представляют железобактерии и серобактерии, содержание которых большое в почве. Такие организмы существуют даже без постоянной подпитки кислородом, что делает их сложными в истреблении. Еще одна проблема такого типа биологической коррозии состоит в том, что она протекает в разных условиях среды. Так, уровень рН может изменяться от 1 до 10,5 пунктов. Стандартная температура запуска процесса составляет от 6 до 40 градусов.
2. Микологическая. Как следует из названия, провоцируется продуктами жизнедеятельности грибков. Менее опасно, чем описанный выше биологический тип повреждений, проще в удалении и профилактике. Но при этом не следует сбрасывать возможность развития такого процесса со счетов.

Определить, с какой проблемой придется бороться, можно заранее, на основании анализа грунта или воды, которые будут соприкасаться с нержавеющим металлом. Но нельзя исключать и возможность занесения микроорганизмов извне.

Еще одним параметром классификации является разделение влияния микроорганизмов за характером повреждения. Живые существа провоцируют ржавление нержавеющего металла косвенно или разрушают напрямую. Среди параметров разделения биологических повреждений есть следующие:

• Среда обитания организмов. Могут размножаться в почве, воде, органической среде. Воздух также относится к категории мест обитания микроорганизмов.
• Тип поврежденного материала. В зависимости от вида бактерий и грибков, их могут интересовать разные типы материалов. И речь идет не только о нержавеющем металле. Помимо сплавов, повреждения наносятся искусственному и натуральному камню, коже, стеклу, полимерным материалам, которые могут конструктивно сочетаться с нержавейкой.
• Биологический фактор. На материал влияют микро или макроорганизмы. Если к первой категории относятся самые простые, бактерии и грибы, то ко второй - беспозвоночные, растения и хордовые.
• Тип повреждения материала. Разрушается под действием создаваемой агрессивной химической среды, стимулирования появления электрохимических процессов, а также напрямую. Распространенным типом проблемы также считается комплексная биокоррозия нержавеющего металла, когда можно проследить разные варианты воздействия.

Формат разрушения может быть разный - биохимический, физический и комбинированный. Чтобы не нести материальные потери, следует предусмотреть защиту от всех перечисленных проблем.

Сущность микробиологической коррозии нержавеющей стали

Микроорганизмы выделяют разрушающие метаболиты или организмы собирают электроны из металла для дыхания и производства энергии. Они несут ответственность за возникновение или усиление коррозии, вызванной ранее существовавшими вредными веществами, такими как вода и углекислый газ.

Микробная коррозия возникает, когда находящиеся в водном растворе микробы вступают в контакт с поверхностью нержавеющего металла. Коррозия проявляется в разных формах.

Микробы могут разъедать различные металлы, включая углеродную сталь, цинк, медь и даже нержавеющую сталь и титан, из-за их метаболической активности или продуктов. Микробные биопленки вызывают микробиологическое влияние через свою деятельность на основе метаболитов, что приводит к закислению резервуара и деградации активов. Это становится серьезной проблемой риска, когда промышленные активы стареют, что может привести к аварии.

Микробиологическую коррозию можно понимать по-разному. Чаще всего под этим термином подразумевают влияние микроорганизмов на кинетику коррозионных процессов металлов вследствие прилипания бактерий к границам раздела. Для работы коррозии должны быть микроорганизмы. Им нужен источник энергии, снабжение углеродом, донор электронов, акцептор электронов и вода, если их активность вызывает коррозию. Микробиологическая коррозия демонстрирует исключительное действие в изменении локального химического состава поверхности путём истощения и / или концентрации определенных химических соединений в окружающей среде. Микроорганизмы могут преобразовывать определенные виды, присутствующие в воде, в другие агрессивные формы, такие как Fe²⁺ Fe³⁺ , Mn²⁺ Mn⁴⁺ и SO в SO₂ в ходе метаболического процесса.

Микробы способствуют коррозии разными способами, как прямо, так и косвенно. Считается, что в большинстве случаев причиной коррозии являются биопленки.

Микробиологическая коррозия может принимать форму локализованной коррозии. Она широко распространена в жидкостных системах и промышленных процессах из-за огромной доступности микроорганизмов, достаточного количества питательных веществ и агрессивных химикатов и может поражать металлические и неметаллические материалы.

Такой тип коррозии связан с рядом видов, включая бактерии, грибы и археи.

Микроорганизмы

Слово "микроорганизм" включает широкий спектр живых форм, включая прокариоты, такие как бактерии, археи и цианобактерии, а также эукариоты, такие как водоросли, лишайники, дрожжи и грибы, и даже самые простые. Важнейшим аспектом этой группы является их размер, обычно составляет от 0,5 до 10 мкм. В результате отдельные бактерии редко видны глазу человека и должны быть обнаружены и идентифицированы с помощью микроскопических методов.

Бактерии, археи и грибки относятся к микроорганизмам, вызывающим коррозию. Большинство опубликованных исследований посвящено бактериям. Сульфатредуцирующие бактерии оказывают наибольшее влияние на коррозию внутри бактерий, поскольку сульфат широко распространен в бескислородных условиях. В суровых условиях, таких как водоемы, где температура может быть достаточно высокой, численность археев становится значительной. Органические кислоты производятся бактериями и грибами, которые могут разрушать углеродную сталь. Было замечено, что эти кислоты разъедают другие металлы, такие как сплавы магния и цинк.

Бактерии

Бактерии - это одноклеточные микроскопические организмы без настоящего ядра, являющиеся важнейшими микроорганизмами, участвующими в микробиологической коррозии. Обычно они обнаруживаются в почве, воде, воздухе и пище, а также на коже. В процессе коррозии участвуют несколько микробов. Микроорганизмы, принадлежащие к группе сульфатредуцирующих бактерий, включают Desulfovibrionales, Desulfobacterales и т.д. Общие сульфатредуцирующие бактерии включают роды Desulfovibrionales, Desulfosporosinus, Desulfotomaculum, Syntropobacterales, Desulfosporomusa и Desulfobacterales. К железоокислительным бактериям, вызывающим коррозию, относятся Gallionella, Sphaerotilus, Leptothrix и Crenothrix. Восстанавливающие железо бактерии включают бактерии из родов Pseudomonas и Shewanella.

Сульфатредуцирующие бактерии

Благодаря своему практическому использованию сульфатредуцирующие бактерии являются наиболее изученными бактериями в научной литературе. Валентность элемента серы варьируется от 2 до +6. Сульфатредуцирующая бактерия может использовать дополнительные соединения серы с валентностью более 2 в качестве концевых акцепторов электронов в дополнение к сульфату. Такие бактерии представляют собой тяжелые анаэробы, однако они могут выдерживать кратковременное воздействие кислорода, не развиваясь.

Нитратредуцирующие бактерии

Нитраты иногда закачиваются в нефтегазовом секторе, чтобы стимулировать рост нитратредуцирующих бактерий, одновременно угнетая рост сульфатредуцирующих бактерий, чтобы ограничить восстановление сульфатов и, следовательно, облегчить закисление пласта. С другой стороны, окисление железа с восстановлением нитратов, катализируемое микроорганизмами, более термодинамически выгодно, чем окисление железа с восстановлением сульфатов. На нержавеющей стали AISI 304 коррозия Pseudomonas aeruginosa была уменьшена с помощью нитратов. В результате, чтобы избежать попадания нитратов в трубы, впрыск нитратов должен быть точно дозирован.

Кислотообразующие бактерии

Давно известно, что кислотообразующие бактерии приводят к коррозии в биопленках путем образования органической кислоты, снижающей рН. В сочетании с окислением железа при достаточно низком рН протонная атака термодинамически выгодна. Планктонные клетки могут способствовать коррозии в этой ситуации, генерируя протоны, чтобы поддерживать кислую среду. Органические кислоты значительно коррозионнее, чем сильные кислоты, такие как серная кислота, при том же pH, поскольку они обладают способностью буферизовать протоны.

Бактерии, образующие слизь

В местах с высокой общей концентрацией бактерий были обнаружены разные виды слизеобразующих бактерий, обычно аэробных. Это гетеротрофные бактерии, то есть, они могут получать энергию из органических соединений, таких как спирты, сахар и кислоты. Когда количество этих бактерий достигает критического уровня, они могут вызвать засор или способствовать коррозии, вырабатывая органические кислоты. Эти существа могут жить как в пресной, так и соленой воде, хотя они чаще встречаются в средах с низкой соленостью.

Бактерии, окисляющие железо

Следующее уравнение описывает способность бактерий, окисляющих железо, окислять железо из двухвалентного в трехвалентное состояние и осаждать его в виде покрытия: 4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ + 4CO₂.

В пресной воде этот слой гидроксида вместе с приходящими с ним массами слизи создают клетки концентрации кислорода, которые вызывают коррозию и могут создавать анаэробную среду, но это может произойти и в рассоле. Они аэробны, хотя преуспевают в условиях, когда уровень кислорода составляет менее 0,5 частей на миллион, где они вносят значительный вклад в образование слизи.

Присутствие гипохлорита натрия с бактериями, окисляющими железо в кольцевом биопленочном реакторе может усилить процесс коррозии, что способствовало восстановлению роста бактерий из-за увеличения ассимилируемого органического углерода, вызванного гипохлоритом натрия. На первой стадии он способствует формированию пассивной пленки. На второй стадии рост бактерий, окисляющих железо и увеличение гипохлорита натрия - увеличивали скорость коррозии, причем преимущественным эффектом была биологическая коррозия.

Большинство бактерий, окисляющих железо, используемых в лечении, являются аэробными микробами. Они делятся на четыре основные физиологические категории, такие как ацидофильные (аэробные окислители железа), анаэробные фотосинтетические окислители железа, нейтрофильные (анаэробные окислители железа, нитрат-зависимые) и нейтрофильные (аэробные окислители железа). Судек и т.д. из подводной горы Вайлулуу выделен ряд аэробных гетеротрофных бактерий, окисляющих Fe в микроаэрофильных условиях. Многие из них были связаны с родами Pseudoalteromonas и Pseudomonas, играющих роль в осаждении оксидов железа в этих морских системах. При биокатализе бактерии скорость окисления Fe ²⁺ в сто раз выше, чем в абиотическом процессе. Таким образом, окисляющие железо бактерии ускоряют растворение металла и развитие локализованной коррозии.

Сероокисляющие бактерии

Сероокисляющие бактерии делятся на две категории, хотя они существуют в различных формах: (1) аэробные (бесцветные сульфидные окислители) и (2) анаэробные (цветные сульфидные окислители). Наиболее распространенной сероокислительной бактерией является Thiobacillus. Эта бактерия окисляет серу и сульфид с образованием сульфата и серной кислоты. Чаще их можно найти в резервуарах для хранения и опорах платформ. Они наносят наиболее серьезный вред и обеспечивают сульфатредуцирующие бактерии, которые могут использовать их.

Грибы

Грибы - это эукариотические микроорганизмы, которые можно встретить во всем мире. В литературе по микробиологической коррозии грибы изучены недостаточно. Однако в жарком и влажном климате они могут стать решающим фактором. Грибы связаны с микробиологической коррозией таких металлов как медь, углеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминий. Грибковые биопленки могут поглощать кислород в природной среде, позволяя анаэробным микроорганизмам, таким как сульфатредуцирующие бактерии, процветать под ними. Грибы могут растворять соединения и в результате производить органические кислоты. Эти кислоты могут вызвать коррозию и растрескивание трубопроводов, а также служить источником пищи для других коррозионных микроорганизмов, таких как сульфатредуцирующие бактерии.

Археи

Сульфатредуцирующие археи уменьшают содержание сульфатов в дыхании для производства энергии. В результате cульфатредуцирующие археи, как и cульфатредуцирующие бактерии вызывают коррозию. Сульфатредуцирующие археи и cульфатредуцирующие бактерии в литературе называют сульфатредуцирующими микроорганизмами. Поскольку в современной систематике археи больше не считаются прокариотами, название сульфатредуцирующего прокариота было постепенно исключено.

Микробы, окисляющие металлы

Известно, что микробы, окисляющие металлы, играют определенную роль в микробиологической коррозии. Известно, что окисляющие железо бактерии откладывают гидроксиды железа вне клетки. Это способствует полуреакционному равновесию окисления железа. Кроме того, аэробные железоокислительные бактерии способны создавать локальную среду с нулевым содержанием кислорода для развития сульфатредуцирующих бактерий в биопленке. Было продемонстрировано, что смешанная культура железоокислительных бактерий и сульфатредуцирующих бактерий вызывает более сильную коррозию железа, чем чистый штамм железоокислительных бактерий или штамм сульфатредуцирующих бактерий.

Метаногены

Установлено, что метаногены способствуют коррозии железа в условиях отсутствия кислорода. В ряде исследований они были связаны с точечной коррозией трубопроводов. ​Метаногены часто используют H₂ как донор электронов во время их восстановления CO₂ и дыхание. Каждый из этих микробов занимает место в микробиологической коррозии, и все они обладают одной чертой. Они производят биопленки на поверхности металла.

Биопленки и их влияние

Когда вода контактирует с бетонной поверхностью, она может образовывать биопленку, являющуюся общим термином для биоосаждения. Образование биопленки, согласно микробиологической коррозии, является важнейшим элементом, определяющим деградацию твердой поверхности. В морских экосистемах микроорганизмы колонизируют металлы и образуют биопленки. Атмосфера на грани биопленка / метал резко отличается от основной массы с точки зрения pH, концентрации растворенного кислорода и органических / неорганических бактерий. В результате происходят электрохимические реакции, регулирующие скорость коррозии. Существуют разные биопленки из разных источников. В неких вариантах биопленка появляется всей популяцией микробов, а не одним видом микроорганизма.

Состав биопленки

Вода (75-90%) является основным компонентом биопленки. Другие компоненты таковы:

• Микроорганизмы: бактерии (автотрофные и гетеротрофные), грибы, водоросли, цианобактерии, самые простые.
• Экзополимерные вещества: полисахариды, липополисахариды, гуминовые кислоты, белки, нуклеиновые кислоты, липиды и т.д.
• Материалы как органического, так и неорганического происхождения.

Формирование биопленки

Биопленка образуется, когда бактерии переходят от свободного планктонного образа жизни к статическому сидячему. Органические молекулы начинают собираться на смоченной поверхности химически инертного субстрата практически вскоре после погружения в водную среду. Сначала формируется условная прослойка. Адгезия микроорганизмов вызывается электростатическим контактом и силами Ван-дер-Ваальса, которые являются теми же факторами, которые удерживают систему биопленки вместе. Функциональная адгезия между микробом и субстратом регулирует исходное прикрепление клеток. Это адгезивное вещество прикрепляет микроорганизмы и к почве коллективно на неопределенный срок. Используя химические посредники для привлечения большего количества микроорганизмов, биопленка продолжает расширяться и диверсифицироваться. За более короткий или более длительный промежуток времени больше микроорганизмов собираются и создают основание. Формирование биопленки это циклический процесс (который нельзя остановить). Существует пять основных этапов, участвующих в формировании биопленки.

1. Адгезия клеток к поверхности.
2. Колонизация поверхности клетками.
3. Образование микроколоний клеток.
4. Формирование монослоя.
5. Созревание биопленки с образованием всех ее структур.

Механизм микробиологической коррозии нержавеющей стали

Бескислородная микробиологическая коррозия

Этот механизм также известен как микробиологическая коррозия внеклеточного переноса электронов. Сидящие клетки внутри биопленки используют энергетический металл, такой как элементарное железо в качестве донора электронов в этой технике. Акцептором электронов является некислородный окислитель, такой как сульфат или нитрат. Поскольку необходим биокатализ внутриклеточными ферментами, такой окислитель восстанавливается внутри цитоплазмы клетки. Поскольку металлическая матрица нерастворима, реакции окисления, такие как окисление железа, происходят вне клетки. Для этапа восстановления внеклеточные электроны должны быть доставлены в цитоплазму.

Для переноса электронов через стенки клеток микробный внеклеточный перенос электронов использует сложный процесс переноса электронов. Перед тем как попасть в клетки для участия во внутриклеточной дыхательной цепи переноса электронов, электроны по внеклеточному окислению металлов переносятся с поверхности металла на цитохром на клеточной стенке. Прямой перенос электронов и опосредованный перенос электронов - это два метода переноса электронов между металлической поверхностью и клеточной стенкой во внеклеточном переносе электронов. Сидящие клеточные стенки непосредственно соприкасаются с металлической поверхностью при прямой переноске электронов, или для соединения клеточных стенок с металлической поверхностью или для переноса электронов используются проводящие пилы. В опосредованном переносе электронов водные агенты переноса электронов (электронные челноки) собирают ионы с поверхности металла и транспортируют их на цитохром клеточной стенки.

Метаболит-микробиологическая коррозия

Микробы выделяют едкие метаболиты, вызывающие микробиологическую коррозию. Микробы могут производить органические кислоты, что приводит к образованию кислой среды под биопленкой. Восстановление протонов, в отличие от восстановления сульфатов или нитратов, не требует биокатализ. В результате метаболит-микробиологическая коррозия в большинстве случаев имеет эквивалент абиотической коррозии. Абиотическая коррозия уксусной кислотой идентична метаболит-микробиологической коррозии, вызванной выделяемой биопленкой уксусной кислотой, если кислотность на поверхности металла одинакова как при абиотической, так и при биотической коррозии. Метаболит-микробиологическая коррозия может быть вызвана как грибком, так и бактериями.

Биодеградация-микробиологическая коррозия

Микробы в биоразложении микробиологической коррозии выделяют ферменты, разлагающие органические материалы, такие как пластификаторы и полимеры, что позволяет им получать доступ к крошечным органическим молекулам в качестве питания. Биодеградация полимерной изоляции в электрических системах контролируется этой коррозией. Биодеградация-микробиологическая коррозия может продуцировать анаэробами или аэробами в зависимости от типа бактерий, участвующих в биоразложении.

Микробиологическая коррозия в присутствии кислорода

Микробиологическая коррозия, вызванная металл окисляющими бактериями

Бактерии, окисляющие железо и окисляющие марганец бактерии, являются двумя основными категориями аэробных бактерий, окисляющих металлы. Аэробные железоокисляющие бактерии представляют собой коррозионные бактерии, которые способствуют микробиологической коррозии и обычно обнаруживаются в воде, образующейся на нефтяных месторождениях. Чтобы производить энергию, эти организмы используют кислород в качестве конечного акцептора электронов при дыхании, чтобы катализировать окисление двухвалентного железа в трехвалентное железо. Способность катализировать окисление Mn(II) к Mn(IV) и осаждать диоксид марганца отличает окисляющие металлы бактерии.

Ячейка концентрации кислорода

Аэробные бактерии, продуцирующие слизь, можно обнаружить в разных средах, включая морскую среду обитания. Биопленка, которую образуют эти бактерии на металлических поверхностях, имеет неравномерное распределение. Аэробные бактерии используют дыхание для удаления кислорода из мест под биопленками, что приводит к образованию областей с низкой концентрацией кислорода. В результате эти места становятся анодными по сравнению с местами, богатыми кислородом, что приводит к локализованной кислородной коррозии. Области с менее плотным биопленочным покрытием или без биопленочного покрытия, которые действуют как катодные места для восстановления кислорода посредством потребления электронов, имеют более высокие концентрации кислорода.

Предотвращение и снижение микробиологической коррозии

Защитные покрытия, ингибиторы коррозии, полимеры, анодная и катодная защита, а также устойчивые к коррозии нержавеющие марки и сплавы в настоящее время являются одними из наиболее часто используемых технологий борьбы с коррозией.

Существует ряд методов предотвращения и снижения микробиологической коррозии:

1. Выбор подходящего типа нержавеющей стали:

Различные типы нержавеющей стали имеют разную стойкость к микробиологической коррозии. Для сред с высоким риском микробиологической коррозии рекомендуется использовать нержавеющую сталь с высоким содержанием молибдена (например, AISI 316, AISI 316L или AISI 904L).

2. Поддержка чистоты:

Регулярная чистка и дезинфекция поверхностей из нержавеющей стали поможет предотвратить образование биопленок. Для чистки можно использовать различные методы, такие как механическая чистка, химическая чистка или ультразвуковая чистка.

3. Контроль среды:

Снижение уровня влажности и температуры может помочь замедлить рост микроорганизмов и снизить риск микробиологической коррозии. Также важно контролировать pH среды, поскольку некоторые микроорганизмы преуспевают в кислой или щелочной среде.

4. Использование антимикробных покрытий:

На поверхность нержавеющей стали можно нанести антимикробные покрытия, которые помогут предотвратить рост микроорганизмов. Эти покрытия могут содержать ионы серебра, меди или диоксида титана.

5. Катодная защита:

Катодная защита - это метод, используемый для защиты металлов от коррозии путем подачи на них электрического тока. Этот метод может быть эффективным для защиты нержавеющей стали от микробиологической коррозии в некоторых случаях.

6. Другие методы:

Существуют и другие методы, которые можно использовать для предотвращения и снижения микробиологической коррозии, такие как биоциды, озонирование и ультрафиолетовое облучение.

Важно выбрать метод или комбинацию методов, наиболее подходящих для конкретной ситуации. Важно отметить, что не существует универсального метода предотвращения микробиологической коррозии. Лучший подход будет зависеть от конкретной среды и применения.

Хром вблизи поверхности нержавеющей стали окисляется на воздухе, образуя слой оксида хрома, который защищает железо которое находится ниже от прямого контакта с кислородом в аэробных средах, а также блокирует протоны и микробные метаболиты, способствующие окислению железа. Электроактивные микробы, которые могут непосредственно извлекать электроны из металлических поверхностей, могут разъедать нержавеющую сталь, но микробы, которые используют H₂ для перемещения электронов между Fe⁰ и микробом неэффективны в коррозии высококачественных нержавеющих сталей с высоким содержанием хрома.

Нержавеющая сталь, несмотря на свою сильную коррозионную стойкость, может быть восприимчива к микробиологической коррозии. Согласно результатам многочисленных исследований микроорганизмы способны образовывать биопленки на поверхности некоторых типов нержавеющего металла, образуя ямки и разрушая металл. На поверхности и биопленках также выявлено развитие вторичных метаболитов, что усиливало ухудшение состояния. Поэтому правильно подбирайте марку нержавеющей стали для ваших будущих проектов.

Важно: эта информация предоставляется только для общего ознакомления и не является заменой консультации со специалистом по коррозии.