Влияние электроактивированной воды на коррозию металлов
|
Введение
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1. Экологическая проблема загрязнения окружающей природной среды ионами железа 10
1.1.1. Нормирование качества природных вод 11
1.1.2. Качество вод и виды водопользования 14
1.1.3. Структура государственного экологического мониторинга в РФ 20
1.1.4. Установление местоположения створов в пунктах наблюдений 23
1.1.5. Программы наблюдений за качеством воды 27
1.2. Физико-химические основы электрохимической обработки воды 32
1.3. Коррозия металлов как источник загрязнения окружающей
природной среды ионами железа 37
1.4. Биологическая коррозия 39
1.5. Методы защиты от коррозии металла 45
1.6. Электроактивированная вода, как возможный ингибитор коррозии .... 46
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 53
2.1 Подготовка ЭХА воды 53
2.2 Измерение водородного показателя (рН) 55
2.3 Измерение удельной электропроводимости и общей минерализации . . 56
2.4 Определение коррозионной агрессивности методом «Отпечаток» 57
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 60
3.1. Анализ качества поверхностных вод в период половодья 60
3.2. Изучение свойств ЭХА воды 61
3.3. Влияние ЭХА воды на скорость коррозии стали-20 65
3.4. Влияние ЭХА воды на численность микроорганизмов, вызывающих
биологическую коррозию и коррозионные свойства стали-20 69
4. ОХРАНАТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 72
4.1. Охрана труда при работе в учебных лабораториях кафедры химии и экологии 72
4.1.1. Общие положения 72
4.1.2. Требования безопасности перед началом работы 72
4.1.3. Требования безопасности во время работы 73
4.1.4. Требования безопасности по окончании работы 74
4.1.5. Действия персонала при несчастных случаях и пожаре 74
4.2. Охрана труда при работе с химической посудой и приборами из стекла 75
4.2.1. Общие положения 75
4.2.2. Требования безопасности перед началом работы 76
4.2.3. Требования безопасности во время работы 76
4.2.4. Требования безопасности по окончании работы 77
4.2.5. Действия персонала при возникновении аварийной ситуации и при пожаре 78
4.3. Охрана труда при работе с кислотами и щелочами 78
4.3.1. Общие положения 78
4.3.2. Требования безопасности перед началом работы 79
4.3.3. Требования безопасности во время работы 79
4.3.4. Действия персонала в аварийной ситуации 81
4.3.5. Требования безопасности по окончании работы 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 10
1.1. Экологическая проблема загрязнения окружающей природной среды ионами железа 10
1.1.1. Нормирование качества природных вод 11
1.1.2. Качество вод и виды водопользования 14
1.1.3. Структура государственного экологического мониторинга в РФ 20
1.1.4. Установление местоположения створов в пунктах наблюдений 23
1.1.5. Программы наблюдений за качеством воды 27
1.2. Физико-химические основы электрохимической обработки воды 32
1.3. Коррозия металлов как источник загрязнения окружающей
природной среды ионами железа 37
1.4. Биологическая коррозия 39
1.5. Методы защиты от коррозии металла 45
1.6. Электроактивированная вода, как возможный ингибитор коррозии .... 46
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 53
2.1 Подготовка ЭХА воды 53
2.2 Измерение водородного показателя (рН) 55
2.3 Измерение удельной электропроводимости и общей минерализации . . 56
2.4 Определение коррозионной агрессивности методом «Отпечаток» 57
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ 60
3.1. Анализ качества поверхностных вод в период половодья 60
3.2. Изучение свойств ЭХА воды 61
3.3. Влияние ЭХА воды на скорость коррозии стали-20 65
3.4. Влияние ЭХА воды на численность микроорганизмов, вызывающих
биологическую коррозию и коррозионные свойства стали-20 69
4. ОХРАНАТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 72
4.1. Охрана труда при работе в учебных лабораториях кафедры химии и экологии 72
4.1.1. Общие положения 72
4.1.2. Требования безопасности перед началом работы 72
4.1.3. Требования безопасности во время работы 73
4.1.4. Требования безопасности по окончании работы 74
4.1.5. Действия персонала при несчастных случаях и пожаре 74
4.2. Охрана труда при работе с химической посудой и приборами из стекла 75
4.2.1. Общие положения 75
4.2.2. Требования безопасности перед началом работы 76
4.2.3. Требования безопасности во время работы 76
4.2.4. Требования безопасности по окончании работы 77
4.2.5. Действия персонала при возникновении аварийной ситуации и при пожаре 78
4.3. Охрана труда при работе с кислотами и щелочами 78
4.3.1. Общие положения 78
4.3.2. Требования безопасности перед началом работы 79
4.3.3. Требования безопасности во время работы 79
4.3.4. Действия персонала в аварийной ситуации 81
4.3.5. Требования безопасности по окончании работы 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Масштабы коррозии и убытки, причиняемые ею, становятся очевидными, если учесть, что около 10% всего производимого металла безвозвратно теряется вследствие разрушающего действия коррозии.
Химические, физические и биологические загрязнения природной среды приводят к заметной интенсификации коррозионных процессов, поэтому понятия о необходимости и достаточности противокоррозионной защиты должны корректироваться с учетом экологической обстановки.
С другой стороны, коррозионные повреждения часто оказываются причиной крупномасштабных загрязнений окружающей среды. Лидерами здесь являются нефтедобыча, транспорт нефтепродуктов, нефтехимическая и химическая промышленности. Общие убытки, причиняемые народному хозяйству от коррозии металлов, огромны.
Установлено, что повышенные концентрации ионов металлов в пресноводных экосистемах вызывают падение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе. Они снижают темпы роста гидробионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к гибели.
Морские экосистемы также подвергаются антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, Среди химических загрязнений большую роль играют ионы железа, как результат коррозии корпусов морских судов.
Загрязнение окружающей среды ионами металлов является результатом и биологической коррозии металлов, в которой основную роль играют сероводородобразующие бактерии.
Железо - химический элемент не редкий, оно содержится во многих минералах и пород и таким образом в природных водоёмах уровень этого элемента повыше других металлов. Оно может происходить в результате процессов выветривания горных пород, разрушения этих пород и растворением. Образуя разные комплексы с органическими веществами из раствора, железо может быть в коллоидальном, растворённом и в взвешенном состояниях. Нельзя не упомнить про антропогенные источники загрязнения железом. Сточные воды с металлургических, металлообрабатывающих, лакокрасочных и текстильных заводов зашкаливают иногда из-за избытка железа. Количество железа в реках и озерах зависит от химического состава раствора, рН и частично от температуры. Взвешенные формы соединений железа имеют размер более 0,45 мкг. Основные вещества, которые входят в состав этих частиц, являются взвеси с сорбированными соединениями железа, гидрата оксида железа и других железосодержащих минералов. Более малые частицы, то есть коллоидальные формы железа, рассматриваются совместно с растворенными соединениями железа. Железо в растворённом состоянии состоит из ионов, гидроксокомплексов и комплексов. В зависимости от валентности замечено что Fe(II) мигрирует в ионной форме, а Fe(III) в отсутствии разных комплексов остаётся в растворённом состоянии. В балансе соединений железа в водном растворе, очень важно и роль процессов окисления, так химического так и биохимического (железобактерии). Эти бактерии ответственны за переход ионов железа Fe(II) в состояние Fe(III). Соединения трехвалентного железа имеют склонность гидролизоваться и выпадать в осадок Fe(OH)3. Как Fe(II), так и Fe(III) склоны к образованию гидроксокомплексов типа [Fe(OH)3]-, [Fe(OH)2]+, [Fe2(OH)3]3+, [Fe2(OH)2]4+, [Fe(OH)3]+, в зависимости от кислотности раствора. В нормальных условиях в реках и озерах, Fe(III) находятся в связи с разными растворёнными неорганическими и органическими веществами. При рН больше 8, Fe(III)
переходит в Fe(OH)3. Коллоидные формы соединений железа самые малоизучены. [1]
В организме человека железо встречается в виде двух катионов: Fe2+и Fe3+. Оно в основном входит в состав гемоглобина, содержащегося в эритроцитах (80% от количества). Таким образом, общее содержание железа определяется главным образом объёмом крови. Кроме того, в организме существует депонированное (запасное) железо в виде высокомолекулярного железосодержащего белка (ферритина), находящегося в клетках печени и селезёнки. Клеточный фонд железа представляет железо клеточных ферментов дыхания, а в мышцах железо гемоглобина. Обмен железа между плазмой крови и лимфой происходит при помощи транспортного белка (трансферрина). Одна молекула трансферрина связывает 2 атома железа. Основной путь обмена железа таков: железо плазмы железо-эритроцитов- гемолиз-железо плазмы. Обычно среднее содержание железа в организме не превышает 5 г. В случае потерь крови потребность в железе превышает его поступление в организм с пищей. При внутривенных инъекциях железо вводится в виде аскорбата, цитрата или коллоидных комплексов с углеводами, т.е. в виде слабо ионизированных соединений.
Ионы многих металлов, в том числе железа ^е), калия (К), кальция (Са) и магния (Mg), необходимы для здоровья человека. До 10% наших потребностей в этих элементах удовлетворяется за счет минералов, растворенных в питьевой воде. Другие металлы, называемые тяжелыми, образованы более массивными атомами, чем металлы, необходимые для здоровья. Они также могут растворяться в воде в виде ионов. Наиболее важные тяжелые металлы свинец (РЬ), ртуть (Hg) и кадмий (Cd). Ионы этих элементов токсичны даже в малых количествах. Они связываются с белками, из которых состоит живой организм, и приводят к их неправильному функционированию. Отравление тяжелыми металлами может приводит), к очень серьезным последствиям. Сюда относятся повреждения нервной системы, почек, печени, слабоумие и даже смерть. Свинец, ртуть и кадмий материалов, изоляция поверхности металла от агрессивной среды, понижение агрессивности производственной среды, снижение коррозии наложением внешнего тока (электрохимическая защита). Эти методы можно разделить на две группы. Первые два метода обычно реализуются до начала производственной эксплуатации металлоизделия (выбор конструкционных материалов и их сочетаний еще на стадии проектирования и изготовления изделия, нанесение на него гальванических и иных защитных покрытий). Последние два метода, напротив, могут быть осуществлены только в ходе эксплуатации металлоизделия (пропускание тока для достижения защитного потенциала, введение в технологическую среду специальных добавок- ингибиторов) и не связаны с какой-либо предварительной обработкой до начала использования. При применении первых двух методов не могут быть изменены состав сталей и природа защитных покрытий данного металлоизделия при непрерывной его работе в условиях меняющейся агрессивности среды. Вторая группа методов позволяет при необходимости создавать новые режимы защиты, обеспечивающие наименьшую коррозию изделия при изменении условий их эксплуатации. Например, на разных участках трубопровода в зависимости от агрессивности почвы можно поддерживать различные плотности катодного тока или для разных сортов нефти, прокачиваемой через трубы данного состава, использовать разные ингибиторы. [3]
Цель настоящей работы заключается в исследовании влияния электроактивированной воды на коррозию металлов и возможность ее использования в промышленных масштабах в различных отраслях народного хозяйства в качестве более эффективного реагента или реакционной среды.
Для рассмотрения данной проблемы, были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ качества поверхностных вод в период половодья.
2. Освоить метод получения электрохимически активированной (ЭХА) воды.
3. Исследовать физико-химические свойства ЭХА воды.
4. .Изучить влияние ЭХА воды на скорость коррозии стали-20.
5. Изучить возможность применения ЭХА воды как ингибитора биологической коррозии металлов.
Химические, физические и биологические загрязнения природной среды приводят к заметной интенсификации коррозионных процессов, поэтому понятия о необходимости и достаточности противокоррозионной защиты должны корректироваться с учетом экологической обстановки.
С другой стороны, коррозионные повреждения часто оказываются причиной крупномасштабных загрязнений окружающей среды. Лидерами здесь являются нефтедобыча, транспорт нефтепродуктов, нефтехимическая и химическая промышленности. Общие убытки, причиняемые народному хозяйству от коррозии металлов, огромны.
Установлено, что повышенные концентрации ионов металлов в пресноводных экосистемах вызывают падение их устойчивости вследствие нарушения пищевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе. Они снижают темпы роста гидробионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к гибели.
Морские экосистемы также подвергаются антропогенному воздействию посредством химических токсикантов, которые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, Среди химических загрязнений большую роль играют ионы железа, как результат коррозии корпусов морских судов.
Загрязнение окружающей среды ионами металлов является результатом и биологической коррозии металлов, в которой основную роль играют сероводородобразующие бактерии.
Железо - химический элемент не редкий, оно содержится во многих минералах и пород и таким образом в природных водоёмах уровень этого элемента повыше других металлов. Оно может происходить в результате процессов выветривания горных пород, разрушения этих пород и растворением. Образуя разные комплексы с органическими веществами из раствора, железо может быть в коллоидальном, растворённом и в взвешенном состояниях. Нельзя не упомнить про антропогенные источники загрязнения железом. Сточные воды с металлургических, металлообрабатывающих, лакокрасочных и текстильных заводов зашкаливают иногда из-за избытка железа. Количество железа в реках и озерах зависит от химического состава раствора, рН и частично от температуры. Взвешенные формы соединений железа имеют размер более 0,45 мкг. Основные вещества, которые входят в состав этих частиц, являются взвеси с сорбированными соединениями железа, гидрата оксида железа и других железосодержащих минералов. Более малые частицы, то есть коллоидальные формы железа, рассматриваются совместно с растворенными соединениями железа. Железо в растворённом состоянии состоит из ионов, гидроксокомплексов и комплексов. В зависимости от валентности замечено что Fe(II) мигрирует в ионной форме, а Fe(III) в отсутствии разных комплексов остаётся в растворённом состоянии. В балансе соединений железа в водном растворе, очень важно и роль процессов окисления, так химического так и биохимического (железобактерии). Эти бактерии ответственны за переход ионов железа Fe(II) в состояние Fe(III). Соединения трехвалентного железа имеют склонность гидролизоваться и выпадать в осадок Fe(OH)3. Как Fe(II), так и Fe(III) склоны к образованию гидроксокомплексов типа [Fe(OH)3]-, [Fe(OH)2]+, [Fe2(OH)3]3+, [Fe2(OH)2]4+, [Fe(OH)3]+, в зависимости от кислотности раствора. В нормальных условиях в реках и озерах, Fe(III) находятся в связи с разными растворёнными неорганическими и органическими веществами. При рН больше 8, Fe(III)
переходит в Fe(OH)3. Коллоидные формы соединений железа самые малоизучены. [1]
В организме человека железо встречается в виде двух катионов: Fe2+и Fe3+. Оно в основном входит в состав гемоглобина, содержащегося в эритроцитах (80% от количества). Таким образом, общее содержание железа определяется главным образом объёмом крови. Кроме того, в организме существует депонированное (запасное) железо в виде высокомолекулярного железосодержащего белка (ферритина), находящегося в клетках печени и селезёнки. Клеточный фонд железа представляет железо клеточных ферментов дыхания, а в мышцах железо гемоглобина. Обмен железа между плазмой крови и лимфой происходит при помощи транспортного белка (трансферрина). Одна молекула трансферрина связывает 2 атома железа. Основной путь обмена железа таков: железо плазмы железо-эритроцитов- гемолиз-железо плазмы. Обычно среднее содержание железа в организме не превышает 5 г. В случае потерь крови потребность в железе превышает его поступление в организм с пищей. При внутривенных инъекциях железо вводится в виде аскорбата, цитрата или коллоидных комплексов с углеводами, т.е. в виде слабо ионизированных соединений.
Ионы многих металлов, в том числе железа ^е), калия (К), кальция (Са) и магния (Mg), необходимы для здоровья человека. До 10% наших потребностей в этих элементах удовлетворяется за счет минералов, растворенных в питьевой воде. Другие металлы, называемые тяжелыми, образованы более массивными атомами, чем металлы, необходимые для здоровья. Они также могут растворяться в воде в виде ионов. Наиболее важные тяжелые металлы свинец (РЬ), ртуть (Hg) и кадмий (Cd). Ионы этих элементов токсичны даже в малых количествах. Они связываются с белками, из которых состоит живой организм, и приводят к их неправильному функционированию. Отравление тяжелыми металлами может приводит), к очень серьезным последствиям. Сюда относятся повреждения нервной системы, почек, печени, слабоумие и даже смерть. Свинец, ртуть и кадмий материалов, изоляция поверхности металла от агрессивной среды, понижение агрессивности производственной среды, снижение коррозии наложением внешнего тока (электрохимическая защита). Эти методы можно разделить на две группы. Первые два метода обычно реализуются до начала производственной эксплуатации металлоизделия (выбор конструкционных материалов и их сочетаний еще на стадии проектирования и изготовления изделия, нанесение на него гальванических и иных защитных покрытий). Последние два метода, напротив, могут быть осуществлены только в ходе эксплуатации металлоизделия (пропускание тока для достижения защитного потенциала, введение в технологическую среду специальных добавок- ингибиторов) и не связаны с какой-либо предварительной обработкой до начала использования. При применении первых двух методов не могут быть изменены состав сталей и природа защитных покрытий данного металлоизделия при непрерывной его работе в условиях меняющейся агрессивности среды. Вторая группа методов позволяет при необходимости создавать новые режимы защиты, обеспечивающие наименьшую коррозию изделия при изменении условий их эксплуатации. Например, на разных участках трубопровода в зависимости от агрессивности почвы можно поддерживать различные плотности катодного тока или для разных сортов нефти, прокачиваемой через трубы данного состава, использовать разные ингибиторы. [3]
Цель настоящей работы заключается в исследовании влияния электроактивированной воды на коррозию металлов и возможность ее использования в промышленных масштабах в различных отраслях народного хозяйства в качестве более эффективного реагента или реакционной среды.
Для рассмотрения данной проблемы, были поставлены следующие задачи:
1. Провести анализ качества поверхностных вод в период половодья.
2. Освоить метод получения электрохимически активированной (ЭХА) воды.
3. Исследовать физико-химические свойства ЭХА воды.
4. .Изучить влияние ЭХА воды на скорость коррозии стали-20.
5. Изучить возможность применения ЭХА воды как ингибитора биологической коррозии металлов.
В результате проведенных исследований было изучено влияние ЭХА воды на скорость образования коррозии малоуглеродистой Ст-20, и исследована возможность применения ЭХА воды как ингибитора биологической коррозии металлов.
Проведено биотестирование ЭХА растворов на коррозийную агрессивность, в различных разведениях с добавлением сероводородобразующих микроорганизмов. Сравнительный анализ полученных результатов по катодной воде показал, что снижение численности сероводородобразующих бактерий и снижение коррозионных свойств стали находятся в прямой зависимости. Биологическая коррозия, вызванная данной группой микроорганизмов, является актуальной проблемой нефтедобывающих компаний, которые проводят постоянный поиск ингибиторов коррозии. Применение катодной воды, как ингибитора биологической коррозии, несомненно имеет экономическую выгоду (низкая цена раствора по сравнению с химическими ингибиторами) и экологическую безопасность. так как рН раствора через 8 часов восстанавливается до значения водопроводной воды.
Проведено биотестирование ЭХА растворов на коррозийную агрессивность, в различных разведениях с добавлением сероводородобразующих микроорганизмов. Сравнительный анализ полученных результатов по катодной воде показал, что снижение численности сероводородобразующих бактерий и снижение коррозионных свойств стали находятся в прямой зависимости. Биологическая коррозия, вызванная данной группой микроорганизмов, является актуальной проблемой нефтедобывающих компаний, которые проводят постоянный поиск ингибиторов коррозии. Применение катодной воды, как ингибитора биологической коррозии, несомненно имеет экономическую выгоду (низкая цена раствора по сравнению с химическими ингибиторами) и экологическую безопасность. так как рН раствора через 8 часов восстанавливается до значения водопроводной воды.