Elektrokemijska korozija i zaštita od nje

Korozija se odnosi na proces spontanog razaranja površine materijala uslijed interakcije s okolinom. Njezin uzrok je termodinamička nestabilnost kemijskih elemenata prema određenim tvarima. Formalno, polimeri, drvo, keramika, guma su podložni koroziji, ali se pojam "starenje" češće primjenjuje na njih. Najozbiljnije štete uzrokuje hrđanje metala, za zaštitu kojih se razvijaju visokotehnološke protumjere. Ali o tome ćemo kasnije razgovarati. Znanstvenici se razlikuju u kemijskoj i elektrokemijskoj koroziji metala.

Kemijska korozija

To se obično događa kada je izložen metalnoj strukturi suhih plinova, tekućina ili otopina koje ne provode električnu struju. Suština ove vrste korozije je izravna interakcija metala s agresivnim okruženjem. Elementi kemijski korodiraju tijekom toplinske obrade ili kao rezultat dugotrajnog rada na dovoljno visokim temperaturama. To se odnosi na oštrice. plinske turbine, peći za taljenje armature, dijelovi motora s unutarnjim izgaranjem i tako dalje. Zbog toga se na površini stvaraju određeni spojevi: oksidi, nitridi, sulfidi.

Elektrokemijska korozija

To je rezultat kontakta metala s tekućim medijem koji može provoditi električnu struju. Zbog oksidacije, materijal prolazi kroz strukturne promjene koje dovode do stvaranja hrđe (netopljivog proizvoda), ili se metalne čestice prenose u otopinu iona.

Elektrokemijska korozija: Primjeri

Podijeljen je na:

• Atmosferska, koja se javlja kada se na metalnoj površini nalazi film tekućine, u kojem se plinovi sadržani u atmosferi (na primjer, O2, CO2, SO2) mogu otopiti uz stvaranje sustava elektrolita.
• Tekućina koja teče u vodljivom tekućem mediju.
• Tlo koje teče pod utjecajem podzemnih voda.

razlozi

Budući da obično nijedan metal koji se koristi za industrijske potrebe nije savršeno čist i sadrži inkluzije raznih vrsta, elektrokemijska korozija metala nastaje zbog stvaranja velikog broja kratkih spojeva lokalnih galvanskih stanica na površini željeza.

Njihov izgled može se povezati ne samo s prisutnošću različitih (posebno metalnih) nečistoća (kontaktna korozija), već i sa površinskom heterogenošću, defektima. kristalna rešetka mehanička oštećenja i slično.

Mehanizam interakcije

Proces elektrokemijske korozije ovisi o kemijskom sastavu materijala i ekološkim značajkama. Ako je takozvani tehnički metal prekriven mokrim filmom, tada se u svakom od tih galvanskih mikroelemenata, koji se formiraju na površini, odvijaju dvije nezavisne reakcije. Aktivnija komponenta korozivnog para daruje elektrone (na primjer, cink u paru Zn-Fe) i ulazi u tekući medij kao hidratirani ioni (to jest, korodira) slijedećom reakcijom (anodni proces):

M + nH2O = ^{Mz +} * nH2O + ze.

Ovaj dio površine je negativni pol lokalnog elementa u tragovima, gdje se metal otapa elektrokemijski.

Na manje aktivnom dijelu površine, koji je pozitivni pol mikroelementa (željezo u paru Zn-Fe), elektroni su vezani zbog reakcije redukcije (katodni proces) prema shemi:

Ox + ze = Crvena.

Tako, prisutnost oksidirajućih sredstava u vodenom filmu, koji mogu vezati elektrone, omogućuje nastavak anodnog procesa. U skladu s tim, elektrokemijska korozija može se razviti samo ako se istovremeno odvijaju i anodni i katodni procesi. Zbog inhibicije jedne od njih brzina oksidacije se smanjuje.

Proces polarizacije

Oba gore navedena procesa uzrokuju polarizaciju odgovarajućih polova (elektroda) elementa u tragovima. Koje su značajke ovdje? Elektrokemijska korozija metala obično se znatno usporava zbog polarizacije katode. Stoga će biti pojačan pod utjecajem čimbenika koji sprječavaju ovu reakciju i popraćeni su tzv. Depolarizacijom pozitivne elektrode.

U mnogim procesima korozije, katodna depolarizacija se provodi ispuštanjem vodikovih iona ili redukcijom molekula vode i odgovara formulama:

• U kiseloj sredini: 2H ⁺ + 2e = H2.
• U alkalijama: 2H2O + 2e = H2 + 2OH ^- .

Potencijalni raspon

Potencijal koji odgovara tim procesima, ovisno o prirodi agresivnog okoliša, može varirati od -0,83 do 0 V. Za neutralnu vodenu otopinu pri temperaturama blizu standarda, ona je približno -0,41 V. Prema tome, vodikovi ioni, koji se nalaze u vodi i u neutralnim vodenim sustavima, mogu oksidirati samo metale s potencijalom manjim od -0,41 V (smještenim u nizu napona kadmija). S obzirom na činjenicu da su neki elementi zaštićeni oksidnim filmom, broj metala osjetljivih na oksidaciju u neutralnim medijima vodikovim ionima je neznatan.

Ako mokri film sadrži otopljeni kisik zraka, tada je, ovisno o prirodi medija, sposoban vezati elektrone djelovanjem depolarizacije kisika. U ovom slučaju, shema elektrokemijske korozije je sljedeća:

• O2 + 4e + 2H20 = 4OH ^- ili
• O2 + 4e + 4H ⁺ = 2H20.

Potencijali ovih elektrodnih reakcija na temperaturama blizu standardnog raspona su od 0,4 V (alkalni medij) do 1,23 V (kiseli medij). U neutralnim okruženjima, potencijal procesa redukcije kisika u tim uvjetima odgovara vrijednosti od 0,8 V. Dakle, otopljeni kisik može oksidirati metale s potencijalom manjim od 0,8 V (smještenim u nizu napona srebra).

Glavni oksidanti

Vrste elektrokemijske korozije karakterizirane su oksidirajućim elementima od kojih su najvažniji vodikovi ioni i kisik. U isto vrijeme, film koji sadrži otopljeni kisik mnogo je opasniji u smislu korozije od vlage, gdje nema kisika, i koji je u stanju oksidirati metale samo s vodikovim ionima, jer je u drugom slučaju broj vrsta materijala koji mogu korodirati mnogo manji.

Primjerice, u čeliku i željezu, ugljikove nečistoće prisutne su uglavnom u obliku željeznog karbida Fe ₃ C. U ovom slučaju, mehanizam elektrokemijske korozije s depolarizacijom vodika za te metale je sljedeći:

• (-) Fe-2e + nH2O = Fe2 ⁺ · nH2O (može se pojaviti hrđa);
• (+) 2H ⁺ + 2e = H2 (u zakiseljenom mediju);
• (+) 2H20 + 2e = H2 + 2OH ^- (u neutralnom i alkalnom okruženju).

Mehanizam korozije željeza, koji sadrži nečistoće bakra, u slučaju depolarizacije kisika katode opisan je jednadžbama:

• (-) Fe-2e + nH2O = Fe2 ⁺ · nH20;
• (+) 0,502 + H2O + 2e = 2OH ^- (u zakiseljenom mediju);
• (+) 0.5O2 + 2H ⁺ + 2e = H20 (u neutralnom i alkalnom mediju).

Elektrokemijska korozija odvija se različitim brzinama. Ovaj indikator ovisi o:

• potencijalne razlike između polova elementa za tragove galvanizacije;
• sastav i svojstva medija elektrolita (pH, prisutnost inhibitora korozije i stimulansa);
• koncentracija (brzina protoka) oksidirajućeg sredstva;
• temperatura.

Metode zaštite

Elektrokemijska zaštita metala od korozije postiže se na sljedeće načine:

• Stvaranje antikorozijskih legura (legiranje).
• Povećajte čistoću pojedinog metala.
• Nanošenjem na površinu različitih zaštitnih premaza.

Ovi premazi su:

• Nemetalni (boje, lakovi, maziva, caklina).
• Metalne (anodne i katodne prevlake).
• Stvorena posebnom površinskom obradom (pasiviranje željeza u koncentriranoj sumpornoj kiselini ili. T dušična kiselina; željezo, nikal, kobalt, magnezij u alkalnim otopinama; stvaranje oksidnog filma, na primjer, na aluminiju).

Metalni limovi

Najzanimljivija i obećavajuća je elektrokemijska zaštita od korozije druge vrste metala. Po prirodi zaštitnog učinka metalizirani premazi se dijele na anodne i katodne. Osvrnimo se detaljnije na ovu točku.

Anodni premaz je premaz formiran aktivnijim (manje plemenitim) metalom od onog koji je zaštićen. To jest, zaštita se provodi pomoću elementa koji je u rasponu naprezanja od osnovnog materijala (na primjer, cinkovog ili kadmijevog premaza od željeza). U slučaju lokalnog razaranja zaštitnog sloja, manje plemeniti metalni premaz će korodirati. U zoni ogrebotina i pukotina formira se lokalna galvanska ćelija, čija je katoda metal koji se ograđuje, a anoda je obloga koja se oksidira. Integritet takvog zaštitnog filma nije važan. Međutim, što je deblji, što će se elektrokemijska korozija razvijati sporije, korisni učinak će trajati duže.

Katodna se naziva oblaganje metalom velike potencijale, koji u nizu naprezanja stoji iza zaštićenog materijala (na primjer, prskanje nisklegiranih čelika s bakrom, kositrom, niklom, srebrom). Premaz mora biti kontinuiran, jer kada je oštećen, formiraju se lokalne galvanske ćelije u kojima je osnovni metal anoda, a zaštitni sloj je katoda.

Kako zaštititi metal od oksidacije

Elektrokemijska zaštita od korozije podijeljena je u dvije vrste: gazni sloj i katoda. Gazišta su slična anodnom premazu. Veća ploča aktivnije legure je pričvršćena na materijal koji se štiti. Formira se galvanska ćelija, osnovni metal u kojem služi kao katoda, a zaštitnik je anoda (korodira). Obično se za ovu vrstu zaštite koriste legure na bazi cinka, aluminija ili magnezija. Zaštitnik se postupno otapa, pa ga treba povremeno zamijeniti.

Mnogo problema u sektoru komunalnih usluga iu industriji kao cjelini uzrokovano je elektrokemijskom korozijom cjevovoda. U borbi protiv njega najprikladnija je metoda polarizacije katode. Pri tome je metalna konstrukcija, koja je zaštićena od destruktivnih oksidacijskih procesa, povezana s negativnim polom nekog vanjskog istosmjernog izvora (tada postaje katoda, to povećava brzinu evolucije vodika, a brzina korozije se smanjuje), a metal male vrijednosti je pričvršćen na pozitivni pol. ,

Metode elektrokemijske zaštite djelotvorne su u vodljivom mediju (morska voda je izvrstan primjer). Stoga se štitnici često koriste za zaštitu podvodnih dijelova brodova.

Agresivno rukovanje

Ova metoda je učinkovita kada se elektrokemijska korozija željeza odvija u malom volumenu vodljive tekućine. Suočiti se s destruktivnim procesima u ovom slučaju na dva načina:

• Uklanjanje kisika iz tekućine (odzračivanje) kao rezultat pročišćavanja inertnim plinom.
• Uvođenje inhibitora u okoliš - takozvani inhibitori korozije. Na primjer, ako je površina uništena oksidacijom s kisikom, dodajte organska tvar molekule koje sadrže određene aminokiseline (imino, tio - i druge skupine). Dobro se adsorbiraju na metalnu površinu i značajno smanjuju brzinu elektrokemijskih reakcija koje dovode do uništenja površinskog kontaktnog sloja.

zaključak

Naravno, kemijska i elektrokemijska korozija uzrokuje značajna oštećenja kako u industriji tako iu svakodnevnom životu. Ako metal nije korodirao, vijek trajanja mnogih predmeta, dijelova, sklopova, mehanizama bi se značajno povećao. Sada znanstvenici aktivno razvijaju alternativne materijale koji mogu zamijeniti metal, a ne inferiorni u izvedbi, ali je vjerojatno nemoguće u potpunosti odustati od njegove uporabe u kratkom roku. U tom slučaju u prvi plan dolaze napredne metode zaštite metalnih površina od korozije.