Введение к работе
Актуальность темы. Развитие промышленности, воздушного, водного, наземного и подземного транспорта, строительство гидротехнических сооружений привело к использованию громадного количества металлических конструкций, машин и сооружений. Все материалы все время эксплуатации подвергаются коррозии и старению, что наносит огромный ущерб хозяйственной деятельности человека. Основным конструкционным металлическим материалом продолжают оставаться сплавы железа - стали, но существование металлического железа в условиях Земли является термодинамически невероятным и, следовательно, все сплавы железа нуждаются в защите от агрессивного воздействия окружающей среды. Поэтому во всех цивилизационных странах разрабатываются и успешно применяются способы защиты сталей от коррозионного воздействия.
Нефтедобывающая промышленность несет огромные потери, связанные с микробной электрохимической коррозией металлоконструкций.
В нашей стране проблема сокращения потерь металла от коррозии особенно актуальна, что связано с использованием большого металлофонда, в том числе, физически и морально устаревшего оборудования. Например, флот рыбной промышленности России и самолётный парк гражданской авиации в значительной мере устарели. Все чаще в специальной литературе появляются сведения о катастрофах самолетов и авариях на трубопроводах отечественных газовых магистралей по причине коррозии.
Большая доля выведенных из строя металлических материалов связана с жизнедеятельностью бактерий и мицелиальных грибов. Среди бактерий особенно опасны бактерии цикла серы. Они инициируют и стимулируют процессы коррозии и водородного охрупчивания продуктами
лплпгл -» »лтпЛл ТТ'ГЇ* ft Tf ТТ*^т* ттг\гтъ.я-г\ъ ш tjttti trr\~\ »Лт»ТіІїіИч/лТ>0ТТГ1О'* * ТЭО'Э ТТДТЮТПТЛІ
V.DW^1 О IVll/lUlSUJii-lOlYlU., И iiUH llUAm\Jl4t tl^lh I\l/iYlvJ.rillrlLy4SUU.lillvJiVl U\Jj/4,V/iiviuiin
вызывают особый вид разрушения материалов и покрытий -биоповреждения.
Самые большие биоповреждения приходятся на среды с сульфатредуцирующими (иначе: сульфатвосстанавливающими) бактериями -СРБ, или СВБ. Сульфатредуцирующие бактерии - главные участники анаэробной биокоррозии, гетеротрофные микроорганизмы, образующие коррозионноактивные метаболиты (H2S, NH3, СО2, карбоновые кислоты). Они являются также, наряду с другими, основными разрушителями нефти и нефтепродуктов. Бактерии выводят из строя газо- и нефтепроводы, *-тенлообменные тракты двигателей внутреннего сгорания, буровые
установки, оборудование переработки нефти и газа, несущие поверхности, особенно вблизи систем заправки летательных аппаратов.
Микроорганизмы могут влиять на разрушение металла, не только вырабатывая коррозионноактивные метаболиты, но и непосредственно участвуя в электрохимических реакциях на его поверхности.
Считают, что в нефтедобыче 80% коррозионных разрушений происходит при действии сульфатредуцирующих бактерий. Коррозионную деятельность микроорганизмов по масштабам можно сравнить разве только с их геологической деятельностью.
Цель работы. 1. Комплексное изучение влияния N, S и О-содержащих органических соединений, принадлежащих к трем классам: 1) производные антипирина, 2) производные адамантана и 3) циклические производные замещенных гидрохинонов и бензохинонов, на процесс электроосаждения кадмия (потенциал катода, выход по току) из сернокислого электролита, абсорбцию водорода металлами основы и покрытия и качество формирующихся осадков.
2. Исследование влияния органических веществ, встроенных в
электроосадки кадмия, на развитие СРБ при коррозии кадмированной
стали в водно-солевой среде, их бактериальный титр, продукцию
сероводорода бактериальными клетками, изменение окислительно-
восстановительного потенциала и рН среды.
3. Изучение коррозионного воздействия четырех видов дейтеромицетов на
сталь Ст. 3 с кадмиевым покрытием, осажденным из электролита с
органическими добавками.
Экспериментальное определение влияния на скорость коррозии кадмированной стали Ст. 3 изменяющихся параметров коррозионной среды - в результате воздействия встроенных в электроосадок кадмия органических ингибиторов на культуру бактериальных клеток.
Исследование действия органических добавок, встроенных в электроосадок, на наводороживание стали и кадмиевого покрытия в процессе микробиологической коррозии.
Научная новизна. 1. Выяснено действие 18 органических соединений (ОС), принадлежащих к 3 классам, на важнейшие характеристики процесса электроосаждения кадмия из сульфатного электролита - величину катодной поляризации, BTCd на катоде и качество формируемых осадков.
2. Показана эффективность введения в электролит кадмирования органических соединений, как ингибиторов коррозии и наводороживания стали. В процессе электроосаждения молекулы ОС встраиваются в
металлическую матрицу электроосадка кадмия, формирующегося на катоде. В коррозионной среде при разрушении кристаллической решетки поверхностных слоев кадмиевого покрытия в диффузионный слой поступают молекулы ОС, включающиеся в метаболическую цепь СРБ и тормозящие протекание процессов коррозии и абсорбции водорода.
Показана эффективность использования кадмиевого покрытия с включенными в него в процессе электроосаждения ОС, как метода защиты стали Ст.З в условиях СРБ инициированной и мицелиальной коррозии.
Установлено действие 18 ОС, принадлежащих к 3 классам, на важнейшие физико-химические свойства коррозионной среды, содержащей СРБ: Eh, pll, Cms- Установлено влияние строения их молекул на интенсивность изменения этих свойств.
Проведена количественная оценка эффективности ингибирующего действия трех рядов ОС на процесс электрохимической коррозии кадмированной стали в водно-солевой среде.
6 Обнаружено уменьшение водородосодержания кадмированной в присутствии ОС стали, корродирующей в среде, содержащей СРБ и 4 вида мицелиальных грибов.
Практическая значимость работы. Таким образом, в работе найдено положительное решение задачи сохранения металла от коррозионного разрушения и водородного охрупчивания путем электроосаждения защитного кадмиевого покрытия из дешевого, нетоксичного сульфатного электролита с помощью введения в него ОС производных антипиринов, адамантанов и циклических производных замещенных гидрохинонов и бензохинонов, которые позволяют увеличить выход кадмия по току, повысить защитные и декоративные качества покрытия и уменьшить водородное охрупчивание деталей машин и конструкций, что повысит их надежность и долговечность.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
Обнаружение факта, что действие исследованных органических соединений на процесс электроосаждения кадмия из сульфатного электролита при всех исследованных плотностях катодного тока, реализуемых в промышленных ваннах, и всех исследованных концентрациях добавок, определяются составом и строением молекул.
Экспериментально полученный вывод, что наиболее интенсивное действие на электродный потенциал при выделении кадмия на катоде оказывает диметиламинофенилдиантипирилметан, что объяснимо наилучшей способностью его молекул к адсорбции на поверхности металла катода (сталь, кадмий) в процессе электроосаждения,
обеспечивающей наибольшее среди исследуемых ОС включение в растущий электроосадок кадмия.
3. Установление факта, что все исследованные ОС в качестве добавок к
электролиту кадмирования затрудняют протекание катодного процесса и
смещают в более отрицательную область значений электродный потенциал
стали Ст. 3 с кадмиевым покрытием в коррозионных средах,
инокулированных СРБ.
4. Установление факта снижения скорости коррозии в средах,
инокулированных дейтеромицетами или СРБ, стали с кадмиевым
покрытием с включенными в него ОС в процессе электроосаждения.
5. Установление факта, что по агрессивности действия на процессы
коррозии и наводороживания стали с кадмиевым покрытием в присутствии
микромицетов они располагаются в ряд: Aspergillus niger > Penicillium
chrysogenum> Penicillium charlissii > Phialophora fastigiata.
6. Следующий из исследований вывод, что наибольший полезный эффект
оказывают исследованные соединения, будучи встроенными в
электроосадки кадмия из сульфатного электролита, формируемые при
меньшей катодной плотности тока (1 А/дм2), которая фактически и
применяется на отечественных машиностроительных, судостроительных,
авиамоторных и радиотехнических заводах при кадмировании
большинства изделий.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2006» (Москва, 2006), на научно-практической конференции «Компьютерные технологии в образовании и научных исследованиях» (Калининград, 2006), на V международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2007» (Калининград, 2007), на V международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2007. Доклады номинации УМНИК» (Калининград, 2007), на IV международной конференции по химии и химическому образованию «Свиридовские чтения 2008» (Минск, 2008), на IV международной научно-практической конференции «Проблемы управления социально-экономическими процессами регионов» (Калининград, 2008), на конгрессе Европейской ассоциации коррозионистов EUROCORR-2008 (Эдинбург, Шотландия, 2008).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ.
Объем работы. Диссертация содержит 156 страниц машинописного текста и состоит из Введения, четырех глав, Выводов и Приложения. Список цитируемой литературы включает 293 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
