Введение к работе
Актуальность темы
Учтенные потери от биоповреждений составляют 5-7 % стоимости мировой промышленной продукции, и они имеют тенденцию к росту. В связи с этим защита материалов и изделий от биологического повреждения и обрастания актуальна и имеет большое народнохозяйственное значение. Как известно, на незащищенной металлической поверхности в среде нефтепродукта в присутствии даже небольшого количества воды, кроме химической и электрохимической коррозии, развивается биокоррозия. Активному развитию биокоррозии способствуют не только вода, но и компоненты, содержащие азот, серу, кислород. Наряду с углеводородами они используются микрофлорой в качестве питательной среды.
Агрессивное воздействие микрофлоры проявляется в повышении скорости деструкции металла, который в этом случае разрушается в 2-3 раза быстрее, чем при электрохимической коррозии. Этот процесс сопровождается резким ухудшением эксплуатационных показателей металла: снижением прочности, возрастанием внутренних напряжений, увеличением скорости образования микротрещин, ухудшением теплостойкости и других электрофизических показателей. Одним из эффективных методов снижения коррозионных потерь является ингибирование коррозионных сред органическими соединениями.
Гидразиды и гидразоны и их производные чрезвычайно токсичны для живых организмов за счет угнетения различных ферментативных реакций при их попадании в организм. Токсичность отдельных соединений этих рядов является различной, в значительной степени она зависит и от вида организма. В то же время внутри одного вида токсичность практически не зависит от пути введения, что соответствует быстрой всасываемости из мест аппликации.
квантовой химии и молекулярной механики, можно вычислить активность нового соединения (в том числе еще не синтезированного) по полученному для его аналогов корреляционному уравнению, и тем самым облегчить поиск перспективных ингибиторов коррозии и наводороживания стали, обладающих бактерицидным эффектом, не проводя трудоемких экспериментальных исследований.
Диссертационная работа направлена на продление срока службы в коррозионной среде низкоуглеродистой стали путем использования новых ингибиторов коррозии и наводороживания, опасности ее водородного охрупчивания и подавления жизнедеятельности активных участников этих процессов — дейтеромицетов.
\\
3 ъ
Выбор объектов исследования
Рассматривается ингибирование мицелиальной коррозии и иаводороживания углеродистой стали девятью представителями ряда гидразидов и гидразонов, а также подавление ими развития четырех видов дейтеромицетов: Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Penicillium charlissii, Phialophora fastigiata. - активных участников коррозионного процесса. Коррозионной средой служит раствор сусла, специфически поддерживающий развития тела гриба. В качестве металлического материала использовали сталь марки Ст. 3. Выбранные органические соединения ряда гидразидов и гидразонов, содержащие общую группировку -N-N-C(0)-C- и в качестве заместителей донорные метальные и метокси-группы, фенильные радикалы, определяющие адсорбционную способность молекул на поверхности стали и регулирующие их биологическую активность, имеют структурное сродство, что делает возможным нахождение корреляционных зависимостей между строением их молекул, поддержанных специально проведенными расчетами квантово-химических параметров, и экспериментально найденной эффективностью ингибирующего действия на: 1) коррозию стали, 2) наводороживание стали при коррозии, 3) рост мицелиальных грибов -участников коррозионного процесса.
Данные органические соединения были синтезированы в Пермской Государственной Фармацевтической Академии профессором д.х.н. В.И. Панцуркиным и при проведенном там исследовании обнаружили биоцидную активность по отношению к некоторым представителям патогенной микрофлоры. Однако их действие на литотрофные микроорганизмы ранее никем не исследовалась.
Научная направленность
Целью работы является комплексное экспериментальное и квантовохимическое изучение влияния состава и структуры молекул гидразидов и гидразонов на развитие четырех видов дейтеромицетов -наиболее частых участников коррозионных процессов, продуцирование ими некоторых органических кислот, изменение окислительно-восстановительного потенциала и рН коррозионной среды. Экспериментально определяли влияние имеющихся параметров коррозионной среды в результате воздействия микромицетов и органических ингибиторов, введенных в раствор, на скорость коррозии и наводороживание стали, а также развитие микромицетов. Данный подход позволял решать комплекс актуальных и интересных задач, в частности выявить наличие определенного параллелизма в связи между составом молекул органического соединения и эффективностью его влияния на
указанные процессы, что может быть следствием адсорбционной стадии на межфазной границе.
Научная новизна и практическая значимость
При использовании электрохимических, микробиологических, экспериментальных и расчетных методов:
=> Выполнена комплексная оценка действия органических соединений рядов гидразидов и гидразонов как ингибиторов коррозии в среде, содержащей 4 вида микромицетов, известных как активные разрушители промышленных материалов (особенно металлических и полимерных). Показаны зависимости ингибирующего коррозию эффекта указанных соединений от их концентрации в коррозионной среде.
=> Выполнены количественные оценки действия выше указанных соединений как ингибиторов наводороживания металла в среде, содержащей 4 вида микромицетов, продемонстрировано влияние строения исследуемых веществ на эффективность ингибирования н аводороживания.
=> Выяснено действие указанных органических веществ на важнейшие физико-химические параметры - скорость коррозии, рН и редокс потенциал коррозионной системы: 3-4 сусло, содержащее споры каждого из четырех видов микромицетов Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Penicillium charlissii, Phialophora fastigiata.
=> Выяснено влияние исследованных органических соединений на биомассу и концентрацию продуктов метаболизма 4 видов микромицетов в коррозионной среде. Установлена связь строения молекул ОС с их биоцидным действием.
=> Получены концентрационные профили водорода в приповерхностном слое металла после экспозиции в среде содержащей ОС в концентрациях от 0,25... 1 ммоль/л, в присутствии 4 видов микромицетов. Показано уменьшение водородосодержания приповерхностных слоев металла в присутствии всех использованных соединений.
=> Выполнено сопоставление эффективности действия девяти органических соединений рядов гидразидов и гидразонов как ингибиторов: 1) коррозии стали, 2) роста тела микромицета,
3) концентрация продуктов метаболизма дейтеромицетов,
4) наводороживания стали. Установлена связь эффективности
действия ОС со строением их молекул.
Постановка задач исследования
Цели и задачи данного исследования были разделены на шесть групп:
Количественная оценка эффективности ингибирующего действия девяти органических соединений рядов гидразидов и гидразонов на процесс коррозии стали Ст. З в присутствии четырех дейтеромицетов: Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Penicillium charlissii, Phialophora fastigiata.
Количественная оценка эффективности ингибирующего действия органических соединений рядов гидразидов и гидразонов на наводороживание металла при коррозии в среде, содержащей вышеуказанные дейтеромицеты.
Количественная оценка изменений физико-химических характеристик коррозионных сред.
Количественная оценка изменения массы тела дейтеромицетов после экспозиции в зависимости от концентрации введенных органических соединений.
Расчеты квантовохимических параметров экспериментально исследованных органических соединений, с использованием двух типов расчетных методов, с последующей обработкой результатов и их визуализацией.
Сопоставление результатов оценки эффективности ингибирующего действия девяти органических соединений рядов гидразидов и гидразонов на процессы пп.1-4 со строением их молекул. Выводы о специфичности биоцидного действия исследованных органических веществ на дейтеромицеты.
На защиту выносятся следующие положения диссертации.
Установление действия 9 органических добавок на процесс электрохимической коррозии стали Ст. З в среде, поддерживающей развитие дейтеромицетов: Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, Penicillium charlissii, Phialophora fastigiata. Доказано, что микромицеты являются инициаторами процесса коррозии.
Установление факта, что введение в коррозионную среду исследованных ОС значительно снижает скорость коррозии стали, а также минимизирует изменение основных характеристик коррозионного процесса.
Установление значительного уменьшения массы тела микромицетов и содержания продуктов метаболизма в коррозионной среде при использовании исследованных ОС,
вызванное угнетением биологических процессов в клетках гриба.
Введение ОС в коррозионную среду вызывает уменьшение наводороживания приповерхностного слоя стали в процессе коррозии, причем эффективность их ингибируюшсго наводороживание действия зависит от изменения состава и структуры молекул исследованных вещесів.
Расчеты квантовохимических параметров исследованных молекул ОС, проведенные методами: 1) ограниченным Хартри-Фока 2) МПДП, позволившие объяснить установленную зависимость эффективности 1) ингибирующего коррозию стали действия, 2) ингибирования наводороживания стали, а также 3) зависимость биоцидной активности от строения исследованных молекул ОС. Наличие указанных выше зависимостей подтверждено корреляционными зависимостями.
Построение трехмерных моделей исследованных органических соединений в результате выполненных квантовохимических расчетов.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международной конференции EDEM 2007, Польша, 2007; V международная научная конференция «Инновации в науке и образовании -2007», КГТУ, Калининград, 2007; Euromat 2007, Nurnberg,2007.
Публикации.
По материалам диссертационной работы в отечественных и зарубежных изданиях опубликовано 4 печатные работы.
Объем работы.
Диссертация содержит 131 страницу машинописного текста, включая 80 рисунков, 13 таблиц, состоит из Введения, четырех глав, Выводов и Приложения. Список цитируемой литературы включает 225 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
