Коррозия металла: какие угрозы несет обычная ржавчина

Бурым налетам, образующимся на металлических изделиях, мы часто не придаем особого значения. Между тем они гораздо опаснее, чем кажется на первый взгляд. Коррозия способна выводить из строя приборы и разрушать целые конструкции, наносить непоправимый вред промышленности и приводить к серьезным авариям. По оценкам экспертов, потери на коррозию могут составлять около 30% от годового производства стали. Что скрывает обычная ржавчина? Откуда она возникает, почему от нее сложно избавиться и какие решения предлагают ученые? На вопросы порталу Наука.рф ответила кандидат химических наук, доцент, заведующая кафедрой «Нанотехнологии и биотехнологии» Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева (НГТУ) Александра Калинина.

— Экономические и экологические последствия из-за коррозии кажутся не новыми. Неужели за все время, что человек использует металл в строительстве или промышленности, не удалось разработать эффективные методы борьбы с ней?

— Соглашусь. Это действительно глобальная проблема, которая затрагивает широкий спектр отраслей: судоходство, нефтеперерабатывающие предприятия, строительство, канализация, системы питьевого водоснабжения, содержание исторических зданий и скульптурных памятников. За время, что ученые всего мира занимаются этим вопросом, удалось найти много способов борьбы, но полностью решить задачу пока не получается. Чтобы понять, почему, давайте для начала разберемся, с чем мы имеем дело.

В зависимости от причин и механизмов протекания, различают три типа коррозии: химическую, электрохимическую и биологически индуцированную (или биокоррозию). Важно учитывать окружающую среду: влага, температура и наличие агрессивных химикатов, таких как кислоты или соли, могут значительно ускорять процесс. Например, морская вода из-за высокого содержания соли считается очень агрессивной средой. Кроме того, металл может разрушаться из-за сухого и жаркого климата, либо умеренных, но резких смен сезонов. По характеру разрушения коррозия может быть равномерной или неравномерной, подповерхностной, точечной, структурно-избирательной. Самая опасная — межкристаллитная, так как ее очень сложно обнаружить. Она характерна для нержавеющей стали, упрочненных алюминиевых сплавов. Такая коррозия распространяется на обширной поверхности, внутри материала, из-за чего металл теряет прочность и пластичность.

Как видите, это многоплановое и многофакторное явление, что и делает коррозию объектом научных исследований на протяжении многих десятилетий. И именно из-за сложности процесса полностью решить проблему до сих пор не удалось.

— Но приостановить этот процесс как-то можно? Какие средства защиты обычно используют?

— Методов много. Если говорить обобщенно, в некоторых случаях поверхность металла покрывают плотной оксидной пленкой в качестве защитного слоя. Этот способ активно применяют в современной технике. Но лучший способ, на мой взгляд — создать такой металл, который бы вообще не корродировал. Для этого разрабатывают особые сплавы: в них добавляют хром, никель, молибден, титан и другие компоненты. Такое введение примесей, чтобы улучшить свойства основного материала, называется легированием. Проблема в том, что технология создания этих сплавов — трудоемкая и дорогостоящая, поэтому применяют ее далеко не везде.

В числе других способов защиты: ингибирование, когда в агрессивную среду вводят соединения, замедляющие коррозионный процесс. Или плакирование — метод защиты металла от коррозии другим, более устойчивым металлом.

— Ваши исследования посвящены биологической коррозии. В чем ее особенности?

— Наверняка многие про нее слышали. Этот тип разрушения связан с влиянием микроорганизмов, например бактерий, а точнее с продуктами их жизнедеятельности — метаболитами. Есть заблуждение, что биокоррозии не существует: якобы уровень бактерий слишком мал, чтобы разрушить что-то в металле. Но это не так. Зачастую мы недооцениваем угрозу от этого вида коррозии.

Такое явление встречается в химической и нефтегазовой отраслях: повреждение металлических емкостей, оборудования и трубопроводов связано с воздействием микроорганизмов и приводит не только к простою оборудования, но и загрязнению окружающей среды. Ликвидация последствий техногенных аварий и катастроф в химической и нефтегазовой промышленности, как правило, экономически более затратная, чем замена поврежденных биокоррозией металлических узлов и техники.

Для борьбы с биокоррозией можно использовать специальные вещества — биоциды (или бактерициды). Это химические реагенты для подавления роста и жизнедеятельности микроорганизмов. Но и здесь все не просто. Эти вещества направлены против конкретных групп бактерий. Однако в реальных условиях они не живут по отдельности, а функционируют в виде микробных консорциумов, где варится множество разных видов. Это огромное сообщество, главная цель которого — выжить. Они умеют образовывать особые защитные биопленки из патогенных бактерий, дрожжей, нитевидных грибов и микроводорослей, благодаря чему устойчивы к противомикробным средствам. Кроме того, им не страшна повышенная температура, давление, изменение кислотности в среде.

— То есть, стандартные защитные покрытия против бактерий бесполезны?

— Да, в большинстве случаев они не будут эффективны. Например, лаки и краски, которые широко используют для борьбы с коррозией металлоконструкций, не справятся с биологической коррозией. Все дело в так называемых бактериях-органотрофах. Эти микроорганизмы используют органические вещества в качестве источника питания, в результате чего они быстро размножаются и тем самым ускоряют процесс биокоррозии. Эта одна из тем, которую мы активно изучаем и проводим по ней исследования на кафедре «Нанотехнологии и биотехнологии» в НГТУ.

— Благодаря этому исследованию вы разработали способ, позволяющий замедлить биокоррозию металлов. Как он работает?

— Мы решили применить в качестве ингибиторов, то есть веществ, тормозящих процесс разрушения, так называемые соли тетразолия. Это водорастворимые соединения, которые используются в качестве индикаторов жизнедеятельности микроорганизмов. Как оказалось, они способны подавлять биокоррозию на начальной стадии процесса. Почему они эффективны? Причин несколько.

Дело в том, что основной метаболит, который выделяют микроорганизмы, разрушающий металл — это пероксид (перекись) водорода. Тетразолий как более сильный акцептор электронов заменяет в катодном коррозионном процессе кислород и пероксид водорода, тем самым не давая коррозии развиваться. Помимо этого, в процессе своего восстановления на поверхности металла он формирует мощный ингибитор длительного действия — формазан. Ну и наконец, тетразолий блокирует дыхательную активность бактерий, в результате чего они не могут производить коррозионно-активный пероксид водорода.

Все эти факторы позволяют остановить биокоррозию на начальном этапе. Уникальность нашего метода в том, что он нацелен против не какого-то конкретного вида бактерий, а сразу многих типов микроорганизмов, не позволяя формироваться микробному сообществу.

— Как удалось прийти к такому решению? Подобные эксперименты раньше не проводились?

— Большинство исследований по этой теме обычно проводят в жидкой среде, моделирующей морскую воду. Информации о связи биопленок бактерий-органотрофов с повреждениями металла мало. Мы — одни из немногих, кто занимается этими вопросами. В наши задачи входит поиск ингибиторов для металлоконструкций в атмосфере: в таких условиях оценить ситуацию с коррозией сложнее, поскольку состав микроорганизмов здесь более разнообразный.

В целом, это направление развивается в НГТУ на кафедре «Нанотехнологии и биотехнологии» с 2000 года. Оно было открыто моими учителями, доктором химических наук, профессором Виктором Карташовым и доктором химических наук, профессором Татьяной Соколовой, с которой в настоящий момент мы продолжаем исследования. Эта тема хорошо легла в тематику научных работ в области биотехнологии, объединив весь научный и практический опыт в химической и биологической науках.

Чтобы найти нужный ингибитор, нам важно было понять, как протекает процесс биологической коррозии под воздействием бактерий-органотрофов. В ходе исследований оценивали, как влияют разные микроорганизмы на типы металлов, а также степень поражения материалов. Мы старались создать естественные условия, меняли разные параметры, в том числе температуру. Результатов по каждому эксперименту приходилось ждать по несколько недель, а иногда и месяцев, чтобы полноценно определить степень поражения. Не стоит забывать, что бактерии — это живые организмы. Хотя они и функционируют по строго регулируемым принципам, однако на процессы их жизнедеятельности часто влияет много факторов, в том числе время года и суток, условия культивирования.

Благодаря этой работе мы выяснили, как образуются метаболиты бактерий, влияющие на формирование коррозии, и что с разрушением металла связан именно пероксид водорода, который выделяли все исследуемые микроорганизмы. Нам удалось доказать эффективность солей тетразолия, влияющих на дыхательную активность бактерий. Все эти механизмы мы смогли изучить, собрать большой массив данных и подтвердить открытые нами закономерности.

— Какие виды бактерий вы исследуете?

— Мы работаем с различными микроорганизмами, выделенными, в частности, из воздуха и почвы промышленных зон городов Дзержинска и Кстово Нижегородской области, где находятся химические и нефтеперерабатывающие предприятия. Так мы можем приблизиться к реальным условиям, против которых ищем пути защиты.

— Возникали ли какие-нибудь трудности в ходе исследования?

— Одна из основных трудностей заключается в том, что для всех биокоррозионных испытаний нужно много времени, чтобы понять, эффективен ингибитор или нет. Эту проблему мы решили. Разработали несколько авторских методик экспресс-теста оценки коррозионной активности микроорганизмов. Такие тесты позволяют не тратить много месяцев на получение результата, а уже спустя несколько суток или даже через несколько часов (при экспресс-оценке по дыхательной активности) оценить в образцах характер коррозионной активности, чтобы смоделировать их поведение.

— Как планируете внедрять новый метод?

— Планов много! Мы надеемся, что в будущем метод удастся внедрить в промышленность. Доказав эффективность в лаборатории, а также в условиях, приближенных к реальным, нам предстоит выйти на промышленный образец. Ведь наука должна работать на промышленность.

Во-вторых, сейчас работаем не только с бактериями, но и с плесенью: здесь тоже большой пласт задач, учитывая, что микроскопические грибы сильно отличаются от бактерий и живут по своим принципам. Ну и, конечно, совместно с материаловедами наша команда планирует создать композитные материалы, которые были бы устойчивы к биологической коррозии.

— Значит, в скором будущем коррозию металла все же сможем победить?

— Не стоит забывать, что мы живем в век интенсивно развивающегося материаловедения. Находя способы защиты от коррозии у одних материалов, ученые-материаловеды разрабатывают новые металлические, неметаллические, композитные материалы, в отношении которых эти способы уже могут быть неэффективны.

Поэтому, наверное, в ближайшем будущем однозначного ответа на этот вопрос ждать не следует. Универсальное средство, способное спасти все виды материалов от любых разрушений, найти вряд ли удастся. Но не нужно отчаиваться. Всегда будут вдохновленные ученые, которые будут разрабатывать все новые и новые эффективные методы борьбы с коррозией, как и у нас, в том числе, в НГТУ.

Беседовала Анна Шиховец