خوردگی یون کلرید و راه حل ها

مواد فلزی به طور گسترده در امکانات و تجهیزات مختلف در بخش های مختلف صنعتی و زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال ، خوردگی فلزی همیشه یک عامل اصلی بر زندگی و ایمنی خدمات آنها بوده است. از جمله عوامل زیادی که باعث خوردگی فلز می شوند ، خوردگی یون کلرید به ویژه برجسته است و یک چالش جدی برای تولید صنعتی و نگهداری زیرساخت ها ایجاد می کند.

یونهای کلرید به طور گسترده در آب دریا ، خاک ، فاضلاب صنعتی و برخی از محیط های خاص تولید شیمیایی خاص وجود دارد. اثرات خورنده آنها بر روی مواد فلزی نه تنها به ساختارهای فلزی آسیب می رساند بلکه می تواند منجر به تصادفات ایمنی و ضررهای اقتصادی قابل توجهی شود. بنابراین ، درک عمیق از مکانیسم ها ، عوامل تأثیرگذار و اقدامات محافظتی مؤثر برای خوردگی یون کلرید برای اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار امکانات مختلف بسیار مهم است.

یونهای کلرید (CL⁻) نقش بسیار فعال در فرآیند خوردگی دارند. برای فلزات رایج مانند فولاد ، واکنش خوردگی به طور معمول با اکسیداسیون آندی بر روی سطح فلز شروع می شود. در منطقه آندی ، اتم های آهن (آهن) الکترون ها را از دست می دهند تا یون های آهنی (fe²⁺) را تشکیل دهند ، که وارد محلول می شوند و واکنش Fe - 2 e⁻ → fe²⁺ را تشکیل می دهند. در منطقه کاتد ، به دلیل وجود اکسیژن محلول در محلول ، یک واکنش کاهش اکسیژن رخ می دهد: O₂ + 2 h₂o+ 4 E⁻ → 4OH⁻. وقتی یونهای کلرید در محلول حضور دارند ، اوضاع پیچیده تر می شود.

یونهای کلرید شعاع کوچکی ، فعالیت بالا و قدرت نافذ قوی دارند. آنها می توانند فیلم منفعل شکل شده بر روی سطح فلز را نابود کنند ، که به طور معمول از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند. یونهای کلرید بر روی سطح فیلم منفعل جاذب می شوند و مجتمع های محلول با یون های فلزی را تشکیل می دهند. این امر باعث انحلال موضعی فیلم منفعل ، در معرض سطح فلز تازه و تسریع در روند انحلال آندی می شود. به عنوان مثال ، در فولاد ضد زنگ ، کروم (CR) یک فیلم منفعل متراکم Cr₂o₃ را روی سطح تشکیل می دهد و از تماس فلز با محیط خارجی جلوگیری می کند.

با این حال ، هنگامی که یون های کلرید وجود دارند ، آنها یک [CRCL₆] ³⁻ را با CR³⁺ تشکیل می دهند ، فیلم منفعل را از بین می برند و باعث ایجاد پدیده های خوردگی موضعی مانند خوردگی در فولاد ضد زنگ می شوند. از منظر میکروسکوپی ، وجود یونهای کلرید تعادل الکتروشیمیایی بر روی سطح فلز را تغییر می دهد و واکنش خوردگی را تسریع می کند. این مکانیسم واکنش شیمیایی اصلی خوردگی یون کلرید است.

(i) گودال: "بمب نامرئی" روی سطح فلز

گودال ، که به عنوان خوردگی منافذ نیز شناخته می شود ، یک نوع معمول و پنهان از خوردگی یون کلرید است. در محلول حاوی یون های کلرید ، یونهای کلرید ترجیحاً به دلیل نقص در فیلم منفعل یا سایر عوامل ، فیلم منفعل را در مناطق محلی برخی از سطح فلز نابود می کنند. هنگامی که فیلم منفعل به صورت محلی از بین برود ، یک آند کوچک شکل می گیرد ، در حالی که منطقه فیلم منفعل بزرگتر و بزرگتر و دست نخورده تبدیل به کاتد می شود و یک میکروب پاتری خوردگی را تشکیل می دهد.

از آنجا که ناحیه آند بسیار کوچکتر از ناحیه کاتد است ، چگالی جریان آندی بسیار زیاد است و باعث می شود خوردگی به سرعت در اعماق این ناحیه ریز نفوذ کند و منافذ کوچک را تشکیل می دهد. تشخیص این منافذ ممکن است در ابتدا دشوار باشد ، اما با گذشت زمان ، آنها به تدریج عمیق تر و گسترش می یابند و در نهایت به فلز نفوذ می کنند و به طور جدی بر قدرت ساختار فلزی تأثیر می گذارند. به عنوان مثال ، بدنه کشتی در یک محیط دریایی در معرض تماس طولانی مدت با آب دریا قرار می گیرد ، جایی که غلظت بالای یونهای کلرید می تواند به راحتی باعث خوردگی گودال شود. پس از بروز خوردگی ، می تواند در مناطق ناچیز درون بدنه رشد کند. با کشف آن ، ممکن است در حال حاضر تهدیدی برای ناوبری ایمن کشتی باشد.

(ب) خوردگی Crevice: "راننده فرسایش" پنهان

خوردگی CREVICE به طور معمول در اتصالات فلزی به فلز یا فلز به غیر متلاشی مانند آنهایی که در واشر ، پیچ ها و پرچ ها یافت می شود ، رخ می دهد. هنگامی که یک محلول حاوی یون های کلرید وارد این شکاف ها می شود ، پر کردن اکسیژن به دلیل محدود شدن جریان محلول در شکاف ها دشوار است و یک سلول غلظت اکسیژن تشکیل می دهد. مناطق کمبود اکسیژن موجود در شکاف ها به عنوان آنگاه عمل می کنند و باعث انحلال فلز می شوند ، در حالی که مناطق غنی از اکسیژن در خارج از شکاف ها به عنوان کاتدها عمل می کنند.

در عین حال ، یون های کلرید در شکاف ها جمع می شوند و روند خوردگی را بیشتر تسریع می کنند. خوردگی CREVICE با خوردگی متمرکز در داخل و اطراف شکاف ها مشخص می شود. با جمع شدن محصولات خوردگی ، محیط رسانه در شکاف ها به طور فزاینده ای خصمانه می شود و سرعت خوردگی را تسریع می کند. اگر اتصالات فلنج برخی از تجهیزات صنعتی ضعیف باشد ، مایعات فرآیند حاوی یون های کلرید می توانند به راحتی وارد شکاف ها شوند و باعث خوردگی شکاف و منجر به نشت تجهیزات می شوند.

(iii) ترک خوردگی استرس: فروپاشی فلزی تحت "حملات داخلی و خارجی"

ترک خوردگی استرس ناشی از اثرات ترکیبی خوردگی یون کلرید و استرس کششی است. تحت استرس کششی ، ساختار کریستالی داخلی فلز تحریف می شود ، چگالی جابجایی را افزایش می دهد و وضعیت انرژی سطح فلز را بالا می برد و آن را در معرض خوردگی بیشتر می کند. هنگامی که یونهای کلرید در محیط وجود دارند ، ترجیحاً بر نقص یا غلظت استرس روی سطح فلز جذب می شوند ، فیلم منفعل را از بین می برند و باعث ایجاد گودال یا خوردگی می شوند.

با پیشرفت خوردگی ، چاله های خوردگی یا نکات ترک در زیر استرس کششی گسترش می یابد و در نهایت منجر به شکستگی ناگهانی فلز می شود. این نوع خوردگی بسیار مخرب است و اغلب بدون هشدار آشکار رخ می دهد. به عنوان مثال ، در صنعت پتروشیمی ، خطوط لوله فشار قوی مستعد ترک خوردگی استرس در صورتی است که واسطه ای که آنها حمل می کنند حاوی یون های کلرید باشد و خطوط لوله در معرض استرس کششی از استرس نصب یا فشار داخلی قرار می گیرند. پس از پارگی خط لوله ، می تواند تصادفات جدی در ایمنی ایجاد کند.

(i) غلظت یون کلرید: "شتاب دهنده" خوردگی

غلظت یون کلرید یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر خوردگی است. به طور کلی ، هرچه غلظت یون کلرید در محلول بالاتر باشد ، سرعت خوردگی فلزی سریعتر است. با افزایش غلظت یون کلرید ، یونهای کلرید بیشتری قادر به مشارکت در از بین بردن فیلم غیرفعال بر روی سطح فلز هستند. علاوه بر این ، در میکروسلهای خوردگی ، غلظت یون کلرید بالا نیروی محرک واکنش انحلال آندی را افزایش می دهد.

به عنوان مثال ، در آب دریا ، میزان یون کلرید تقریباً 19000 میلی گرم در لیتر است ، بسیار بالاتر از آب شیرین. این امر باعث می شود ساختارهای فلزی در محیط های دریایی مستعد ابتلا به خوردگی باشند. تحقیقات نشان داده است که برای فولاد کربن در محلول های یون کلرید ، افزایش غلظت یون کلرید از 100 میلی گرم در لیتر به 1000 میلی گرم در لیتر می تواند میزان خوردگی را به چند برابر افزایش دهد.

در برخی از فرآیندهای صنعتی ، مانند صنایع کلر-آلکالی و کاغذ ، فاضلاب تولید شده در طول تولید حاوی غلظت بالایی از یونهای کلرید است. اگر مستقیماً بدون درمان تخلیه شود ، تهدید جدی خوردگی برای زیرساخت های فلزی اطراف است.

(ب) pH محلول: "تعادل خوردگی" محیط های اسید پایه

pH یک محلول نیز به طور قابل توجهی بر خوردگی یون کلرید تأثیر می گذارد. در یک محیط اسیدی ، غلظت بالای یونهای هیدروژن (H⁺) باعث انحلال آندی فلز می شود و آسیب یون کلرید را به فیلم انفعال تسهیل می کند.

در pH کم ، محصولات خوردگی روی سطح فلز ممکن است به عنوان نمک های محلول وجود داشته باشد و نتوانند یک فیلم محافظ مؤثر ایجاد کنند و در نتیجه روند خوردگی را تسریع می کنند. به عنوان مثال ، در محلول های یون کلرید با pH 4-5 ، میزان خوردگی فولاد به طور قابل توجهی بالاتر از محیط های خنثی است. در محیط های قلیایی ، رسوبات هیدروکسید ممکن است بر روی سطح فلز شکل بگیرد ، که تا حدی مانع از تماس یونهای کلرید با فلز و خوردگی آهسته می شود.

با این حال ، هنگامی که قلیایی خیلی قوی است ، برخی از فلزات مانند آلومینیوم ممکن است خوردگی قلیایی را تجربه کنند. برای بیشتر فلزات موجود در محلول های یون کلرید ، خوردگی یون کلرید در محیط های خنثی تا کمی اسیدی برجسته است.

(iii) دما: "کاتالیزور" واکنشهای شیمیایی

افزایش دما سرعت واکنشهای شیمیایی را تسریع می کند و خوردگی یون کلرید نیز از این قاعده مستثنی نیست. با افزایش دما ، میزان انتشار یون ها در محلول تسریع می کند و باعث تسریع سینتیک واکنش خوردگی بر روی سطح فلز می شود. از یک طرف ، افزایش دما فعالیت اتم های فلزی را افزایش می دهد و باعث می شود آنها بیشتر الکترون ها را از دست بدهند و تحت اکسیداسیون آندی قرار بگیرند. از طرف دیگر ، یون های کلرید همچنین توانایی خود را در آسیب رساندن به فیلم انفعال در دماهای بالا افزایش می دهند.

به عنوان مثال ، در تولید شیمیایی ، تجهیزات مورد استفاده در فرآیندهای درجه حرارت بالا می توانند افزایش قابل توجهی در میزان خوردگی در هنگام قرار گرفتن در معرض رسانه های حاوی یونهای کلرید تجربه کنند. داده های تحقیق نشان می دهد که برای فولاد کربن در محلول های حاوی کلرید آبی ، میزان خوردگی می تواند برای هر 10 درجه افزایش دما 20 ٪ -30 ٪ افزایش یابد.

با این حال ، هنگامی که دما به یک سطح معینی بالا می رود ، ممکن است میزان اکسیژن محلول در محلول کاهش یابد ، که به نوبه خود بر واکنش خوردگی جذب اکسیژن کاتد تأثیر می گذارد و در نتیجه تأثیر پیچیده ای بر میزان خوردگی ایجاد می کند.

(i) انتخاب مواد: ایجاد یک دفاع قوی در منبع

انتخاب مواد مقاوم در برابر کلرید یک اقدام مهم برای جلوگیری از خوردگی است. برای محیط هایی که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی بالا دارند ، می توان از مواد مانند فولاد ضد زنگ و آلیاژهای مبتنی بر نیکل استفاده کرد. انواع مختلف فولاد ضد زنگ مقاومت متفاوتی در برابر خوردگی یون کلرید دارند. به عنوان مثال ، افزودن مولیبدن (MO) به فولاد ضد زنگ 316L مقاومت خود را در برابر خوردگی توسط یونهای کلرید تقویت می کند.

آلیاژهای مبتنی بر نیکل مانند Hastelloy ، به دلیل ویژگی های ترکیب آلیاژ آنها ، مقاومت در برابر خوردگی عالی در محیط های با درجه حرارت بالا ، فشار قوی و بسیار خورنده حاوی یونهای کلرید دارند. در زمینه مهندسی دریایی ، برخی از اجزای ساختاری کلیدی با استفاده از آلیاژهای مبتنی بر نیکل تولید می شوند که به طور موثری در برابر خوردگی آب دریا مقاومت می کنند.

همچنین ، بسته به محیط استفاده خاص ، می توان مواد فلزی را برای اضافه کردن عناصری مانند کروم (CR) ، مولیبدن (MO) و نیتروژن (N) برای بهینه سازی ریزساختار مواد و بهبود مقاومت آن در برابر خوردگی یون کلرید اضافه کرد.

یونهای کلرید در دمای اتاق در یک محیط خنثی نسبت به تیتانیوم بسیار خورنده هستند و فیلم اکسید تشکیل شده بر روی سطح تیتانیوم به طور موثری در برابر حمله یون کلرید مقاومت می کند. تیتانیوم مقاومت در برابر خوردگی عالی در اکثر محیط های حاوی کلرید ، در درجه اول به دلیل مکانیسم های زیر است:

محافظت از فیلم منفعل: تیتانیوم به طور خودجوش یک فیلم اکسید متراکم (TIO₂) در هوا تشکیل می دهد و به طور موثری یون های کلرید را از تماس با بستر مسدود می کند. این ماده به ویژه در گاز کلر مرطوب یا محلول های کلرید خنثی پایدار است.

عدم تحرک شیمیایی: تیتانیوم با یون های کلرید تحت شرایط اسید خنثی و قلیایی تقریباً بی ارتباط است. این تنها تیتانیوم تتراکلرید را در محیط های بسیار واکنشی (مانند دمای بالا و محتوای کم آب) تشکیل می دهد و باعث خوردگی می شود.

(ب) محافظت از پوشش: محافظت از فلزات با "لباس محافظ"

محافظت از پوشش یک روش محافظت از خوردگی به طور گسترده است. پوشش های ارگانیک ، مانند رنگهای رزین اپوکسی و رنگهای پلی اورتان ، یک لایه عایق روی سطح فلز تشکیل می دهند و از تماس مستقیم بین یونهای کلرید و فلز جلوگیری می کنند. ضخامت پوشش ، چسبندگی و یکپارچگی برای محافظت مؤثر بسیار مهم است. در طی فرآیند پوشش ، اطمینان حاصل کنید که سطح فلز تمیز است و پوشش یکنواخت و متراکم است و از نقصی مانند سوراخ ها و حباب ها جلوگیری می کند.

برای برخی از محیط های خورنده سخت ، از پوشش های اسپری حرارتی ، مانند مواردی که روی روی یا آلومینیوم استفاده می شود نیز می توان استفاده کرد. این پوشش ها از محافظت آندی قربانی این فلزات برای محافظت از فلز پایه استفاده می کنند. به عنوان مثال ، در سازه های فولادی سکوهای روغن دریایی ، یک سیستم محافظ کامپوزیت که ترکیب پوشش های آلومینیومی با اسپری حرارتی با پوشش های سیلانت آلی است ، می تواند به طور مؤثر عمر سرویس سازه های فولادی را گسترش دهد.

(iii) استفاده از مهار کننده های خوردگی: "مهار کننده ها" واکنش خوردگی

مهار کننده های خوردگی موادی هستند که به رسانه های خورنده اضافه می شوند تا میزان خوردگی فلزات را کاهش دهند. در محلول های حاوی کلرید ، می توان از برخی از مهار کننده های خوردگی برای مهار خوردگی استفاده کرد. مهار کننده های خوردگی معدنی ، مانند کرومات ها و نیتریت ها ، با تشکیل یک فیلم منفعل بر روی سطح فلز ، از خوردگی جلوگیری می کنند. با این حال ، سمیت آنها استفاده از آنها را محدود می کند.

مهار کننده های خوردگی آلی ، مانند ایمیدازولین ها و آمین ها ، بر روی سطوح فلزی جاذب می شوند ، توزیع بار و انرژی فعال سازی واکنش خوردگی را تغییر می دهند و از این طریق روند خوردگی را مهار می کنند. انتخاب و غلظت مهار کننده های خوردگی باید بر اساس محیط خورنده خاص و مواد فلزی خاص بهینه سازی شود تا به حفاظت بهینه برسد. در برخی از سیستم های آب خنک کننده در گردش صنعتی ، اضافه کردن مقدار مناسب مهار کننده خوردگی می تواند خوردگی یون کلرید را بر روی لوله ها و تجهیزات کنترل کند.

در آینده ، با توسعه مداوم زمینه هایی مانند علوم مواد و مهندسی سطح ، ما معتقدیم که فن آوری ها و روش های پیشرفته تری برای محافظت از خوردگی یون کلرید استفاده می شود ، و بیشتر عمر خدمات فلزی را در محیط های خورنده پیچیده گسترش می دهد.