خوردگی بیولوژیکی، میکروبی یا میکروبیولوژیکی …

چرا به این خوردگی، «بیولوژیکی» گفته می شود؟

اصطلاح “بیولوژیکی” که به این نوع خوردگی اطلاق می‌شود، به موجودات زنده‌ای اشاره دارد که در تعامل با فلزات و آلیاژها سبب خوردگی و تخریب آن‌ها می‌شوند. اما باید توجه داشت که وقتی به عبارات Biologically Induced Corrosion یا Microbiologically Influenced Corrosion مراجعه می‌کنیم، می‌فهمیم میکروارگانیسم‌های زنده در درجۀ اول عوامل ایجاد کنندۀ خوردگی نیستند.

علت ذکر Induced (القا شده) در نام این نوع خوردگی، این است که وجود موجودات زنده در سطح فلز منجر به خوردگی می‌شود. در واقع از طریق واکنش میکروارگانیسم با فلز سرعت خوردگی افزایش می‌یابد.

این میکروارگانیسم‌ها، مواد زائدِ فرایندهای متابولیکی خود را آزاد می‌کنند. در نتیجه تجزیه این مواد زائد ماده‌ای آزاد می‌شود که سبب ایجاد خوردگی به ‌صورت حفره روی سطح فلز می‌شود.

خوردگی میکروبی می تواند با وقوع در صنایع مختلف خسارت های جبران ناپذیری بر تاسیسات به جای بگذارد، از جمله:

• صنایع فرآوری شیمیایی: مخازن، خطوط لوله و اتصالات فلنجی از جنس فولاد زنگ نزن (به‌ویژه در مناطق جوش داده شده)
• صنایع تولید انرژی هسته‌ای: لوله‌کشی و مخازن از جنس فولاد کربنی و فولاد زنگ نزن، لوله‌های آلیاژی از جنس برنج-برنز-آلومینیوم و مس-نیکل
• صنایع نفت و گاز در خشکی و دریا: سیستم‌های آبی، روغنی و گازی؛ به‌ویژه در محیط‌هایی که باکتری‌های احیاکنندۀ سولفات (SRB) وجود دارند.
• خطوط لولۀ زیرزمینی: انواع خاک رس اشباع شده با آب که PH تقریباً خنثی دارند، همراه با مواد آلی در حال پوسیدگی، منابع SRB هستند.
• صنعت تصفیۀ آب: مبدل‌های حرارتی و لوله‌کشی
• صنعت هواپیمایی: مخازن یکپارچه آلومینیومی و مخازن ذخیره سوخت
• صنعت فلزکاری: افزایش سایش ناشی از خرابی روغن‌های ماشین‌کاری و امولسیون‌ها موجب بروز خوردگی میکروبی می‌شود.

خوردگی میکروبی به چه ترتیبی رخ می‌دهد؟

خوردگی میکروبی عمدتاً توسط میکروارگانیسم‌هایی ایجاد می‌شود که سطوحی تحت عنوان بیوفیلم (Biofilm) تشکیل می‌دهند. بیوفیلم‌ها از طریق نیروهای ضعیف بین مولکولی خود را به سطح فلز متصل می‌کنند. این نیروها به نیروهای ون در وال (Van Der Waal Forces) معروف هستند.

میکروفیلم‌ها توسط ماتریسی که ترشح می‌کنند، روی سطح فلز لنگر می‌اندازند. این ماتریس چسبندگی خوبی برای باکتری‌ها ایجاد می‌کند و یک بستر برای جذب باکتری‌های دیگر فراهم می‌کند تا در نهایت حداکثر سطح ممکن اشغال شود.

هنگامی که میکروفیلم ایجاد شد، ممکن است حاوی میلیون‌ها سلول باشد که در بسیاری از لایه‌های سطحی با هم تداخل دارند. در نتیجه، سطح کاملاً توسط لایۀ میکروفیلم محصور خواهد شد. در اغلب موارد، هرگونه تلاش برای برطرف‌کردن این لایه‌ها با آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر سموم شیمیایی بی‌نتیجه است، زیرا این ساختار لایه‌لایه نفوذناپذیر است.

وقتی این ساختار به رشد خود ادامه دهد و به حداقل انرژی ترمودینامیکی و زیستی ممکن برسد، به‌اصطلاح به بلوغ (Matured) می‌رسد. در این حالت، ممکن است بخشی از ساختار جدا شود و به سطح دیگری منتقل شود و آنجا کولونی (Colony) دیگری ایجاد کند.

یکی از دلایلی که خوردگی بیولوژیکی را خطرناک می‌کند، این است که این باکتری‌ها می‌توانند خود را بر روی هر نوع ماده‌ای ثابت کنند. به این نکته هم توجه داشته باشید که از بین‌ بردن کامل آن‌ها غیرممکن است. وقتی سلول‌های کولونی متابولیزه می‌شوند، گازها و مواد زائد آزاد می‌شوند. بسته به میزان اسیدی شدن مواد زائد، حفره‌هایی روی سطح فلز ایجاد می‌شوند. این نوع خوردگی بیشتر در لوله‌ها اتفاق می‌افتد.

چگونه SRB ها یک مخزن فولادی را در یک ماه سوراخ می کنند؟

خوردگی تحت تأثیر میکروارگانیسم‌ها معمولاً توسط ژن‌های خاصی از باکتری‌ها ایجاد می‌شود که از مواد مغذی موجود در آب و خاک تغذیه می‌کنند. آب دریا منبع اصلی باکتری‌های احیاکنندۀ سولفات یا به ‌اختصار SRB است. این باکتری‌ها متداول‌ترین عامل ایجاد خوردگی بیولوژیکی هستند.

پیش ‌از این دیدیم که فعالیت‌های بیولوژیکی-شیمیایی موضعی که تولیدکنندۀ اسید هستند، باعث خوردگی در فلزات می‌شوند. به‌عنوان‌مثال، باکتری‌های اکسید کنندۀ آهن می‌توانند مخزن فولاد زنگ نزن 316 با ضخامت 5 میلی‌متر را در یک ماه سوراخ کنند!

برخی از SRBها سولفید هیدروژن تولید می‌کنند. سولفید هیدروژن باعث ترک‌خوردگی ناشی از تنش سولفیدی (Sulfide Stress Cracking) می‌شود. در کنار SRBها، باکتری‌های اسیدیتیوباسیلوس (Acidithiobacillus) نیز نامی آشنا در خوردگی بیولوژیکی هستند.

این باکتری‌ها اسیدسولفوریک تولید می‌کنند. در صنعت آب و فاضلاب، باکتری های تیواکسیدان (Thiooxidan) اغلب به لوله‌های فاضلاب آسیب‌های جدی وارد می‌کنند.

باکتری‌های فروباسیلوس فرواکسیدان (Ferrobacillus ferrooxidans) به طور مستقیم آهن را به اکسیدها و هیدروکسیدهای آن تبدیل می‌کنند. باکتری‌های دیگری نیز وجود دارند که آمونیاک و اسیدهای مختلفی اعم از آلی و معدنی تولید می‌کنند.

در حضور اکسیژن، باکتری‌های هوازی مانند Acidithiobacillus Thiooxidans ،Thiobacillus Thioparus و Thiobacillus concretivorus که هر سه به طور گسترده در محیط وجود دارند، از عوامل اصلی ایجاد خوردگی بیوژنیک سولفیدی هستند.

در غیاب اکسیژن نیز اغلب باکتری‌های غیرهوازی به ‌ویژه دسولفوویبریو (Desulfovibrio) و دسولفوتوماسولوم (Desulfotomaculum) به فعالیت می پردازند. لایه‌های باکتری غیرهوازی می‌توانند در قسمت‌های داخلی رسوبات خوردگی وجود داشته باشند، در حالی‌ که در قسمت‌های خارجی، باکتری‌های هوازی ساکن هستند.

لازم به ذکر است که برخی از باکتری‌ها قادر به استفاده از هیدروژن تشکیل شده در طی فرایندهای خوردگی کاتدی هستند. کلنی‌ها و رسوبات باکتریایی می‌توانند سلول‌های غلظتی (Concentration Cells) تشکیل دهند و باعث ایجاد یا افزایش خوردگی گالوانیک شوند.

9

دقیــقه مطالعه

خوردگی گالوانیک (خوردگی دوفلزی)

بسیاری از اتصالات مورداستفاده در صنعت در معرض شرایط نامساعد جوی قرار دارند. اگر ...

چگونه خوردگی میکروبی در هواپیما اتفاق می افتد؟

میکروارگانیسم‌هایی که هیدروکربن مصرف می‌کنند، نظیر کلادوسپوریوم رزینا (Cladosporium resinae) و سودوموناس آئروژینوزا (Pseudomonas aeruginosa) و SRBها معمولاً در سوخت جت وجود دارند. آن‌ها در فصل مشترک آب – سوخت و در قطرات آب زندگی می‌کنند.

این باکتری‌ها قطراتی سیاه، قهوه‌ای یا سبز تیره تولید می‌کنند که ژل‌مانند هستند. این قطرات باعث ایجاد خوردگی میکروبی در قسمت‌‌های پلاستیکی و لاستیکی سیستم سوخت رسانی هواپیما می‌شوند و به قطعات فلزی نیز آسیب وارد می‌کنند.

در صنعت ممکن است به دلیل شکل ظاهری، به ‌اشتباه جلبک نیز نامیده شوند. امروزه مواد (Fuel System Icing Inhibitor) FSII که به سوخت اضافه می‌شوند، به‌عنوان بازدارندi رشد برای آن‌ها عمل می‌کنند. به‌طورکلی حدود 250 نوع باکتری وجود دارند که می‌توانند در سوخت جت زندگی کنند، اما کمتر از ده مورد از آن‌ها به واقعاً دردسرساز هستند.

چگونه خوردگی بیولوژیکی صنعت آب و فاضلاب را مورد حمله قرار می دهد؟

سازه‌های شبکۀ فاضلاب به دلیل عملکرد برخی از میکروارگانیسم‌های مرتبط با چرخه گوگرد مستعد تخریب بیولوژیکی هستند. این پدیده ابتدا توسط اولمستد و هملین (Olmstead and Hamlin) در سال 1900 برای یک خط فاضلاب آجری واقع در لس‌آنجلس شرح داده شد. در نتیجۀ پژوهش این دو مشخص شد که دوغاب تعبیه‌شده بین آجرها از هم پاشیده و آهن‌آلات به‌شدت زنگ زده است.

حدود 9 درصد از خسارات شبکه‌های فاضلاب را می‌توان ناشی از عملکرد SRBها دانست. SRBها می‌توانند در لایه‌های نسبتاً ضخیمی از لجن رسوبی و شن و ماسه (به ضخامت نوع 1 میلی‌متر) در پایین لوله‌ها جمع شده و خوردگی بیولوژیکی به وجود بیاورند.

SRBها با استفاده از ترکیبات اکسید شدۀ گوگرد که در پساب‌ها موجود است، به‌عنوان گیرندۀ الکترون رشد می‌کنند و سولفید هیدروژن تولید می‌کنند. این گاز سپس به قسمت بالایی لوله ساطع می‌شود و مستقیماً از طریق واکنش با لوله منجر به کاهش موضعی PH می‌شود.

چگونه می توان خطرات و خسارت های این خوردگی را به حداقل رساند؟

متداول‌ترین روش برای کنترل MIC استفاده از بیوسید است. طی سه دهۀ گذشته، بیوسیدها گزینۀ اصلی برای جلوگیری از تخریب بیولوژیکی بوده‌اند. پیشنهاد اصلی محققین استفاده از بیوسیدهای باند پهن (Broadband Biocides) است که با هدف از بین‌ بردن هر چه بیشتر موجودات زنده به کار می‌رود.

با این ‌حال هیچ تضمینی برای تمیزکاری کامل سطح وجود ندارد و زیست‌ توده (Biomass) حتی در صورتی‌ که غیر فعال شده باشد، می‌تواند از طریق ایجاد ناهمگنی در سطح سبب خوردگی شود.

علاوه بر این، سلول‌های بازمانده می‌توانند زیست‌توده را تکثیر کرده و به ‌سرعت رشد کنند. با این‌ حال روش‌هایی برای پیشگیری از خوردگی میکروبی پیشنهاد می‌شوند که در ادامه مهم‌ترین‌ها را در این میان، ذکر خواهیم کرد.

روش‌های بیولوژیکی

یک ایدۀ اساسی که در ارتباط با روش‌های بازدارندۀ بیولوژیکی وجود دارد، مهار فعالیت باکتری‌های خطرناک با استفاده از میکروارگانیسم‌های غیرخطرناک است. این تصور بر این اساس است که همه باکتری‌ها لزوماً باعث خوردگی نمی‌شوند.

حقیقت این است که برخی از میکروارگانیسم‌ها می‌توانند خوردگی بیولوژیک را مهار کنند یا حتی محصولات خوردگی مانند گوتیت (Goethite) یا لپیدوکروسیت (Lepidocrocite) را به مواد معدنی پایدار مانند ویویانیت (Vivianite) و سیدرایت (Siderite) تبدیل کنند.

پوشش‌دهی

هر پوششی که بستر مستعد خوردگی را از الکترولیت جدا کند، محافظت از خوردگی را ایجاد می‌کند. پوشش‌هایی که برای محافظت از زیرلایه‌های فلزی در برابر تخریب میکروبی مورداستفاده قرار می‌گیرند، معمولاً همان‌هایی هستند که برای ایجاد حفاظت در برابر خوردگی متداول استفاده شده‌اند. پلی‌اورتان‌ها، ترکیبات فلوئوره شده، رزین‌های اپوکسی، پلی‌آمیدها، سیلیکون‌ها، اپوکسی‌های کول‌تار، کلریدهای پلی‌وینیل و فلزات آمورف از مهم‌ترین پوشش‌های بازدارنده هستند.

نکتۀ قابل‌توجه این است که این پوشش‌ها نیز می‌توانند از نظر مکانیکی آسیب ببینند و یا تخریب زیستی شوند. از این ‌رو، نقص‌های ناشی از آن ها می‌توانند به‌سرعت به مکان‌های فعال آندی برای خوردگی موضعی تبدیل شوند و میکروارگانیسم‌ها را جذب کند. بنابراین لازم است از پوشش‌ها نیز محافظت و بازرسی خوبی به عمل آید.

تابش نور فرابنفش

نور فرابنفش می‌تواند میکروارگانیسم‌ها را مهار کرده و از بین ببرد. این نور به ‌عنوان جایگزینی برای بیوسیدها مطرح شده است. با این ‌حال، نور ماورای بنفش فقط بر میکروارگانیسم‌هایی که مستقیماً در معرض نور باشند تأثیر می‌گذارد. به‌عبارت‌دیگر، اگر میکروارگانیسم‌ها در محصولات خوردگی محصور شده باشند، استفاده از اشعۀ ماورای بنفش تأثیر چندانی نخواهد داشت. به علاوه سطوح لوله‌کشی داخلی برای این روش مناسب نیستند.

اگرچه تابش ممکن است سلول‌های زنده را غیرفعال کند، اما سلول‌ها هنوز از روی سطح برداشته نشده‌اند. بنابراین در ماتریس بیوفیلم باقی می‌مانند و از آن‌ها به‌عنوان مواد مغذی برای ارگانیسم‌های بعدی استفاده می‌شود.

التراسونیک

امواج التراسونیک سبب ایجاد حباب‌هایی حفره را در آب می‌شوند که وقتی از هم می‌پاشند، اثرات مخربی برای میکروارگانیسم‌ها دارند. بااین‌حال هنوز هیچ اثری از انرژی فراصوت برای ازبین‌بردن میکروارگانیسم‌ها در محصولات خوردگی اثبات نشده است. بنابراین هنوز استفاده از امواج التراسونیک برای جلوگیری از خوردگی میکروبی در حد یک ایده و چشم‌انداز است.

حفاظت کاتدی (CP)

حفاظت کاتدی یک روش کنترل خوردگی است که می‌تواند به طور مستقل یا در ترکیب با پوشش‌ها برای محافظت از ساختارهای فلزی مدفون و غوطه‌ور شده استفاده شود.

پیشنهاد می‌کنیم:

دوره حفاظت کاتدیک مقدماتی شروع یادگیری

در این روش، با استفاده از یک آند فداشونده یا تحت تاثیر قرار دادن جریان با منبع جریان مستقیم خارجی، خوردگی در ساختار فلزی محدود می شود. پتانسیل محافظتی که معمولاً برای محافظت از آهن دفن شده و غوطه‌ور شده پیشنهاد می‌شود، 0/85 ولت در برابر الکترود مرجع مس – سولفات مس است.

جمع‌بندی

اصطلاح بیولوژیکی به دسته ای از خوردگی اطلاق می شود که در اثر حضور میکروارگانیسم ها و در نتیجه فعالیت های متابولیکی اتفاق می افتد. این میکروارگانیسم ها در واکنش با سطح، میکروفیلم هایی بر روی آن ایجاد می کنند و با تشکیل کولونی، باعث تخریب سطح می شوند. روش های مختلفی جهت مقابله با خسارت های خوردگی بیولوژیکی پیشنهاد شده است که یکی از مهم ترین آن ها استفاده از بیوسیدهاست.  

منابع

Olmstead, W.M., Hamlin, H., 1900. Converting portions of the Los Angeles outfall sewer into a septic tank. Engineering News 44, 317-318.

Schwermer, C. U., G. Lavik, R. M. M. Abed, B. Dunsmore, T. G. Ferdelman, P. Stoodley, A. Gieseke, and D. de Beer. 2008. Impact of nitrate on the structure and function of bacterial biofilm communities in pipelines used for injection of seawater into oil fields. Applied and Environmental Microbiology 74:2841-2851. http://aem.asm.org/cgi/content/abstract/74/9/2841.

Little, B. J., Blackwood, D. J., Hinks, J., Lauro, F. M., Marsili, E., Okamoto, A., … Flemming, H.-C. (2020). Microbially influenced corrosion – any progress? Corrosion Science, 108641. doi:10.1016/j.corsci.2020.108641 (https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108641)

www.corrosionpedia.com

www.corrosionclinic.com