خوردگی میکروبیولوژی و نحوه کنترل آن

مقدمه

میکروارگانیزمها در همه جای طبیعت یافت می شوند. آنها در هوا، آب و خاک پراکنده اند و نقش مهم و حیاتی در تندرستی انسانها و جانوران دارند. بسیاری از میکروارگانیزمها سودمند هستند، در حالی که برخی دیگر بیماری زا می باشند.

فعالیت و زندگی میکروبی بر فرآیند بسیاری از صنایع موثر می باشند. برای مثال، باکتری زوگلوئل در لجن فعال شده و در تصفیه خانه های پساب، سودرسانند. آنها لجن (لرد) پلی ساکاریدها را می سازند که به دیگر باکتریها یاری گوارش مواد آلی را می دهد وگرنه این مواد آلی وارد جریان آب دریافت کننده پساب شده و باعث آلودگی می گردند. برعکس، میکروارگانیزمهایی هستند که در آب دستگاه خنک کن وجود دارند که می توانند اثرات بدی بر بازده بهره برداری از طریق خوردگی و رسوبدهی ایجاد نمایند. در این بخش مشکلات ناشی از میکروارگانیزمها در مورد خوردگی آهن مورد بحث قرار خواهند گرفت. و از آنجا که آب برجهای خنک کن شرایط مناسبی برای رشد این موجودات می باشند دردسرها و اشکالات ناشی از آنها و روشهای به کار رفته جهت کنترل آنها نیز بیان خواهد شد.

میکروارگانیزمهای آب خنک کن

میکروارگانیزمها از دو راه وارد دستگاه خنک کن می شوند. آنها یا از طریق آبرسانی (آب ورودی) به برج و یا از طریق هوائی که از میان برج خنک کن می گذرد وارد سیستم می شوند.

جلبکها، باکتریها و قارچها سه میکروارگانیزم مهم می باشند که در آب برجهای خنک کن یافت می شوند. اطلاعات کلی درباره این میکروارگانیزمها و خصوصیات هریک از آنها و اثرات نامطلوب آنها در دستگاه های خنک کن را به شرح زیر به آگاهی می رسانیم:

جلبکها

برای رشد جلبک سه نیاز اصلی وجود دارد: هوا، آب و آفتاب. حذف هر کدام از این سه نیاز مانع رشد جلبک می شوند. سکوی پخش و دیواره های جانبی برج خنک کن هر سه نیاز را دارا بوده و محیط مناسبی برای رشد فراهم می سازد. جدول 1 برخی از دسته های کلی جلبک های یافت شده در برج خنک کن، دما و PH لازم برای رشد آنها را نشان می دهد. جلبکها اکسیژن ساز هستند که می توانند واکنش خوردگی را غیرقطبی نموده و خوردگی دستگاه را تسریع نمایند. جلبکهای سبز- آبی مانند نوستوک و آنابااِنا قادرند ازت هوا را استخراج نموده و به ترکیبات دیگر تبدیل نمایند. ضمناً تثبیت ازت توسط جلبکها سبب تجزیه سریع بازدارنده های پایه نیتریت می شود. دیاتومه ها سبب انباشتگی سیلیس شناخته شده اند، زیرا دیواره یاخته آغشته به سیلیس پلیمری شده، اُپالین است (اُپالین سنگی نرمتر و سبکتر از دُرکوهی می باشد.).

جدول 1- شرایط رشد جلبک و انواع گونه های آن

شرایط رشد		مثال	گروه جلبک
PH	ْf دما
9/8 – 5/5	95 – 86	(تک یاخته ای) Chlorella (رشته ای) Ulothix (رشته ای) Spirogyra	سبز
9/8 – 5/6	104 – 95	(تک یاخته لردساز) Amacystis (رشته ای) Phomidium (رشته ای) Osillatoria	سبز- آبی دارای ماده رنگی آبی
9/8 – 5/5	96 – 64	(در رشته های دراز و نازک) Flagilaria (بهم پیچیده) Cyclotella (بیشتر به شکل راست گوشه و نوار) Diatorma	دیاتومه ها (دارای ماده رنگی) قهوه ای و سیلیسم در دیواره یاخته

 

قارچها

غالباً قارچها را در دسته بندی گیاهان غیرفتوسنتزیک قرار می دهند. تاکنون تقریباً 80000 نوع قارچ شناخته شده است که از شماره جلبکها که 25000- 18000 می باشد، بیشتر هستند.

قارچهای خمیرمایه ای باعث بدرنگ شدن آب و چوب می شوند. جدول 2 خلاصه برخی از مشخصه های مهم زندگی قارچها را نشان می دهد. در جدول مذکور می تواند دید که PH و دمای لازم برای رشد آنها در بیشتر دستگاه های خنک کن وجود دارد.

قارچها کلروفیل ندارند، بنابراین از راه فتوسنتز خوراک نمی سازند و سوخت و ساز آنها از دیگر مواد آلی تامین می گردد. این موضوع بیشتر در برج خنک کن اهمیت دارد، زیرا تقریباً ده درصد قارچها توانایی آن را دارند که از چوب به عنوان منبع غذائی استفاده نمایند و بنابراین می توانند چوبهای برج خنک کن را نابود کنند.

جدول 2 – شرایط رشد قارچ و انواع گونه های آن

مشکلاتی که ایجاد می کند	شرایط رشد		ویژگیها	مانند	نوع قارچ
	PH	ْf دما
پوسیدگی سطحی چوب و لرد باکتری مانند	8-2 بهترین6-5	100- 32	سیاه، آبی، خرمائی رنگ، سبز، زرد، سفید، خاکستری قهوه ای، خرمائی  قهوه ای، صورتی	Aspergillos   Penecilium         Fusarinm   Alternaria	کپک رشته ای
لرد باکتری مانند بدرنگ شدن آب و چوب	2-8 بهترین6-5	100- 32	رشد چرمی یا لاستیکی وار معمولاً دارای ماده رنگی	Torula   Saccharomces	خمیرمایه مانند
پوسیدگی درونی چوب	8-2 بهترین6-5	100-32	سفید یا قهوه ای	Poria lenzites	Basisdiomy Cetes

 

باکتریها

در دستگاه خنک کن گونه های بسیاری از باکتریها یافت می شوند. به طور کلی آنها از نظر شکل ظاهری، دما، اکسیژن مورد نیاز و خوراک لازم به صورت زیر دسته بندی می شوند:

- شکل ظاهری

1- کوکوس (کره ای منحنی شکل)

2- باسیل (میله ای شکل)

3- اسپی ریلوم (مارپیچ شکل)

4- کوما (خمیده ای شکل)

- دمای لازم

1- سایکروفیلیک (سرمادوست Cْ25 – 0)

2- مزوفیلیک (دوستار دمای متوسط Cْ45- Cْ20)

3- ترموفیلیک (گرمادوست Cْ70- Cْ45)

- اکسیژن لازم

1- باکتریهای هوازی: برای زندگی هوا لازم دارند.

2- باکتریهای دلبخواه: بهم با هوا، هم بدون هوا می توانند زندگی کنند، هر چند در هوا میزان رشد آن افزایش می یابد.

3- باکتریهای بی تفاوت: می توانند با هوا و یا بدون هوا زندگی کنند، ولی در نبود هوا بیشتر رشد می کنند.

4- باکتریهای بی هوازی: باید محیط بدون هوا باشد تا بتوانند زندگی کنند.

- خوراک لازم

1- باکتریهای خوراک خودکار: انرژی لازم را از اکسید شدن مواد کانی به دست می آورند.

2- باکتری های خوراک گوناگون: انرژی لازم را از ماده خام کانی و آلی به دست می آورند.

3- باکتریهای خوراک انگلی: انگلهایی هستند که خوراک خود را از مواد آلی زنده به دست می آورند.

4- باکتریهای مرده خوار: زندگی آنها بستگی به مواد مرده و پوسیده دارد.

بخشی از مهمترین باکتریهایی که در دستگاه خنک کن یافت می شوند در جدول 3 دیده می شود. این جدول همه چیز را در برندارد، ولی مثالهای جمعیت آنها و ویژگیها و اشکالاتی را که در دستگاه خنک کن باعث می شوند، نشان می دهد.

جدول 3- شرایط رشد باکتریها و انواع گونه های آن

مشکلاتی که ایجاد می کنند	شرایط رشد		نمونه	نوع باکتری
	PH	ْF دما
لرد باکتری زیادی درست می شود.	8-4 بهترین4/7	104-68	Aerobacter Aerogenes Flavobacteriom Proteus Vulgais Psudomonas Aeroginosa Serratia Alcaligenes	هوازی غلاف دار
لرد باکتری (برطرف کردن سپور درست شده دشوار است)	8-5	104-68	Bacillus Mycoides Bacillus Subtilis	هوازی سپورساز
گوگرد یا سولفور به جوهر گوگرد اکسید می شود	6-6/0	104-68	Tiobacillus Thio o xdans	هوازی گوگردی
زیرلرد هوازی رشد می کنند هیدروژن سولفوره می سازند و باعث خوردگی می شوند.	8-4	104-68	Desulfuricoms	بی هوازی احیاء کننده سولفات
ته نشین هیدرات فریک مانند غلافی گرداگرد یاخته را می پوشاند. لرد پرحجم می سازد.	9/5-4/7	104-68	Crenotrix Leptotrix Gallionella	آهن

 

* معمولاً همه این باکتریها در دمای حدود Fْ104-68 رشد می کنند و در بعضی شرایط برخی از گونه ها در دمای Fْ158-40 رشد می نمایند.

به طور کلی رشد میکروارگانیزمها بستگی به شرایط فیزیکی (درجه حرارت، PH، نور آفتاب، فشار و...) و مواد غذائی (آب، CO₂، نیتروژن، فسفر و...) دارد.

غالباً رشد میکروارگانیزمها با افزایش درجه حرارت زیاد می شود. در محیط های مختلف میکرو و یا ماکروارگانیزمها قادرند شرایط زندگی خودشان را با درجه حرارت آب وفق دهند. مطلوب ترین درجه حرارت برای بیشتر میکروارگانیزمها بالاتر از Cْ10 می باشد و برای ارگانیزمهای آب و خاک Cْ35-Cْ25 مطلوبترین درجه حرارت است.

PH آب تاثیر عمده ای بر رشد میکروارگانیزمها ندارد. برای باکتریهای SRB بهترین شرایط PH برابر 7 می باشد. البته باید توضیح داد که تاثیرات میکروب کشها با تنظیم PH بسیار بهبود می باشد.

رشد و انباشتگی پیوسته میکروارگانیزمها در آب دستگاه خنک کن سبب مشکلات عدیده ای می شود. در تاسیساتی که نتوان در آب رشد میکروبی را کنترل کرد، اغلب با دشواری های خوردگی و ته نشینی روبرو می شویم. مشکل دیگری که هجوم میکروبی را باعث می شود پوسیدگی چوبهای برج خنک کن است. این کار نه تنها از بازدهی بهره برداری می کاهد، بلکه سبب افزایش بهای بهره برداری کارخانه نیز می شود.

میکروارگانیزمهای فراوانی در آب خنک کن یافت می شوند که در سوخت و ساز خود هیدروژن به کار می برند و اغلب نتیجه آن غیرقطبی شدن واکنش کاتدی خوردگی است. آزاد شدن هیدروژن از سطح فلز باعث فراهم آمدن وسیله ادامه واکنش خوردگی می گردد. آزاد شدن اکسیژن به وسیله جلبکها به عنوان بخشی از سوخت و ساز آنها سبب غیرقطبی شدن واکنش کاتدی شده و لذا خوردگی تسریع می شود.

به طور کلی فرآیند متابولیکی موجودات زنده میکروسکپی به طریق زیر می تواند بر رفتار خوردگی موثر باشند.

الف: تاثیرات سوء مواد شیمیایی ایجاد شده (اسید سولفوریک، سولفیدهای آلی و معدنی و اسیدهای آلی و سایر ترکیبات خورنده دیگر).

ب: تشکیل سلهای الکتروشیمیائی و ایجاد خوردگی موضعی با ایجاد تغییرات در مقدار اکسیژن، غلظت نمکها، PH، مقدار گوگرد و سایر پارامترهای دیگر.

ج: غیرقطبی نمودن کاتدی که در نتیجه رشد باکتریهای بی هوازی صورت می پذیرد.

د: حذف و تقلیل کاهش دهندگان خوردگی (نظیر اکسیداسیون نیتریتها و یا آمینها).

اصولاً باکتریها به دلیل مکانیزم متفاوتی که از خود بروز می دهند به گروه های مختلفی تقسیم بندی می شوند که در زیر به طور خلاصه به ذکر مهمترین آنها و مشکلاتی که ایجاد می نمایند، می پردازیم.

باکتریهای اکسید کننده آهن

این باکتریها معمولاً در آبهای شیرین و گهگاه در آبهای شور یافت می شوند. این باکتریها هوازی بوده و قادرند در محیطی که مقدار اکسیژن آن ppm 5/0 می باشد رشد کنند. آنها توده های لجن با حجم زیاد تولید می کنند.

باکتریهای آهن مانند کرینوتریکس، لیپوتریکس، گالیونلا، نمکهای محلول آهن را برای رشد خود مصرف می کنند و به عنوان فرآورده های فرعی سوخت و ساز، خود ترکیبات نامحلول آهن را مطابق واکنش زیر ته نشین می کنند.

آنها انرژی زیاد تولید می کنند و نهایتاً مقدار زیادی هیدرواکسید فریک ایجاد شده سبب ته نشینی پرحجمی می شود که باعث گرفتگی، خوردگی آبله گونه و کاهش انتقال حرارت می گردند. غالباً آنها در لوله های چاه و یا در آبهای آهن دار یافت می شوند. اگر آب برج خنک کن از این منابع تأمین گردد، آنها وارد دستگاه خنک کن شده و مشکلات زیادی را ایجاد می نمایند.

باکتریهای ایجاد کننده لرد

این باکتریها هتروتروف می باشند، یعنی آنها انرژی لازم را از منابع آلی نظیر الکلها و اسیدهای آلی تامین می کنند. معروف ترین این باکتریها عبارتند از: سودوموناس، اِنتروباکتریاس، میکروکوکوس، و باسیلاس.

نوع سودوموناس، هیدروکربنها را به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار می دهد. مشکلاتی که آنها ایجاد می کنند عبارتند از: ایجاد سل الکتروشیمیائی، گرفتگی لوله ها و پمپها، گرفتگی چاههای تزریق و استخراج نفت و گرفتگی فیلترهای شنی.

این باکتریها قادرند در آب شور زندگی کنند. یک نوع از این باکتریها صرفاً در سیستم های هوازی می توانند رشد کنند، در حالی که بعضی از آنها در سیستم های غیرهوازی نیز می توانند رشد و تکثیر نمایند، یعنی فاکولتاتیو هستند.

در زیر توده حجیمی که باکتریهای ایجاد کننده لرد تولید می نمایند، میکروبهای هوازی به دلیل نرسیدن اکسیژن قادر به ادامه حیات نبوده و نهایتاً تجزیه می شوند. این میکروبها منبع غذایی خوبی برای باکتریهای بی هوازی احیاء کننده سولفات می باشند.

اگر یون کلر و باکتریهای اکسیدکننده آهن نظیر گالین سِلا تواماً در سیستم وجود داشته باشد محیط اسیدی شدیدی که همانا کلرور فریک FeCl₃ می باشد ایجاد می شود که غالباً خوردگی فلز را تسریع می نماید.

باکتریهای کیسه دار شده هوازی اِروباکتر لردساز هستند. باکتریهایی مانند باسیلوسابتیلیس و دیگر ارگانیزمهایی که اسپور درست می نمایند در مقایسه با باکتریهای هوازی غلاف دار (کیسه دار) مقدار کمتری لرد می سازند.

رشد باکتریهای غلاف دار سبب ایجاد لرد بسیار چسبنده به ویژه در سطوحی که انتقال گرما در آنها صورت می پذیرد شده و مواد معلق موجود در آب مانند گل، شن، ماسه، خاک و محصولات خوردگی در شبکه با لرد بهم پیوسته و لردهای حجیم تری را می سازند. آزمایشهای انجام شده نشان می دهند که وزن مواد آلی میکروبی بخش کوچکی از توده ته نشین شده پرحجم (لرد) می باشد. البته باید توجه داشت که قریب 90 درصد حجم لرد را مواد میکروبی تشکیل می دهد.

باکتریهای ایجاد کننده اسید

دو نوع مهم باکتریهای ایجاد کننده اسید عبارتند از: باکتریهای گوگرد هوازی که قادرند گوگرد سولفورها و یا سولفات ها را به جوهر گوگرد (اسید سولفوریک) اکسید نمایند و نوع دیگر آن باکتریهایی هستند که قادرند اسیدهای آلی ایجاد نمایند.

الف: باکتریهای ایجاد کننده اسید سولفوریک

باکتریهای تیوباسیلوس شامل یک گروه از باکتریهای هوازی اتوتروف می باشد، هرچند یک نمونه از آن غیرهوازی فاکیولتاتیو است. این باکتریها قادرند با جذب O₂­ و اکسید نمودن سولفور، هیدروژن سولفید و یا سایر ترکیبات سولفور را مطابق واکنش زیر به اسید سولفوریک تبدیل نمایند.

2H₂S + 2O₂ à H₂S₂O₃ + H₂O

O₂ + H₂O à 2Na₂SO₂ + H₂SO₂ + S 2Na₂S₂O₃ +

O₂ + H₂O à H₂SO₄ S +

این نوع باکتریها قادرند در PH های بسیار پائین (6/0=PH) به زندگی خود ادامه دهند.

آنها می توانند اسید سولفوریک با غلظت %12-10 به طور موضعی بر روی سطح ایجاد کنند. باکتریهای تی.فرواکسیدان می توانند سنگ معدن پیریت (FeS₂) را مطابق واکنش زیر به اسید سولفوریک تبدیل نمایند.

2FeS₂ + 7O₂ à 2H₂O à 2 FeSO₄ + 2H₂SO₄

به طور کلی باکتریهای تیوباسیلوس، میکروارگانیزمهایی هستند که در خاک به وفور یافت می شوند. خوردگی بسیاری از لوله های مدفون در زیر زمین توسط این باکتریها گزارش شده است. یکی از راههای حفاظت لوله های مدفون در زمین، استفاده از آهک در اطراف لوله می باشد. این عمل نه تنها به خنثی نمودن اسید ایجاد شده کمک می کند، بلکه از رشد این نوع باکتریها نیز می کاهد.

ب: خوردگی ناشی از ایجاد اسیدهای آلی

در اثر فرآیند متابولیسم بسیاری از باکتریهای غیرهوازی دلبخواه اسیدهای آلی نظیر اسید لاکتیک ایجاد می شود. به غیر از باکتریهای فوق الذکر مقداری از قارچها در اثر سوخت و ساز خود اسیدهای آلی نظیر اسید استیک و اسید فرمیک ایجاد می نمایند. این اسیدها در حضور و یا در عدم حضور اکسیژن تأثیرات سوئی بر خوردگی فلزات و مواد می گذارند. برای مثال تجهیزات الکترونیکی در انبارها در شرایط درجه حرارت و رطوبت بالا که توسط این قارچها تولید می شود در معرض خوردگی قرار می گیرند.

جدول 4 شدت خوردگی آهن نرم که توسط اسیدهای آلی در زیر توده ای میکروارگانیزم به ضخامت mm5 ایجاد می شود را نشان می دهد.

جدول شماره 4: شدت خوردگی آهن نرم توسط اسیدهای آلی در زیر توده ای میکروارگانیزم به ضخامت mm5

اسید	(mdd) تقلیل وزن	(mm/yr) سرعت خوردگی حفره ای
فرمیک استیک پروپیونیک بوتیریک سیتریک لاکتیک	730 140 130 100 225 190	2 8/0 7/0 6/0 2/1 1

 

باکتریهای احیاء کننده سولفات

از مهمترین باکتریهای درگیر با خوردگی بیولوژیکی باکتریهای احیاء کننده سولفات (SRB) می باشند. این باکتریها در غالب محیطهای خاکی و آبی به طور فراوان یافت می گردند. به طور کلی باکتریهای احیاء کننده سولفات به باکتریهایی اطلاق می شود که قادرند سولفات های غیرآلی را به سولفید احیاء نمایند. این باکتریها از نوع کاملاً بی هوازی هستند و در محیط هایی که فاقد اکسیژن می باشند قادر به رشد و تکثیر هستند. البته دو گونه باکتریهای هوازی و غیرهوازی دیگری نیز وجود دارند که قادرند ترکیبات آلی سولفوردار را به سولفید احیاء نمایندو

از مهمترین باکتریهای احیاء کننده سولفات (معدنی) باکتری دی سولفووی کانز، دی سولفوویبرو از خانواده کلاستی ایدیوم می باشند. این نوع باکتریها قادر هستند با مصرف هیدروژن و بعضی مواد آلی دیگر در محیط و احیاء یونهای سولفات به یون سولفید انرژی لازم برای رشد و نمو خود را به دست آورند. یون سولفید ایجاد شده اثرات بسیار مخربی بر خوردگی فولاد دارد. حضور این گونه باکتریها با ایجاد ته نشینی سولفور آهن مشخص می شود. ترکیبات سولفیدی ایجاد شده توسط این باکتریها که بر روی سطوح راسب می شوند، نسبت به فولاد در وضعیت کاتدی قرار گرفته و نهایتاً خوردگی فولاد را تسریع می نمایند.

بعضی از باکتریهای بی هوازی نظیر دی سولفوتوماکولوم و دی سولفوویبرو که هر کدام از آنها نیز دارای انواع مختلفی می باشند قادر هستند از مواد آلی از قبیل پیراوت کولین و لاکتات تغذیه نموده و بر روی آنها رشد کنند، حتی در مواقعی که هیچگونه یون سولفات در محیط وجود نداشته باشد. در این حالت نقش اصلی باکتریهای احیاء کننده سولفات گرفتن الکترون از مواد آلی و غیرآلی موجود در محیط (اکسید نمودن آنها) و تحویل آن به سولفات به عنوان یک گیرنده نهایی الکترونها (احیاء آنها) می باشد. مکانیزمهای مختلفی برای خوردگی باکتریهای احیاء کننده سولفات پیشنهاد شده است که از مهمترین آنها مکانیزم دی پلاریزاسیون کاتدی و تشکیل زوج گالوانیکی سولفید آهن با آهن می باشد. در مکانیزم دی پلاریزاسیون کاتدی در خوردگی آهن نظر بر این است که یک فیلم هیدروژن روی سطح فلز را می گیرد وسطح آن را پلاریزه می کند. باکتریهای SRB با برداشتن هیدروژن کاتدی از طریق آنزیم هیدروژنه ای که از خود ترشح می کنند قادر هستند آن را جهت احیاء یونهای سولفات به مصرف رسانیده و بدین ترتیب ناحیه کاتدی را دی پلاریزه کنند که این امر سبب افزایش در خوردگی فلز می شود. برای مثال در خوردگی فولاد، واکنشهای انجام شده به صورت زیر گزارش گردیده است:

واکنش آندی             1) 4Fe à 4Fe⁺² + 8e^-

تجزیه آب                2) 8H₂O à 8H⁺ + 8OH^-

واکنش کاتدی           3) 8H⁺ + 8e^- à 8H⁰

دی پلاریزاسیون کاتدی        4) SO₄^-2 + 8H                      à S^-2 + 4H₂O

محصول خوردگی                                                       5) Fe⁺² + S ^-2 à FeS

محصول خوردگی                                    6) 3Fe⁺² + 6 OH^- à 3Fe(OH)₂

واکنش نهایی             7) 4Fe + SO₄^-2 + 4H₂O à 3Fe(OH)₂ + FeS + 2OH^-

اگر باکتریهای احیاء کننده سولفات وجود نداشته باشد، واکنشها تا معادله سوم بیشتر انجام نمی شود. یون سولفید تولید شده به شدت بر واکنش های کاتدی و آندی تأثیر می گذارد.

مکانیزم دیگری را که بعضی از محققان ارائه نموده اند تشکیل زوج گالوانیکی آهن با سولفید آهن می باشد. در این مکانیزم فیلم سولفید آهن تشکیل شده توسط باکتری احیاء کننده سولفات خود به صورت جاذب هیدروژن کاتدی عمل می نماید. در این حالت فیلم سولفید آن به عنوان کاتد عمل نموده و با فولاد تشکیل یک زوج گالوانیکی را می دهد و عمل دی پلاریزاسیون کاتدی که توسط باکتریهای احیاء کننده سولفات صورت می گیرد بر روی این لایه سولفیدی انجام می پذیرد و از این طریق خوردگی فولاد افزایش می یابد. شکل شماره 1 تصویری از این واکنش ها را نشان می دهد.

***************

شکل شماره 1:

الف: تصویری از تئوری و مکانیزم دی پلاریزاسیون کاتدی

ب: مکانیزم تشکیل زوج گالوانیکی آهن با سولفید توسط باکتری احیاء کننده سولفات

سولفید تشکیل شده بر روی سطح سبب خوردگی فلز می شود. شدت خوردگی عمقی غالباً زیاد نمی باشد و بستگی به رشد و فعالیت میکروب دارد. شدت خوردگی در حد mm/year2-1 می باشد، هرچند در بعضی از حالت ها ممکن است تا mm/year6 نیز برسد. شدت خوردگی به مقدار یون فلزات موجود در سیستم بستگی داشته و در محیطی که مقدار آهن دو ظرفیتی بالا باشد سولفید موجود در محلول می تواند به صورت سولفید جامد رسوب نماید.

تاکنون ترکیبات مختلفی از سولفید آهن شناخته شده است. سولفیدهای مختلف خوردگی های متفاوتی را ارائه می دهند. جدول 5 شدت خوردگی سولفیدهای مختلف را نشان می دهد. همچنان که در جدول مشخص شده است با افزایش مقدار سولفور شدت خوردگی افزایش یافته و نهایتاً سولفید از نوع پیریت FeS₂ بیشترین میزان خوردگی را اعمال می نماید.

جدول شماره 5: شدت خوردگی سولفیدهای مختلف

نوع سولفید آهن	درصد سولفور	میزان خوردگی آهن در واحد وزن سولفید
Pyrites Smythite Greigite Mackinawite Pyrhotite	46 44 44 37 37	1 3/0 2/0 12/0 07/0

 

سایر باکتریها

باکتریهای ازت خوار در واکنش های برگشتی (دوسوئی) گوناگونی شرکت می نمایند. آنها ممکن است آمونیاک درست کنند و یا نیتریت ها (کاهش دهندگان خوردگی)، را اکسید نمایند.

NH₄⁺ + OH^- + 1/2O₂ à 5H⁺ + NO^-₂ + 4e^-

NO^-₂ + 1/2O₂ à NO^-₃

نوع دیگری از باکتریهای رشته ای وجود دارند که به همان گونه که باکتریهای آهن خوار آهن را انباشته می کنند، آنها روغن و هیدروکربن ها را تجزیه و انباشته می نمایند. دگرگونی این مواد به فرآورده های فرعی زیان آور مانند HCL , H₂S , CO₂ می انجامد:

2CH₃CH₂COONa + MgSO₄ à 2CH₃COONa + CO₂ + MgCO₃ + H₂S + H₂O

در دستگاه خنک کن که آب تازه (آب شیرین) برای خنک کردن به کار می برند، در جعبه آب کندانسور ممکن است موجودات دیگر آبی مانند کرمها، کنه ها، حلزون ها جمع شوند و سبب گرفتگی شوند. البته در دستگاه های خنک کن که آب شور به کار می برند، جعبه آب ممکن است از موجودات دریائی نظیر صدف، ستاره دریائی و غیره انباشته شود که راندمان دستگاه را تقلیل می دهند. در زمان توقف دستگاه، فساد و تجزیه موجودات آلی سبب ایجاد اسیدهای آلی می شود که خوردگی دستگاه را تسریع می کند. در این موارد ضروری است در زمانی که واحد از مدار خارج می باشد، دستگاه آب خنک کن با آب شیرین شستشو داده شود تا ضمن خارج نمودن کثافات و موجودات آبزی، سطوح داخل لوله های کندانسور نیز با آب شیرین شستشو داده شوند که سبب خوردگی توسط نمکهای راسب آب دریا نشوند.

حد مجاز میکروارگانیزمها برای سیستمهای مختلف

حد مجاز میکروارگانیزمها برای سیستم های مختلف از نقطه نظر تعداد و نوع آن متفاوت است. دستورالعمل های مختلف تعداد آنها را متفاوت ذکر نموده اند. برای مثال تعداد باکتریها برای آب ورودی به برج خنک کن نباید از cell/ml 400 افزایش یابد. و برای سیستم خنک کن بسته باید کمتر از cell/ml10000 و آب برج تر باز نباید از cell/ml100000 افزایش یابد.

در دستورالعمل های دیگر حد مجاز تعداد باکتریها برای برج تر به صورت زیر گزارش شده است:

Cell/ml                <10⁺⁴                   باکتریهای ایجادکننده لرد

                             0                           باکتریهای احیاء کننده سولفات

Cell/ml                < 500000            کل باکتریها

                             0                           قارچها

البته بعضی از دستورالعمل ها تعداد قارچها را تا حد cell/ml1000 مجاز دانسته و بیش از آن را خطرناک می دانند. در صنایع نفت برای سیستم های ذخیره سازی و حمل و نقل مواد نفتی، تعداد باکتریها بستگی به سایر شرایط سیستم دارد؛ یعنی مقدار سولفات، PH، غلظت اکسیژن و همچنین مقدار کربن آلی موجود در فاز آب مخازن نفت. غالباً چنانچه مقدار سولفات و TOC ناچیز باشد خطر باکتریهای احیاء کننده سولفات کم می باشد. PH مناسب برای رشد SRB بین 5/9-6 است و غلظت اکسیژن محلول برای رشد SRB مهم می باشد. غلظت بالای اکسیژن محلول بدین مفهوم نمی باشدکه SRB در زیر رسوبات موجود نیست. ضمناً عدم وجود سولفید نیز مهم است.

تقسیم بندی میزان خورندگی آب موجود در سوخت توسط باکتریهای احیاء کننده سولفات به صورت زیر گزارش شده است:

محیط دارای خورندگی کم                10³ cell/ml                   تعداد باکتریهای احیاء کننده سولفات

                                                10 – 15 ppm                مقدار سولفید

محیط دارای خوردندگی متوسط          >10³- 10⁵ cell/ml          تعداد باکتریهای احیاء کننده سولفات

                                                > 155 ppm                   مقدار سولفید

محیط با خورندگی زیاد                    >10⁵ cell/ml                 تعداد باکتریهای احیاء کننده سولفات

                                                >100 ppm                    مقدار سولفید

*  منظور از Cell، سلول باکتری می باشد.

بایستی دقت نمود در حالتی که محیط بسیار خورنده می باشد روش درمان شیمیائی به تنهایی مفید نیست. بهتر است سیستم از مدار خارج و شستشوی فیزیکی انجام گیرد. ضمناً باید توجه نمود در محیط هایی که هوا آلوده است انتقال و ورود باکتری از طریق هوا بسیار زیاد می باشد. در این حالت باید سعی شود تا مخازن سوخت آب بندی گردیده به نحوی که امکان ورود باکتری از طریق هوا وجود نداشته باشد.

ضمناً در موقع شستشوی شیمیائی باید دقت شود چنانچه مقدار سولفید از ppm100 در فاز آب بیشتر باشد خطر خوردگی در موقع شستشو بسیار بالا می باشد. حضور بیش از 10⁵ تا 10⁶ عدد باکتری احیاء کننده سولفات در هر گرم خاک نشاندهنده خورندگی بیش از حد خاک است. البته خورندگی میکروبی در خاک بستگی زیاد به شرایط خاک دارد. برای مثال مقدار آب موجود در خاک، PH آن، مقدار نمکها، مقاومت خاک، میزان نفوذ هوا در خاک، و پتانسیل بین فلز و خاک و نهایتاً تعداد باکتریها در میزان خورندگی مهم می باشد.

اصولاً چنانچه مقاومت خاک بیشتر از .cm  2000 و R.P بیشتر از mv400 باشد خورندگی خاک ناچیز می باشد.

شدت خورندگی خاک بر اساس جدول زیر گزارش شده است:

میزان خوردگی                                    R.P

خوردگی زیاد                                         mv 100 <

متوسط                                                mv 200-100

کم                                                      mv    400-200

خوردگی ناچیز                                       mv  400 >

 

پتانسیل مذکور بر اساس الکترود مبنای  Copper / Copper Sulphate می باشد. چنانچه میزان آب موجود در خاک از 20 درصد تجاوز نمای خورندگی خاک زیاد خواهد بود.

خوردگی بیولوژیکی آلومینیوم

خوردگی تانکهای مخازن سوخت هواپیما در سال 1950 گزارش شده است. بنزین هواپیما در تانکهای ذخیره، با آب آلوده می شود و این مسئله به دلیل تقطیر بخار آب موجود در هوا و یا سایر عوامل دیگر صورت می گیرد و خوردگی در فاز آب / بنزین اتفاق می افتد و نهایتاً خوردگی توسط باکتریهای غیرهوازی که در زیر رسوبات رشد می کند، صورت می گیرد.

میکروارگانیزمهایی که مسبب خوردگی می باشند باکتریهایی از نوع سودوموناس، کلادوس پوریوم و دی سولفوویبرو گزارش شده اند. غالباً مجموعه ای از این میکروارگانیزمها مشکل آفرینند. آنها اسیدهای آلی را تولید می کنند که PH را تا حد 4-3 پایین می آورند. بعضی از آنها نفت و یا فرآورده های آن را به عنوان سوخت و ساز خود به مصرف می رسانند. آنها ممکن است تولید لجن نمایند. باکتری نوع سودوموناس تولید سلهای غلظتی اکسیژن در زیر رسوبات می کند.

برای مقابله با این مشکل، حذف و یا تقلیل مقدار آب موجود در بنزین و یا استفاده از پوششهای مناسب و تمیز نمودن داخل تانکها و استفاده از مواد میکروب کش و مواد افزودنی به سوخت می تواند از این نوع خوردگی جلوگیری نماید. بهتر است تانکهای سوخت از هوا ایزوله شوند تا باکتریها نتوانند از طریق هوا به داخل تانک نفوذ نمایند. در شکل 2 مکانیزم خوردگی آلومینیوم رسم شده است.

*******************

شکل 2- مکانیزم خوردگی آلومینیوم

خوردگی بیولوژیکی مس

اطلاعات کمتری از خوردگی این فلز نسبت به آهن در دسترس می باشد. سمی بودن یونهای مس برای ارگانیزمها بدین مفهوم نیست که آلیاژهای مس در مقابل خوردگی بیولوژیکی مصون می باشند. ارگانیزمهایی که می توانند در مقابل مقادیر بالای مس مقاوم باشند می توانند این تأثیرات سوء را ایجاد کنند. باکتریهای مهمی نظیر تیوباسیلوس و تیواکسیدان می توانند این مشکل را ایجاد کنند. آنها قادرند غلظتهای مس را تا 2 درصد تحمل نمایند.

بیشترین تأثیرات خوردگی بیولوژیکی مس به دلیل ایجاد محصولات خوردگی نظیر NH₃، CO₂ , H₂S و اسیدهای آلی و غیرآلی می باشد که خوردگی این آلیاژ را تسریع می نماید.

پوسیدگی چوب

چوب برج خنک کن از سه راه مورد یورش قرار می گیرد: بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی. یورش بیولوژیکی مستقیماً به وسیله فعالیت میکروارگانیزمها انجام می شود. در بیشتر حالت ها فعالیت میکروارگانیزمها به طور غیرمستقیم باعث یورش شیمیایی می گردد و یورش فیزیکی مستقل از فعالیت میکروبی در برج می باشد که در زیر جزئیات هر کدام از آنها مورد بحث قرار می گیرد.

یورش بیولوژیکی

در آغاز تصور می شد که یورش بیولوژیکی به علت به کار بردن چوب نامناسب می باشد. ارگانیزمهایی که چوب برج خنک کن را در معرض حمله قرار می دهند اصولاً از آن دسته از ارگانیزمها می باشند که از سلولز چوب به عنوان منبع غذائی (کربن) برای رشد و سوخت و ساز خود استفاده می نمایند. این ارگانیزمها با آنزیمهایی که از خودشان ترشح می کنند سبب می گردند که سلولز چوب به ترکیباتی که قابل جذب برای آنها می باشد تبدیل شود. این عمل سبب می گردد که چوب از ماده اولیه خود که همانا سلولز باشد تهی شود که نهایتاً چوب مقاومت مکانیکی (ساختمانی) خود را از دست داده پوک می شود و ظاهر آن نیز سیاه رنگ می گردد. پوسیدگی چوب به وسیله میکروارگانیزمها به دو دسته پوسیدگی سطحی یا پوسیدگی نرم و پوسیدگی درونی تقسیم می گردد.

پوسیدگی سطحی در بخشهای غوطه ور و به وسیله قارچهای نابود کننده سلولز به نام آسکومی سته و گروه قارچ ایمپرفکتی می باشد.

رشته های سلولز چوب با از بین رفتن لینین متصل کننده چوب، قدرت ساختمانی کمی خواهند داشت. یاخته های سطحی چوب شسته و کنده می گردند. هنگامی که هنوز تراست چوب ظاهری پررنگ و ریش ریش دارد، ولی پس از خشک شدن معمولاً ظاهر شکاف خورده ای پیدا می کند.

یورش درونی به دو صورت پوسیدگی سفید یا قهوه ای رخ می دهد، پوسیدگی سفید خراب شدن لینین و پوسیدگی قهوه ای یورش بر رشته های سلولز است. قارچهای گرمادوست مانند گروه باسید یومیست ها در هر دو حالت دیده می شوند. بخشهای غوطه ور نشده برج خنک کن مانند اطاق ورود هوا و بدنه درونی بیشتر مورد پوسیدگی قرار می گیرند.

تشخیص یورش درونی آسان نیست، ممکن است چوب سالم به نظر آید، ولی با جسم تیزی مانند میخ به راحتی می توان در آن نفوذ کرد و یا خراش داد. در آزمایش بخش درونی چوب ریش ریش بوده و دسته دسته جدا می گردد. فرآیند آن به نام ورق ورق شدن شناخته شده است. شکل شماره 3 تصویر یک چوب را که توسط قارچ مورد حمله قرار گرفته است را نشان می دهد.

ضمناً شکل شماره 4 تصویری از نوعی قارچ را در داخل چوب نشان می دهد.

یورش شیمیایی

نخستین اثر یورش شیمیایی بر چوب لینین زدائی آن است. چوب در حضور مواد اکسیدان مانند کلر، برم و اوزون و همچنین قلیائیت بالا، لینین خود را از دست می دهد. مواد اکسید کننده برای جلوگیری از رشد میکروارگانیزمها به آب خنک کن افزوده می شود. میکروبها نیز به طور غیرمستقیم باعث لینین زدائی می شوند، لذا رشته های سلولز از چوب جدا شده و آب آنها را شسته و با خود می برد.

از تزریق کلر آزاد اضافی به مقدار بیش از 2-1 میلی گرم در لیتر در دستگاه خنک کن گردشی باز باید دوری جست، زیرا به آسانی می تواند تخته های ساختمان برج خنک کن را لینین زدائی نماید. برای رفع مشکل در این موارد باید از مواد میکروب کش غیر اکسیدان استفاده شود. لینین زدائی در بخشهای غوطه ور رخ می دهد و ظاهر رشته ای سفید در چوب پدید می آورد. زنگ زدگی آهن برای تخته های برج خنک کن نیز زیان آور است. زیرا نمکهای آهن که از خوردگی بیش از حد به وجود می آیند، می توانند با یاخته های چوب واکنش داده و به تخته ظاهر زغالی (سوخته) دهند، که نهایتاً موجب از دست رفتن پایداری و استحکام می گردد، لازم به ذکر است که پوسیدگی در اثر قلیائیت بالا بدتر و شدیدتر می باشد.

پوسیدگی شیمیایی غالباً در مکانهایی اتفاق می افتد که چوب در تماس دائم با آب است و یا در نقاطی که چوب به طور متناوب خشک و تر می شود و بخارات کلر می توانند به آن نقاط صدمه بزنند، مانند قسمت های ورودی هوا، شکل شماره 5 تصویری از لنین زدائی را در یک چوب نشان می دهد این نوع لنین زدایی ممکن است به خاطر یورش های شیمیایی و یا بیولوژیکی صورت پذیرد.

حملات فیزیکی و سایر عوامل دیگر

یکی از مهمترین فاکتورهای فیزیکی درجه حرارت است. تماس دائم چوب با آبی که درجه حرارت آن Fْ140 و یا بیشتر باشد پوسیدگی چوب را تسریع می نماید. محیط گرم سبب رشد بیشتر میکروارگانیزمها شده و حملات بیولوژیکی را تسریع می نماید.

حضور رسوبات در چوب و بهره برداری متناوب (خشک و تر شدن) نیز می تواند پوسیده شدن چوب را تسریع کند و این کار رشته ای و یا نخی شدن نام دارد. تنظیم صحیح و کنترل ته نشینی نمکها به طور قابل ملاحظه ای از مشکل فوق می کاهد. پیش درمان چوب از پوسیدگی آن در برابر یورش بیولوژیکی جلوگیری می کند. این جلوگیری به دو دسته تقسیم بندی می شود، نمکهای سمی آب گونه ای مانند کرومات مس، کرومات ارسنات مس، سولفات مس، ارسنات مس آمونیاکی، یا مواد پایه روغنی مانند کرازوت و پنتاکلروفنل محلول در روغن نفت.

بیشتر سازندگان مواد پایه روغن را بهتر می دانند و برنامه نگهداری شامل پاک کردن مرتب و حذف سطحهای راکد را توصیه می نمایند که برای جلوگیری از پوسیدگی چوب لازم است. برنامه درست کنترل میکروبی به این فرآیند یاری خواهد داد.

*********************

خلاصه ای از فعالیت انواع میکروارگانیزمها

خلاصه ای از فعالیت انواع میکروارگانیزمها بر فلزات و مواد مختلف در شکل 6 نشان داده شده است. همچنان که در شکل مشاهده می شود این تهاجم می تواند در محیطهای مختلف (هوا، آب، خاک و نفت و...) صورت پذیرد که در زیر به شرح مختصر آن ها می پردازیم:

A: تجمع رسوبات و توده های حجیم باکتری آهن و باکتریهای تولید رسوب می کنند و سبب ایجاد سل غلظتی در لوله های آهنی می شود. آنها با ایجاد محیط مناسب شرایط لازم برای رشد باکتریهای غیرهوازی نوع B را در زیر توده فراهم می آورند.

B: باکتریهای غیرهوازی احیاء کننده سولفات می باشند که قادرند در محیطهای مختلف بدون هوا با ایجاد سولفید سبب خوردگی شوند.

C: باکتریهای اکسید کننده سولفور می باشند که قادرند اسید سولفوریک و سولفات در محیطهای مختلف ایجاد نمایند.

D: باکتریهای مصرف کننده هیدروکربن ها می باشند. آنها قادر به تجزیه پوشش های آلی از نوع قیرگونه و همچنین پوشش های از نوع قطران می باشند. آنها با نفوذ در داخل پوشش ها، سبب ایجاد محیط مناسب برای باکتریهای نوع B (غیرهوازی) می شوند. آنها همچنین قادرند در تانکهای سوخت که دارای مقدار کمی آب می باشند رشد نموده و خوردگی آنها را سبب شوند.

E: باکتریها و کپک هایی می باشند که قادرند پلی مرها نظیر لاستیک های سنتز شده و همچنین پوششهای آلی از نوع پلی اوریتان که در داخل تانکهای مخازن سوخت به کار برده می شوند را مورد حمله و تجزیه قرار دهند. آنها همچنین می توانند پوششهای آلی نظیر وینیل پلی مر را مورد تجزیه قرار دهند.

G: غالباً آنها جلبکهای ایجاد کننده لرد می باشند که قادرند در سطوح مرطوب در هوا و یا در داخل لوله های آب رشد نمایند و اسیدهای آلی تولید کنند، ضمن آن که محیط مناسبی را برای باکتریهای بی هوازی ایجاد می کنند.

H: آنها کپک ها و باکتریهای ایجادکننده لرد می باشند بعضی از آنها تولید اسیدهای آلی می نمایند و یا برخی هیدروکربن ها را به عنوان منبع غذایی مصرف می کنند، که نهایتاً ایجاد سلهای غلظتی را نموده و شرایط مناسبی را برای باکتریهای بی هوازی ایجاد می کنند.

I: گل و لجن ها در زیر آب می توانند محیط مناسبی برای رشد میکروبها باشند آنها با ایجاد محیطهای بدون اکسیژن سبب رشد باکتریهای بی هوازی می شوند این امر سبب خوردگی ستون و پایه هایی که در دریا و یا رودخانه استقرار دارند، می شود.

J: لجن های غیرآلی، رسوبات و محصولات خوردگی و امثال آنها می توانند محیط مناسبی برای ایجاد سلهای الکتروشیمیایی باشند که این شرایط می تواند محیط مناسبی برای رشد سایر باکتریها باشد.

K: زباله و ذرات (غالباً آلی) بر روی سطح فلزی شرایط مناسبی را برای رشد باکتریها و میکروبهای تولید کننده اسیدهای آلی به وجود می آورند. برای مثال زمانی که بدنه هواپیما به مواد غذایی آلوده شود، این امر سبب رشد و تجمع کپکها و قارچها می شود و نهایتاً از سوخت و ساز آنها مواد خورنده ای ایجاد می شوند که بدنه هواپیما را مورد تهاجم قرار می دهند.

*****************************

نحوه کنترل خوردگی میکروبی

با توجه به حضور میکروبها در هوا، آب و خاک، ایجاد شرایطی در سیستم که در آن میکروب وجود نداشته باشد، بسیار مشکل است. در این بخش روشهایی که می توان توسط آن از این مشکل در صنعت جلوگیری نمود به طور مختصر شرح داده می شود.

- آنالیز میکروبیولوژی و شیمیایی آب ورودی و آب در گردش بسیار مهم است. باید تعداد و نوع میکروبهایی که در سیستم وجود دارد (هوازی، غیرهوازی، آهن خوار، تولید کننده لرد و غیره) دقیقاً مشخص شود. نحوه نمونه برداری برای آزمایش باکتریهای غیرهوازی سولفات خوار مشکل است، هرچند روش کشت و اندازه گیری آن آسان می باشد.

استانداردهایی در مورد نحوه نمونه برداری و کشت و اندازه گیری میکروبها وجود دارند که از آن جمله می توان موارد زیر را نام برد:

1) API – SP - 38

2) NACE Standard TM   - 01  -  73 ( 1976 Revision )

در آزمایش شیمیائی، اندازه گیری پارامترهایی نظیر PH، O₂ , SO₄^-2 , S^-2 مهم می باشد.

- منابعی که سبب آلودگی سیستم می شوند باید شناسایی و مشخص شوند و برنامه کنترل بیولوژیکی باید بر اساس نوع میکروب و تعداد آنها تنظیم شود.

- تمیز نمودن و تمیز نگاهداشتن سطوح و زدودن رسوبات در کنترل بیولوژیکی بسیار مهم است. از ورود هرگونه زباله، ذرات ریز، و مواد آلوده کننده به سیستم باید جلوگیری نمود. چنانچه آب ورودی به برج دارای ذرات شناور زیاد باشد بهتر است آب ورودی قبل از ورود به سیستم تصفیه فیزیکی شود (استفاده از کلاریفایر و یا فیلتر شنی).

درسیستم های آب خنک کن گردشی که مقدار ذرات شناور موجود در آن زیاد باشد، عبور 1 تا 3 درصد آب در گردش از فیلتر شنی جهت حذف ذرات معلق توصیه شده است.

-روش های شیمیایی استفاده از مواد میکروب کش متفاوت می باشد. تنظیم صحیح مقدار ماده میکروب کش بسیار مهم است که در بخشهای آتی خواهد آمد، ولی باید توجه نمود که باکتری کش خوب ممکن است قارچ کش خوبی نباشد و بالعکس. برای سیستم های آلوده خیلی کثیف، روشهای شیمیایی استفاده از مواد باکتری کش (میکروب کش) تا زمانی که رسوبات و توده های لجن حذف نشوند کم تأثیر می باشد.

- روشهای بازرسی و بازدید منظم به منظور تعیین میزان خوردگی و آزمایشهای الکتروشیمیایی باید همراه با آنالیز میکروبیولوژیکی انجام پذیرند. اطلاعات در مورد نحوه نمونه برداری، علت خوردگی و نوع خوردگی، محل خوردگی و تهیه آمار مناطق خورده شده باید دقیقاً مشخص و جمع آوری شوند، لذا ایجاد بانک اطلاعات و آمار در این مورد از اهمیت زیادی برخوردار است.