יום שבת, 24 בדצמבר 1994

ביוקורוזיה: פן בלתי מוכר של הקורוזיה - ז'אנה סטרוסביצקי


ענף הביוקורוזיה הוא הצעיר ביותר בתוך מדע הקורוזיה, למרות שהמחקר הראשון הופיע כבר בשנות ה-30 של מאה זו. במשך שנים אלה מדע המיקרוביולוגיה עבר שינוי התפתחותי רחב שהתבטא בגילויים חדשים אשר תרמו רבות גם להתפתחות תחום הביוקורוזיה. במקביל לתופעה של קורוזיה בלתי מוסברת בציוד תקשורת תת-קרקעית, החלו להופיע לראשונה, בתחילת שנות ה-70, מספר רב של פרסומים בנושא ביוקורוזיה. המחקרים הראו, שהגורם לקורוזיה הבלתי צפויה היתה פעילות אקטיבית של חיידקים.


ההתפתחות התעשייתית בעולם הגבירה בעשרים השנים האחרונות את הפעילות המיקרוביאלית עקב נוכחותם של תוצרי התעשיות ועל-ידי זיהום הסביבה (הקרקע, המים והאוויר). סוג זה של קורוזיה מתגלה כעת בתעשיות שונות הכוללות, בין השאר, תהליכים כימיים של ייצור נפט, ייצור נייר, תעשיית תעופה, תחנות כוח, ציוד רפואי וציוד אלקטרוני.

נזק במיליארדים
תעשיות הקשורות בהפקה ובזיקוק של מוצרי נפט סובלות באופן מיוחד מהנזקים הנגרמים על-ידי הביוקורוזיה. בתחום זה בלבד מוערך הנזק בסכומים של מיליארדי דולרים לשנה. רגישותן של תעשיות אלה נובעת בעיקר משיטת ההפקה המיוחדת להם. למשל, הזרקה של מים בלחץ גבוה בתוך הקידוח (PUMP-UP WATER).

במקביל להכנסת המים חודרים, בין היתר, גם חיידקים מחזרי סולפט (Sulphate Reducing Bacteria, SRB) אשר צורכים נפט כמקור פחמן. התרבותם של חיידקים מסוג זה גורמת לזיהום בקטריאלי של הנפט הגולמי והם מהווים סכנה מכיוון שהם מייצרים תוצר כמו H2S.

גם בתעשיות אשר משתמשות במערכות קירור, ביוקורוזיה מהווה בעיה משמעותית. התופעה קיימת במיוחד במחליפי חום אשר בהם קיימים תנאים טובים מאוד להתפתחות חיידקים. התרבות החיידקים במחליפי החום גורמת להיווצרות ריריות (Biofilms) אשר גורמות לנזקים רבים, כולל ביוקורוזיה. ריריות אלה מורכבות, בין השאר, מחיידקים אשר מייצרים חומרים אגרסיביים מבחינה כימית. למשל חומצות, בסיסים, פרוקסידים וכו', שגורמים לחירור הצינורות.

חשוב לציין, כי הריריות הן אחת הבעיות החשובות בענפי התעשייה אשר בתהליך הייצור שלהן משמש נוזל כלשהו. הטיפול בריריות אלה בתהליכי הייצור יקר ביותר ואיננו מוצלח בדרך כלל.

Kevin C. Marshall, אחד המומחים הגדולים בשטח הריריות אמר, כי "בקרת ההיווצרות של הריריות ממתינה לפיתוח שיטה אשר תמנע היסחפות החיידק למשטח".

יתרונות החיידקים
כידוע, מבחינה גנטית, חיידקים הם רב-גוניים ובעלי יכולת הסתגלות גנטית מצויינת לסביבות חדשות (לעתים אף עוינות ביותר). לחיידקים יתרונות רבים, למשל:
  • תחומי המחייה של החיידקים הם רחבים ביותר, למשל מ-pH 0.1 עד 14, מטמפרטורת 0°C ועד 80°C, ובתנאי יובש כמו במדבר.
  • חיידקים מצויים גם במקומות המכילים חמצן וגם במקומות אשר אינם מכילים חמצן. יש להם תכונות ביוכימיות המקנות להם אפשרות לנצל חומרי מזון מורכבים כפשוטים.
  • לחיידקים יכולת הישרדות בתנאים קשים על-ידי שינוי הצורה, שינוי המטבוליזם (הקטנה עד למינימום בחילוף החומרים) וכן על-ידי תכונות ספיחה על משטחים.
שינויים קטנים בתנאי סביבה קשים אלה גורמים לגידול ולהתפתחות של אוכלוסיית חיידקים במערכת נתונה, למשל על-ידי הוספת חומרי מזון או מים, שינוי בחומציות או בטמפרטורה. כתוצאה מכך, קשה היום לחזות את תחילתו של תהליך הביוקורוזיה.

השיטה העיקרית ללוחמה בביוקורוזיה היא על-ידי טיפול בסביבה באמצעות חומרים קוטלי חיידקים (biocides). לשיטה זו מספר חסרונות משמעותיים:
  • חומרים אלה גורמים לזיהום סביבתי.
  • החיידקים מסתגלים לריכוזים נתונים וקיים צורך מתמיד בהגדלת הריכוז של החומר הקוטל. כן נדרש שינוי בסוג החומר;
  • מחיר החומר הקוטל בכמויות בקנה מידה תעשייתי מייקר את המוצר;
  • רוב החומרים הקוטלים הם בעלי פוטנציאל חימצוני כדוגמת כלור, אוזון, ברום, ובכך גורמים באופן ישיר להיווצרות קורוזיה בציוד מתכתי.
מדענים ומהנדסים העוסקים בשטח זה עומדים בפני עידן חדש של פיתוח שיטות חדשות למאבק בתופעת הביוקורוזיה. פיתוח זה תלוי, בראש ובראשונה, בהכרת המיקרוביולוגיה של התהליך, באינטראקציה שבין החיידק למשטח ובדרך למנוע את המגע בין החיידק למשטח. לפי הנתונים עד כה ניתן לתאר מספר מנגנונים של השפעת החיידקים על מתכות.

תרשים 1

Over head slide

צריך לציין, שרק לעתים רחוקות מתגלה, כי תהליך אחד בלבד מעורב בדבר. חקר הביוקורוזיה הוא תהליך מורכב בהשוואה לחקר הקורוזיה, מכמה סיבות:
  • אופיים הדינמי של המעורבים בתהליך (קרי, החיידקים);
  • בתנאי שדה תמיד יימצאו יחדיו סוגים שונים של חיידקים, אשר לעתים מתמודדים אלה באלה או משתפים פעולה.
בגלל סיבות אלה ואחרות, איפיון המודל של תהליך הביוקורוזיה איננו פשוט. למרות זאת, חקר מודלים לביוקורוזיה מהווה צעד חשוב להבנת התהליך ולמניעתו. בבדיקה חזותית (מאקרוסקופית) קשה לקבוע האם קורוזיה אשר התרחשה במקום מסוים, היא תוצאה של חיידקים (ביוקורוזיה), למרות שבתהליך הביוקורוזיה יש סימנים האופייניים לו בלבד.

נדגים את האמור לעיל במספר דוגמאות:

חקרנו את תהליך הביוקורוזיה בשני סוגים של פלדת-פחמן, האחת מסוגסגת והשנייה בלתי מסוגסגת. הרכבן מופיע בטבלה מס' 1.

טבלה 1: הרכב כימי של פלדות וסגסוגות
SPSiMnCCuNiCrסגסוגת
0.0550.050.720.510.22---פלדה 1(בלתי-מסוגסגת)
0.0210.0310.850.640.110.550.690.7פלדה 2(מסוגסגת)
--------Armko-Fe
-------0.7Fe-Cr
0.7--Fe-Cu
------0.7-Fe-Ni
------0.70.7Fe-Cr-Ni
-----0.70.70.7Fe-Cr-Ni-Cu

נבדקה השפעתם של החיידקים Thiobacillus thiooxidans על שני סוגי המתכות.

חיידקים אלה מצויים בקרקע ומהווים בעיה מכיוון שהם מייצרים חומצה גופריתית (H2SO4) בכמויות גדולות.

עבור הפלדה המוזכרים, בשלושה תווכים שונים:
  • מצע גידול pH4.0;
  • מצע גידול + pH1.0 H2SO4;
  • מצע גידול + חיידקים (pH1.0).
מצב הקורוזיה של פלדה בלתי מסוגסגת, במצע מס' 3, ובמצע מס' 2, היו דומים. בשני המקרים, הגורם הדומיננטי להאצת הביוקורוזיה הינה חומצת H2SO4 המוספת או הנוצרת באופן טבעי.

תרשים 2: תרשים סכימטי של תהליכים אלקטרוכימיים ומיקרוביאלים המעורבים בפילוח דופן. 
במצב נתון לא תמיד כל התהליכים פועלים סימולטנית, או באירוע אחד.


טבלה 2: השפעת הרכב התווך על קצב הקורוזיה של פלדה מסוגסגת ופלדה בלתי-מסוגסגת
קצב קורוזיה גר'/מ/יום

פלדה 2פלדה 1- ת ו ו ך -
132.719.3מצע + בקטריה
16.230.5מצע + H2SO4
מצע + H2SO4 + חומצות אורגניות:
13.131.2ציטרית
13.828.4אצטטית
14.029.5פירואצטיק
12.032.1a קטוגלוטרטית
13.225.4סוצינטית
11.424.7מלאית
11.518.2אספרגינאטית
10.815.4גלוטמינית
14.117.3גליצינית
15.122.8סינון בקטריה על-ידי מיצוי עם כלורופורם+אטילאצטט

לגבי פלדה מסוגסגת אנו רואים תמונה שונה. במצע מס' 3 קצב הביוקורוזיה גבוה פי 10 מאשר למצע מס' 2. כלומר, נוסף לגורם H2SO4 ישנם גורמים אשר פוגעים בפלדה מסוגסגת. מתוך הספרות המקצועית ידוע, כי חיידקים מייצרים, נוסף לחומצה סולפורית, גם חומצות אורגניות היכולות להשפיע על התהליך. בטבלה 2 נתונות תוצאות של ניסויי קורוזיה במצע מס' 2 בתוספת החומצות האורגניות (חוץ מחומצות שומניות). אנו רואים שחומצות אורגניות אלה כמעט שאינן משפיעות על קצב קורוזיה של שני סוגי פלדה שנבדקו. מאידך, לגבי חומצות שומניות אשר משמשות כמעכבי קורוזיה בתעשייה נמצא, כי יש להן השפעה משמעותית על קצב הקורוזיה של פלדה מסוגסגת אך לא נמצאה השפעה בפלדה לא מסוגסגת. התוצאות מלמדות, כי חומצות שומניות, אשר בדרך כלל אמורות לעכב את התהליך, משפיעות באופן שלילי על פלדה מסוגסגת. השאלה הנשאלת, אם כן, מה היא השפעתן של המתכות המוספות לפלדה מסוגסגת (כדוגמת Cu, cr, Ni) בתהליך הקורוזיה. למטרה זו בוצעה סידרה של ניסויי סגסוג עם כל מתכת בנפרד ובהרכבים מצולבים ואחר כך בוצעו ניסויי קורוזיה בתיווך המתואר מעלה. בטבלה 2 אנו רואים ש-Ni הוא הגורם המרכזי הקשור להאצת הקורוזיה.

אלמנט זה מוסף להרכב פלדה כתוספת אנטי-קורוזובית וליצירת פלדה בלתי מחלידה (פלב"מ).

טבלה 3: קצב קורוזיה של פלדה מסוגסגת ובלתי מסוגסגת בשני תווכים
קצב קורוזיה גר'/מ/יום

H2SO4 + מצעבקטריה + מצעפלדה
31.519.3פלדה 1(בלתי מסוגסגת)
16.2132.7פלדה 2(מסוגסגת)
19.316.5Armko-Fe
59.541.4Fe-Cr
7.89.1Fe-Cu
15.889.6Fe-Ni
29.3147.4Fe-Cr-Ni
17.1129.5Fe-Cr-Ni-Cu

מסקנות
  1. תהליך הביוקורוזיה הוא מורכב ותלוי במספר רב של גורמים.
  2. תהליכי המניעה הקיימים כיום אינם מסוגלים לבטל את התופעות השליליות של ביוקורוזיה בצורה מוחלטת.
  3. מהמחקר עולה כי:
    1. יש לפרק את המערכת הנבדקת לתת-מערכות פשוטות על מנת לבדוק את השפעתם של כל אחד מהגורמים בנפרד ובמשולב.
    2. תהליכים שלכאורה אמורים למנוע ביוקורוזיה מתבררים בניסויי מעבדה כתהליכים אשר מזרזים ביוקורוזיה בתנאים מסוימים.
    3. ביוקורוזיה הינו תהליך הטרוגני מאוד ולפיכך צפוי, כי יתקבלו תוצאות מפתיעות.
  4. לסיכום:
    חקר הביוקורוזיה הוא שטח בין-תחומי המאגד שיתוף פעולה בין חוקרים מתחומים שונים כמו מטלורגיה, כימיה-פיזיקלית, הנדסה, כימיה ומיקרוביולוגיה. שיתוף פעולה בין גורמים אלה יאפשר העמקת הידע ופיתוח דרכים חדשות למניעת התופעה היקרה והשלילית הקרויה ביוקורוזיה.
הכותבת התמחתה באיפיון תופעות הקורוזיה המונעות על-ידי חיידקים. היא נמנית עם צוות המכון לחקר הכשל.

פורסם ב"כימיה" 18, 1994.

אין תגובות:

פרסום תגובה