XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Ингибиторы коррозии на основе растительного сырья

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Перминова А.А. 1

---

1МБОУ «Частинская среднея общеобразовательная школа»

Панькова С.В. 1

---

1МБОУ «Частинская среднея общеобразовательная школа»

Работа в формате PDF

605.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Развитие народного хозяйства в значительной степени определяется производством металлов и сплавов, которые являются основными конструкционными материалами для создания различного оборудования, машин, приборов, конструкций

Ежегодные убытки от коррозии исчисляются десятками миллиардов рублей. Установлено, что за год в результате коррозии примерно 25% изделий из металлов и сплавов приходят в негодность и направляются на переплавку [8].

Коррозия - это постоянно прогрессирующий процесс разрушения металла. Он вызывается факторами внешней среды, приносит серьезные убытки, страдает несущая способность металлоконструкций. Коррозия приводит к экономическим издержкам, и, порой, к человеческим жертвам [10].

Проблема защиты металлов от коррозии актуальна и в настоящее время.

Гипотеза: настои растений могут защитить стальные изделия от коррозии

Цель: изучение влияния настоев растений на процесс коррозии стальных изделий.

Задачи:

1.По данным литературы изучить материал о коррозии металлов, ингибиторах и составе растении.

2.Изучить процесс коррозии в агрессивных средах.

3.Изучить процесс коррозии в настоях растений.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. Коррозия металлов

Слово коррозия происходит от латинского corrodere, что означает разъедать [4]

Коррозия - это разрушение металла под влиянием физико-химического воздействия окружающей среды [9].

Коррозионные процессы протекают на границе раздела фаз при взаимодействии твердого вещества с газом или жидкостью. При этом процесс можно представить в виде следующих стадий: − транспортировка реагирующего вещества к поверхности раздела фаз; − взаимодействие вещества с металлом (или неметаллом); − отвод образовавшегося вещества с поверхности раздела фаз из реакционной зоны [7].

1.1.Историческая справка

О коррозии (ржавлении) металлов известно с древнейших времен, однако в современном понимании термин появился в 1667 г. в английском журнале «Philosophical Transactions» в связи с описанием локальной коррозии бронзовых пушек в крепости на о. Ямайке. В России явление коррозии металлов в газовых средах и растворах кислот исследовал М.В. Ломоносов. Термин «коррозия» в русском языке появился в начале XX в. До этого времени употреблялись близкие по смыслу слова славянского происхождения – «ржа», «ржавление» [8].

1.2.Виды коррозии.

Различают несколько видов коррозии:

1) Газовая коррозия, вызываемая агрессивными газами: сернистым газом, оксидами азота. К этой коррозии близка атмосферная коррозия возникающая под влияние газов атмосферы, именно кислорода, углекислого газа и примесей более или менее случайного характера (сернистый газ). Пары воды играют важную роль, так как они образуют на поверхности металла тонкую пленку влаги, в которой и развёртываются окислительно-восстановительные реакции [6].

2) Коррозия в неэлектролитах: нефти, нефтепродуктах, тетрахлорметане и другие.

Коррозия металлов и сплавов в безводных растворах неэлектролитов протекает с меньшей скоростью, чем в растворах электролитов, однако происходит все же значительное разрушение металлических конструкций, особенно при нагревании. Многие органические жидкости, не содержащие воды и других примесей, при нормальных условиях, а иногда и при нагревании инертны к таким материалам, как сталь, но присутствие следов воды вызывает процесс коррозии. Так, сталь в тетрахлориде углерода в присутствии воды подвергается коррозии, поскольку в результате гидролиза ССI₄ образуется агрессивная электропроводная среда, и химическая коррозия переходит в электрохимическую:

ССI₄ + Н₂О → СС1₃ОН + НСI.

Процесс коррозии ускоряют содержащиеся в нефти и продуктах ее переработки соединения серы (сероводород, меркаптаны и др.). Они легко реагируют с железом, свинцом, медью, серебром, сурьмой, образуя сульфиды, меркаптиды. Это приводит к разрушению аппаратуры, причем, чем больше в жидких продуктах серы, тем сильнее коррозия. Так, в мазуте, содержащем 3,7 % серы, скорость коррозии стали (0,12 % С) в 6 раз больше, чем в мазуте, содержащем 0,5 % серы. Повышение температуры также увеличивает скорость коррозии. Присутствие соединений серы в феноле усиливает коррозию. Например, скорость коррозии стали в чистом феноле при температуре 350 °С одинакова со скоростью коррозии стали в феноле, содержащем 0,137 % серы при температуре 300 °С. Расплавленная сера реагирует практически со всеми металлами, сильно разрушает олово, свинец, медь, в меньшей степени – углеродистые стали, титан и алюминий.

Сталь может корродировать при соприкосновении с бензинами, так как углеводороды бензинов под действием кислорода воздуха окисляются, образуя органические кислоты.

Жидкий бром сильно разрушает алюминий, углеродистые стали, титан, в меньшей степени – никель. Платина, тантал, серебро и свинец устойчивы к брому.

Металлические конструкции, работающие в растворах неэлектролитов, готовят из материалов, устойчивых в данной среде, например из высокохромистых сталей, используемых для оформления каталитического и термического крекинга нефти, либо из сталей с нанесенными на их поверхность защитными покрытиями [8].

3) Коррозия в растворах электролитов (почти всегда в водных растворах). Это наиболее распространенное явление называют электрохимической коррозией.

Электрохимическая коррозия – разрушение металлических материалов в результате электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой (электролитом). Электрохимическая коррозия может протекать в атмосфере, если на поверхности металла конденсируется влага (атмосферная коррозия), а также в растворах или расплавах электролитов.

При электрохимической коррозии на металле одновременно протекают две реакции:

- анодная (ионизация атомов металла с переходом их в раствор электролита – растворение металла):

M → Mn+ + ne- ;

- катодная (восстановление окислителя Ох):

Ox + ne- → Red,

где Red – восстановленная форма реагирующего вещества, Ox – окислитель.

Эти реакции являются сопряженными, связанными между собой балансом электрических зарядов электрохимических процессов: электроны, высвобождающиеся в процессе ионизации атомов металла под действием электролита, переходят к окислителю, который при этом восстанавливается [8].

4) Коррозия блуждающими токами, вызываемая действием электрических токов, проходящих в почве (блуждающие токи), и развивающаяся на трубопроводах, кабелях, тюбинах, по существу является электрохимической. Источником появления таких токов служат различные виды электрифицированного транспорта (электропоезда, трамваи, метро), электросварочные аппараты [6].

Если это растягивающие напряжения, возможно коррозионное растрескивание, когда разрушение происходит не только по границам кристаллитов, а разделяется на части и сам кристаллит металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, несущих механические нагрузки (мосты, оси, тросы, рессоры, автоклавы, паровые котлы, двигатели внутреннего сгорания, водяные и паровые турбины и др.). Одновременное воздействие циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды вызывает коррозионную усталость, т.е. происходит понижение предела усталости металла. Этому виду коррозии подвержены валы гребных винтов, рессоры автомобилей, канаты, охлаждаемые валки прокатных станов и другое [8].

5) Почвенная коррозия обусловливается некоторыми агрессивными веществами, находящимися в почве в растворенном состоянии, например солями (особенно хлоридом магния) или гуминовыми кислотами. Глинистые почвы, имеющие слабощелочную реакцию, тормозят коррозионный процесс.

К специфическим видам коррозии относится коррозия в различных химических производствах, в ядерных реакторах [6].

1.3. Способы защиты от коррозии

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами, и прежде всего легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже упоминается о применении олова для защиты железа от коррозии.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в конкретном случае, а также экономической целесообразностью [2].

Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов, которое называется легирование. В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали действительно не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия происходит, хотя и медленно. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно.

Согласно правилу Таммана, резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, то есть один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и замедляет коррозию.

Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочныепокрытия наиболее доступны. Лаки и краски обладают низкойгазо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами,поэтому они препятствуют доступу к поверхности металла воды,кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов.

Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишьтормозит процесс коррозии. Именно поэтому важное значениеимеет качество покрытия – толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочностьсцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательностиподготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя.Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствоватьхорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Частоона возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения идеструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуютнаносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит кослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вреднаносят воздушные полости, пузыри, которые образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.

Для снижения смачиваемости водой лакокрасочные покрытия иногда, в свою очередь, защищают восковыми составами иливводят в состав красок кремнийорганические соединения. Лаки икраски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. В большинстве случаев они не пригодны для защиты подземных сооружений и конструкций, так как трудно предупредить повреждения защитных слоев при контакте с грунтом.Опыт показывает, что срок службы лакокрасочных покрытий вэтих условиях не велик. Намного практичнее оказалось применятьтолстослойные покрытия из каменноугольной смолы (битума).В некоторых случаях пигменты красок выполняют такжероль ингибиторов коррозии. К числу таких пигментов относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO4, PbCrO4, ZnCrO4) [2].

Один из самых эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах - применение ингибиторов.

1.4. Ингибиторы коррозии

Первые ингибиторы были найдены случайно, опытным путем, и часто становились клановым секретом. Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате чего растворялись лишь окалина и ржавчина.

Ингибиторами, не зная того, давно пользовались и на Руси. Уральские оружейники для борьбы с ржавчиной готовили «травильные супы» — растворы серной кислоты, в которые добавлялись мучные отруби [4].

Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их, не изменяя при этом рабочих свойств металла. Название «ингибитор» происходит от латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Ещё по данным 1980 года, число известных науке ингибиторов составило более пяти тысяч. Применение ингибиторов даёт народному хозяйству немалую экономию. Ингибирующее воздействие на металлы, прежде всего на сталь, оказывают целый ряд неорганических и органических веществ, которые часто добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии [2].

Ингибиторы применяются для защиты металлов при промывке, травлении, вводятся в полимерные покрытия, у которых при этом повышаются защитные свойства, в воски, смазки, в упаковочную бумагу, в замкнутое пространство витрин и шкафов для хранения экспонатов из металла и пр. Механизм защиты ингибиторами в общем случае заключается в том, что они, попадая на поверхность металла, адсорбируются ею и тормозят скорость ионизации металла или кислорода или одновременно того и другого. Различают ингибиторы для черных металлов, для цветных и ингибиторы универсального действия, то есть такие, которые способны защищать одновременно как черные, так и цветные металлы [11].

Ингибиторы подразделяются:

− по механизму своего действия: катодные, анодные и смешанные;

− по химической природе: неорганические, органические и летучие;

− по сфере своего влияния: в кислой, щелочной и нейтральной среде.

Действие ингибиторов обусловлено изменением состояния поверхности металла вследствие адсорбции ингибитора или образования с катионами металла труднорастворимых соединений. Защитные слои, создаваемые ингибиторами, всегда тоньше наносимых покрытий. Ингибиторы могут действовать двумя путями: уменьшать площадь активной поверхности или изменять энергию активации коррозионного процесса [7].

По классификации Х. Фишера ингибиторы можно сгруппировать следующим образом.

1. Экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной

адсорбции. При воздействии физических ингибиторов химических реакций не происходит.

2. Окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют протекание анодного процесса. Эти слои не очень стойки и при определенных условиях могут подвергаться восстановлению. Эффективность пассиваторов зависит от толщины образующегося защитного слоя и его проводимости.

3. Катодные – повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам относятся соли или окислы мышьяка и висмута.

Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний. Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит натрия, добавляемый, например, к холодильным соляным растворам, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины, крахмал, танин другие. Поскольку ингибиторы со временем расходуются, они должны добавляться в агрессивную среду периодически. Количество ингибитора, добавляемого в агрессивные среды, невелико. Например, нитрит натрия добавляют в воду в количестве 0,01–0,05 %.

Ингибиторы подбираются в зависимости от кислого или щелочного характера среды. Например, часто применяемый в качестве ингибитора нитрит натрия может использоваться в основном в щелочной среде и перестает быть эффективным даже в слабокислых средах.

В газовой фазе применяют летучие ингибиторы, а для защиты деталей при длительном хранении используют ингибированную оберточную бумагу [2].

1.5. Растительные экстракты как ингибиторы коррозии

Фитосоединения и экстракты на основе трав снискали возрастающий интерес к области устойчивой защиты материалов. Оценка некоторых растительных экстрактов и корреляция между экстрактом и коррозией показала, что ингибирующий эффект должен быть сфокусирован на общем фенольном содержание. Действительно, была получена хорошая корреляция между эффективностью ингибирования коррозии растительных экстрактов и их общем содержании фенола. Чем выше общее содержание фенола, тем выше эффективность ингибирования экстрактов. Из полученных данных можно утверждать, что общее содержание фенола может служить основой для экстрактов растений и их ингибирующих свойств [12].

Флавоноиды представляют собой группу растительных полифенольных соединений – производных бензо-γ-пирона, в основе которых лежит фенилпропановый скелет, состоящий из С6-С3-С6 углероднах единиц:

Рис. 1. Основная структура флавоноидов.

Флавоноиды основаны на пятнадцатиуглеродном скелете, состоящем из двух бензольных колец (А и В, как показано на рисунок 1), связанных через гетероциклическое кольцо пирана (С). Их можно разделить на различные классы, такие как флавоны (например, флавон, апигенин и лютеолин), флавонолы (например, кверцетин, каемпферол, мирицетин и фисетин), флаваноны (например, флаванон, гесперитин и нарингенин) и другие.

В таблице 1 представлены некоторые вещества природного происхождения, которые были изучены за последнее десятилетие. Эти составы предназначены для защиты определенных металлов и сплавов. В таблице 2 указаны экстракты растений, а также металлы и сплавы, скорость коррозии которых можно уменьшить за счет использования данных экстрактов[12].

Таблица 1

Вещества природного происхождения и полимеры, используемые в качестве ингибиторов

Таблица 2

Экстракты природных продуктов, используемых в качестве ингибиторов

1.6. Ущерб от коррозии

Потери от коррозии условно можно разделить на две категории: первичные и вторичные. Первичные потери связаны с безвозвратными потерями металлов, которые составляют от 10 до 20 % годового производства стали. В настоящее время ежегодные потери металлов в результате их коррозии в России составляют до 12 % общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30 % ежегодно производимого металла. По оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 6 % валового национального продукта [7].

Во многих случаях косвенные убытки (вторичные) от коррозии могут значительно превышать прямые потери за счет растворения металла. Замена прокорродировавшего котла или конденсатора на большой теплоэлектростанции может нанести энергосистеме существенный ущерб. Кроме того, к убыткам от коррозии можно отнести также стоимость потерянного продукта, например, масла, газа, воды из системы с прокорродированными трубами или антифриза через прокорродировавший радиатор. Выброс природного газа и других пожаро- и взрывоопасных веществ через отверстия, образованные вследствие коррозии, может привести к пожарам и даже к мощным взрывам с огромными материальными потерями и человеческими жертвами. В целом потери народного хозяйства от коррозии исчисляются миллиардами рублей ежегодно [7].

Практическая часть

Объекты исследования

Для изучения влияния ингибиторов растительного происхождения в магазинах и аптеках с.Частые были куплены растения: розмарин, дуба кора, листья брусники, черный чай, лавровый лист, корни лопуха, березовые почки, и высушили кору черемухи (рис. 2).

Рис. 2. Объекты исследования растительное сырьё.

Наличие органических веществ [5] указанно в таблице 3.

Таблица 3

Состав предполагаемых ингибиторов в растительном сырье

Глава 2. Изучение влияния растительных настоев на процесс коррозии стальных изделий.

2.1. Методика исследования.

2.1.1. Методика приготовления растительного настоя.

Настои – это водные извлечения из растительного сырья.

Измельченный растительный материал взвешивается, помещается в ёмкость для приготовления настоя. Заливается водой комнатной температуры и настаивается на водяной бане 15 минут [1].

2.1.2. Методика исследования ингибиторов растительного происхождения

На весах взвесить 5 граммов растительного сырья, залить 100 мл дистиллированной воды комнатной температуры, настоять на водяной бане 15 минут. Настой профильтровать. В пробирку поместить стальной гвоздь, залить полученным настоем.

2.2. Изучение влияния ингибиторов растительного происхождения на коррозию стальных изделий.

Взвешивала 5г растительного сырья (рис.3.)

Рис. 3. Взвешивание растительного сырья

Заливала 100мл дистиллированной воды комнатной температуры (рис.4)

Рис.4. Отбор дистиллированной воды

Настаивала на водяной бане 15 минут, постоянно помешивая настой (рис.5)

Рис.5. Нагревание настоя на водяной бане

Настой фильтровала (рис.6)

Рис.6. Фильтрование настоя

В пробирку помещала стальной гвоздь (рис.7.)

Рис.7. Пробирка с гвоздём

Заливала настоем из растений (рис.8)

Рис.8. Приливание настоя в пробирку с гвоздём

Пробирки оставляла при комнатной температуре на 7 дней.

Параллельно был заложен опыт по изучению коррозии в агрессивных средах: водопроводная вода, раствор поваренной соли, раствор поваренной соли + медь, раствор гидроксида аммония, уксусная кислота, водопроводная вода + медь (рис.9)

Рис.9. Опыт по изучению коррозии в настоях растений и агрессивных средах

Через неделю извлекла гвозди из пробирок (рис.10, 11)

Рис.10. Гвозди по истечении 7 дней опыта

Рис.11. Гвозди по истечении 7 дней опыта

Данные эксперимента приведенные в таблице 4.

Таблица 4

Влияние ингибиторов растительного происхождения на коррозию стальных изделий.

Проведенное исследование показало:

- защитили стальной гвоздь от коррозии настои (предполагаемые ингибиторы): дуба коры (дубильные вещества, флавоновые соединения, крахмал), розмарина (витамин С), коры черемухи (дубильные вещества, флавоноиды), березовых почек (дубильные вещества, аскорбиновая кислота), брусники листьев (хинная, урсоловая, винная, эллаговая кислоты, танин, дубильные вещества, аскорбиновая кислота, флавоноиды), черного чая (дубильные вещества) (рис.10) ;

- не защитили стальной гвоздь настои лаврового листа и корней лопуха;

- очень сильно происходит коррозия в водопроводной воде, в водопроводной воде с медью, с медью в растворе хлорида натрия, в уксусной кислоте;

- защитил гвоздь от коррозии нашатырный спирт.

Выводы

1. Из всех настоев растений, используемых в качестве ингибиторов в нашей работе лучшие результаты показали настои розмарина, коры дуба, черного чая, березовых почек, брусники листьев и коры черемухи, что подтверждено их химическим составом.

2.Для настоев рекомендуется подбирать растения, в которых содержатся танины, аскорбиновая кислота, дубильные вещества, флавоноиды, органические кислоты.

3. Данные нашего исследования можно использовать для изготовления настоев трав для обработки металлических (железных) поверхностей в помещениях с повышенной влажностью.

Таким образом, гипотеза подтверждается, настои растений могут защитить стальные изделия от коррозии

Литература

1. Иванова Г.А. Лекарственные растения Пермского края, применяемые в гастроэнтерологии: Методические рекомендации – Пермь, ПГФА, 2007. - 196с.

2. Коррозия и защита металлов: Учебно-методическое пособие (для студентов IV курса химического факультета) /

3. Сост. доц. В.А. Мухин. – Омск: Омск. гос. унт., 2004. – 112 с.

4. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас: Справ. Пособие. – М.: Высш. Шк., 1992. – 192с

5. Лавренов В.К., Лавренова Г.В. Современная энциклопедия лекарственных растений. – СПб.: Издательский дом «Нева», 2006г. – 272с.

6. Николаев. Л.А. общая и не органическая химия. Учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов. М.: «Просвещение», 1974. – 624с.

7. Перелыгин, Ю. П. Коррозия и защита металлов от коррозии : учеб. пособие для студентов технических специальностей / Ю. П. Перелыгин, И. С. Лось, С. Ю. Киреев. – 2-е изд., доп. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. – 88 с.

8. Румянцева, К.Е. Антикоррозионная защита металлов: учеб. пособие / К.Е. Румянцева; Иван. гос. хим.- технол. ун-т. – Иваново, 2018. – 185 с.

9. Три триады и шесть невидимок. Элементы VIII группы периодической системы Д.И. Менделеева. Пособие для учащихся. М.: «Просвещение», 1976. - 142с.

10. https://tzinc.ru/o-kompanii/stati/posledstviya-korrozii.html#:~:text

11. https://studfile.net/preview/7642393/page:8/

12. 123456789/7278/1/Еркаева%20М.А._%20ХТбз_1301.pdf