خوردگی در آب
رسوب های تشکیل شده از آب
یکی از مشکلات مهم در صنایع، رسوب‌های تشکیل شده از آب است. اما چرا اصولاً در یک سیستم رسوب ایجاد می‌شود؟ پاسخ به این سؤال مشکل است. در عمل علل مختلفی می‌تواند باعث ایجاد رسوب گردد که روابط بین علل بسیار پیچیده است. رسوب‌گذاری یک فرایند چندمرحله‌ای است که مسبب آن نمک‌های محلول درون آب می‌باشد.
مکانیسم رسوب گذاری
رسوب‌گذاری به دلایل مختلفی صورت می‌گیرد. رابطه بین علل مختلف رسوب‌گذاری بسیار پیچیده است و از نظر علمی کاملاً روشن نمی‌باشد. ولی می‌توان قوانین کلی را از روی مشاهدات تجربی به این پدیده نسبت داد. شکل زیر یک تصویر کلی از ایجاد رسوب را نشان می‌دهد.
فرایند ایجاد رسوب
مواد معلق موجود در آب پس از ته‌نشینی بر روی سطوح جامد و سپس سوخته شدن احتمالاً به دلیل دمای بالای سطح، حالت رسوبی شکل به خود می‌گیرند. اما در حالت کلی آب شامل مواد معدنی محلول است. این مواد در حالت فوق اشباع ایجاد نخستین هسته‌های کریستالی را نموده و با ایجاد این هسته‌ها رشد کریستال‌ها آغاز می‌شود.
رشد کریستال‌ها در نهایت باعث ایجاد رسوب بر روی سطوح در تماس با آب می‌شود. هر تلاشی برای جلوگیری از رسوب‌گذاری بدون شناخت کیفی و در صورت امکان کمی عوامل مؤثر در آن امکان‌پذیر نیست. همه اجزا تشکیل‌دهنده رسوب از آن گروه نمک‌هایی هستند که حلالیت آن‌ها تابع دماست.
اجزا تشکیل‌دهنده ناخالصی‌های آب (مانند کربنات کلسیم، سولفات کلسیم، سولفات باریوم، سیلیکا و غیره) در اثر عوامل مختلفی می‌توانند ته‌نشین شوند. این عوامل می‌تواند افت فشار، تغییر دما، تغییر جریان، تغییر pH و … باشد. اما برای آنکه املاح آب ته‌نشین شوند سه شرط لازم
است:
فوق اشباع بودن
فوق اشباع بودن محلول عامل درجه اول در رسوب‌گذاری است. یک محلول به دلایل مختلف می‌تواند فوق اشباع شود مثل تغییرات دما، pH، تبخیر، تغلیظ و اضافه‌شدن مودی که می‌توانند نقش هسته اولیه را بازی کنند.
پدیده فوق اشباع می‌تواند یک پدیده کاملاً موضعی باشد. در مواضعی مثل لایه سیال در مجاورت یک سطح گرم، محل تماس مایع و گاز، در یک شکاف میکروسکوپی و در خلل‌وفرج رسوب‌های قبلی این پدیده می‌تواند اتفاق افتد. البته حالت فوق اشباع می‌تواند برای مدت طولانی، بدون آنکه رسوبی ایجاد شود و یا کریستالی رشد کند، باقی بماند.
زمانی که می‌گذرد تا محلول فوق اشباعی شروع به رسوب‌گذاری کند را زمان تأخیر می‌گویند. زمان تأخیر برای محلول‌های مختلف، متفاوت است. مثلاً وجود منیزیم یک مانع مهم برای رسوب‌کردن کربنات کلسیم آب دریاست. حضور منیزیم باعث تمایل به حفظ درجه بالاتری از فوق اشباع و زمان تأخیر بیشتری می‌شود. جدول زیر نشان می‌دهد که وجود منیزیم چه تأثیری در طولانی‌تر کردن زمان تأخیر دارد.
| نوع آب | کربنات افزوده شده (m mole/l) | زمان هسته گذاری |
| الف: آب دریا(مصنوعی فاقد منیزیم) | 7/34 | 1 دقیقه |
| 4/58 | 4/7دقیقه | |
| 1/83 | 13 دقیقه | |
| 0/93 | 20 دقیقه | |
| ب: آب دریا(با آنالیز مشابه الف) | 7/35 | 7-6 دقیقه |
| 4/58 | 4/5-3 دقیقه | |
| 1/83 | 18/15 دقیقه | |
| 0/93 | 900-940 دقیقه | |
| ج: آب دریا که غلظت منیزیم آن دو برابر غلظت واقعی باشد | 4/75 | 22-53 دقیقه |
| 3/85 | 22-53 دقیقه |
تشکیل هسته های اولیه
هسته‌های اولیه در واقع تسهیل‌کننده راه رسوب‌گذاری در سیستم هستند و عوامل زیادی (چون ذرات غبار، ارتعاش، اصطکاک و …) می‌توانند نقش هسته اولیه را بازی کنند. رسوبات قبلی و نیز محصولات خوردگی خود می‌توانند نقش هسته‌های اولیه را بازی کنند.
زمان تماس
پس از اینکه در یک محلول فوق اشباع عمل هسته‌گذاری اولیه انجام شد، آنگاه باید زمان تماس کافی بین محلول و هسته‌های اولیه وجود داشته باشد تا کریستال‌ها رشد کنند. در واقع هرچه زمان تماس بیشتر باشد شانس ایجاد رسوب چسبنده بیشتر خواهد شد.
چسبندگی رسوب
مشخصات رسوب بستگی به درجه فوق اشباع بودن، نوع ماده رسوب کننده، تعداد هسته اولیه، دما، فشار، هم زدن و شرایط محیط دارد. به‌عنوان‌مثال هم زدن تأثیر مهمی در مشخصات رسوب کربنات کلسیم دارد. در سیستم‌هایی که آب در گردش است مشاهده شده است که کریستال کربنات کلسیم سفت‌وسخت بوده؛ ولی در آب‌های ساکن، کریستال‌های کربنات کلسیم به‌صورت پودر نرم هستند.
به تجربه ثابت شده است که:
- اگر شدت ایجاد رسوب شدید باشد رسوب‌ها معمولاً متخلخل و نیز غیرچسبنده و نرم خواهند بود.
- رسوبات باگذشت زمان معمولاً سخت‌تر و چسبنده‌تر خواهند شد.
- ناهمواری سطح، چه طبیعی باشد و چه به علت خوردگی، باعث افزایش چسبندگی رسوب می‌شود.
- در محل تماس گاز – مایع – جامد همانند آنچه که در محل تماس هوا، آب، دیواره ظرف در بویلرها و تانک‌های ذخیره دیده می‌شود، رسوبات چسبنده‌تری نسبت به نقاط دیگر ایجاد می‌شود.
- چسبندگی رسوب معمولاً بستگی به نوع ماده رسوب و جنس سطح جامد دارد.
گاهی تولیدکنندگان برخی دستگاه‌ها ادعا می‌کنند که در صورت صاف نگه‌داشتن سطوح، رسوبی ایجاد نخواهد شد؛ ولی به تجربه ثابت شده است که تحت شرایط مناسب و زمان کافی تقریباً بر روی هر سطحی از جمله سیمان، فولاد، پلاستیک و … رسوب ایجاد خواهد شد.
تأثیر عوامل هیدرودینامیکی بر تشکیل رسوب
سرعت بالای سیال گاهی مزاحم تشکیل رسوب می‌شود؛ اما در برخی موارد هم تشکیل رسوب را تشدید می‌کند. دلیل این امر وجود لایه مرزی است. لایه مرزی در انتقال جرم، مومنتم و حرارت نقش بسزایی دارد و هر سه مورد در رسوب‌گذاری مهم هستند.
رفتار لایه مرزی با رفتار محلول کاملاً متفاوت است. آن قسمت از مواد محلول در آب که تمایل به رسوب‌گذاری دارند معمولاً در نواحی متلاطم زودتر رسوب می‌کنند. در صنایع بسیار دیده شده است که در قسمت مستقیم یک خط لوله هیچ رسوبی ایجاد نشده است؛ ولی در زانویی که در قسمتی از همان خط لوله قرار دارد رسوب‌گذاری شدید انجام شده است.
سایر عوامل مؤثر بر تشکیل رسوب
وجود حباب در ایجاد رسوب مؤثر است. با افزایش دما نمک‌هایی که حلالیت آن‌ها با دما کاهش می‌یابد. داخل حباب به‌صورت فوق اشباع درآمده و پس از ترکیدن حباب این نمک‌ها در فصل مشترک گاز – جامد – مایع رسوب می‌کنند.
از جمله عوامل مهم دیگر در تشکیل رسوب، نقش pH است. این عامل اغلب در رسوب‌گذاری املاحی مثل کربنات کلسیم، هیدروکسید منیزیم و ترکیبات آهن اثر می‌گذارد. افزایش pH معمولاً باعث ترسیب چنین ترکیباتی می‌شود درحالی‌که کاهش آن تمایل به نگهداری این املاح را به‌صورت محلول، افزایش می‌دهد.
پیش‌بینی تشکیل رسوب
پیش‌بینی تشکیل رسوب روش‌های مختلفی دارد. این روش‌ها بر مبنای تعادلات شیمیایی بوده و فقط می‌توانند مشخص کنند چه اتفاقی خواهد افتاد؛ اما دینامیک مسئله را بررسی نمی‌کنند. بدون تردید رسوب‌گذاری آب به علت تأثیر عوامل بسیار زیاد پیچیده‌تر از آن است که بتوان با روش‌های پیش‌بینی پاسخ دقیقی به دست آورد.
به‌عنوان‌مثال رسوب سولفات کلسیم خود چهار شکل دارد. حلالیت هر چهار شکل با افزایش دما کاهش می‌یابد؛ اما همان‌طور که در شکل زیر پیداست با هم متفاوت است. در پیش‌بینی تشکیل رسوب این تفاوت‌ها باید مدنظر قرار گیرد.
سولفات پوسته شدن
در آب طبیعی همواره مقداری گاز دی‌اکسیدکربن به‌صورت محلول وجود دارد. این گاز نقش عمده‌ای در تشکیل رسوب کربنات کلسیم دارد.
پوسته پوسته شدن کربنات
اگر در اثر تغییر دما یا فشار جزئی دی‌اکسیدکربن، مقداری از گاز محلول در آب، مایع را ترک کند، در آن صورت به علت کاهش حلالیت گاز تعادل بی‌کربنات و کربنات به‌هم‌خورده و باعث رسوب کربنات کلسیم می‌شود؛ بنابراین تشکیل رسوب در دماهای نه‌چندان زیاد به علت تبدیل سختی بی کربناتی به کربنات کلسیم در اثر حرارت یا افزایش در قلیاییت می‌باشد.
در حالت تعادلی، همه انواع دی‌اکسیدکربن (دی‌اکسیدکربن آزاد، بی‌کربنات، و کربنات) به‌گونه‌ای موازنه هستند که نه باعث خوردگی می‌شوند و نه باعث رسوب‌گذاری. در سال 1936 لانجلیر حلالیت کربنات کلسیم را به چند متغیر مؤثر در انحلال، مربوط کرد.
در این روش با تعریف پارامتری موسوم به اندیس اشباع IS (اندیش لانجلیر یا اندیس رسوب) می‌توان از تمایل به رسوب‌گذاری یا خوردگی آب موردنظر به‌صورت کیفی اطلاع حاصل کرد. اندیس اشباع اختلاف pH واقعی آب با pH آبی است که نه تمایل به خوردگی و نه تمایل به رسوب‌گذاری دارد که به آن pH اشباع می‌گویند.
IS صفر بیانگر این است که pH واقعی برابر pH اشباع است و یک تعادل اشباع برقرار است پس آب تمایلی به رسوب‌گذاری و یا خوردگی ندارد. اما اگر IS مثبت باشد؛ یعنی دما، قلیاییت و مواد جامد محلول، آب به حالت فوق اشباع بوده و از این‌رو آب تمایل به رسوب‌گذاری دارد و اگر IS منفی باشد بدان معناست که هنوز تعادل شیمیایی برقرار نشده است. در این حالت اگر رسوبی در سیستم وجود داشته باشد در آب حل خواهد شد و ممکن است آب فلز را نیز مورد حمله قرار دهد و شرایط خوردگی ایجاد شود.
اما روش لانجلیر فقط برای آب‌های شهری (با TDS کم) و در محدوده pH بین 5/9-5/6 مفید است. در این شرایط pH اشباع را می‌توان باتوجه‌به آنالیز آب (مشخص‌بودن غلظت یون‌های کلسیم و بی‌کربنات) و شکل زیر محاسبه کرد.
حذف رسوب
رسوبات کربنات کلسیم و نیز رسوبات حاصل از اکثر خوردگی‌ها را می‌توان با کلریدریک اسید 15% حل کرده و از محیط خارج کرد. اما استفاده از کلریدریک اسید 15% بدون افزودن ممانعت کننده‌های شیمیایی می‌تواند برای فلز خطرناک باشد. کافی است که کلریدریک اسید تجاری را با نسبت مناسب رقیق کنید و رسوبات را چندین بار با این محلول بشویید.
از تولید کف زیاد در این مرحله نهراسید؛ چراکه این کف‌ها معرف حل‌شدن رسوب کربنات کلسیم و تولید گاز است. همچنین می‌توانید از هگزامین با درصد مناسب به‌عنوان ممانعت کننده شیمیایی برای محلول اسیدی استفاده کنید.
رسوبات سولفات کلسیم به‌آسانی با شستشو توسط اسیدکلریدریک حذف نمی‌شوند. در این حالت حذف رسوب در دو مرحله انجام می‌شود. در مرحله اول رسوبات را با سود یا کربنات سدیم می‌شویید تا سولفات کلسیم به‌صورت کربنات کلسیم و یا هیدروکسید کلسیم درآیند.
سپس در مرحله دوم آن را با اسیدکلریدریک می‌شویید تا کربنات کلسیم یا هیدروکسید کلسیم حل شده و از محیط خارج شوند.
سولفات باریوم را نمی‌توان بااسید کلریدریک حذف کرد؛ بلکه باید توسط روش‌های مکانیکی و با استفاده از برس از محیط خارج گردد.
خوردگی در آب
مکانیسم خوردگی و انواع آن به‌تفصیل در مقالات مربوط به این بحث در و به سایت دکتر کمیکال موردبحث و بررسی قرار گرفته‌اند که می‌توانید با مراجعه به بخش مقالات علمی آن‌ها را مطالعه کنید. اما برای اجتناب از طولانی‌شدن موضوع در این جا فقط چند ویژگی مهم آب که در خوردگی نقش دارند مورد بررسی قرار می‌گیرند.
این ویژگی‌ها عبارت‌اند از:
غلظت اکسیژن محلول در آب، pH، درجه حرارت، سرعت آب، کلر باقی‌مانده و یون کلر.
اکسیژن محلول آب
اکسیژن محلول آب یکی از مهم‌ترین عواملی است که در سرعت خوردگی همه فلزات توسط آب نقش دارد. در دمای معمولی فلزات آهنی در غیاب اکسیژن محلول خیلی کند خورده می‌شوند. اما در حضور اکسیژن به‌ویژه در دماهای بالا، آب به همه فلزات و آلیاژها حمله می‌کند. از این‌رو در صنعت چه به روش مکانیکی و چه شیمیایی (هیدرازین یا سولیفت کلسیم) اکسیژن محلول در آب را به حداقل میزان ممکن کاهش می‌دهند.
pH آب
سرعت خوردگی به pH بستگی زیادی دارد. شکل زیر نتایج تجربی سرعت خوردگی آهن در pHهای مختلف را نشان می‌دهد.
اثر pH بر نرخ خوردگی
درجه حرارت آب
تغییر دمای آب می‌تواند روی ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی ناخالصی‌های آب تأثیر بگذارد و نیز ویژگی رسوب و حتی طبیعت فلز را تحت‌تأثیر قرار دهد. توجه داشته باشید که دما روی حلالیت گازها در آب از جمله اکسیژن نیز اثر می‌گذارد.
نتایج آزمایش سرعت نسبی خوردگی بر حسب دما برای آهنی که 8 ساعت در تماس با آب بوده دیده می‌شود. همان‌طور که مشاهده می‌کنید سرعت خوردگی برای هر افزایش در دما حدود 75% افزایش می‌یابد.
اثر دما بر نرخ خوردگی
سرعت آب
اثر سرعت آب بر روی خوردگی بسیار پیچیده بوده و به بعضی از خواص محلول و فلز بستگی دارد. در بحث خوردگی دو مکانیسم مهم مطرح می‌شود یکی مکانیسم واکنش شیمیایی و دیگری مکانیسم انتقال جرم.
سرعت خوردگی بستگی به آن دارد که کدامیک از این دو مکانیسم کنترل‌کننده سرعت خوردگی است. در مواردی که مکانیسم انتقال جرم کنترل‌کننده خوردگی است، سرعت آب تأثیر مستقیمی بر سرعت خوردگی دارد.
سرعت نسبتاً زیاد مایع چون باعث بهتر پخش‌شدن ماده ضد خوردگی می‌شود برای سیستم‌هایی که از ضدخوردگی استفاده می‌کند مطلوب است. اما اگر سرعت مایع خیلی زیاد شود علاوه برخوردگی شیمیایی فرسایش هم اتفاق می‌افتد و در نتیجه سرعت خوردگی به‌شدت افزایش می‌یابد.
کلر باقی مانده
گاز کلر محلول در آب یک عامل اکسیدکننده حتی قوی‌تر از اکسیژن است؛ ازاین‌رو مشکلاتی بیشتر از اکسیژن محلول در آب را باعث می‌شود.
یون کلر
در بحث‌های خوردگی معمول است آنیون‌ها را به دودسته اصلی تقسیم می‌کنند: آنیون‌هایی که مهاجم هستند و باعث تشدید خوردگی می‌شوند و آنیون‌هایی که باعث کندشدن خوردگی می‌شوند. دلایلی وجود دارد که نشان می‌دهد یون کلر مهم‌ترین آنیون مهاجم در آب است.
خوردگی بیولوژیکی
مهم‌ترین باکتری‌های فعال در خوردگی عبارت‌اند از باکتری‌های کاهنده سولفات، باکتری مولد متان، باکتری احیاکننده نیترات، باکتری گوگرد و باکتری آهن است. از میان این باکتری‌ها، احیاکننده سولفات و باکتری آهن دردسرآفرین‌تر هستند.
شواهد تجربی وجود دارد که نشان می‌دهد در بعضی از سیستم‌ها، خوردگی بیولوژیکی مهم‌تر از خوردگی الکتروشیمیایی است. به همین دلیل گاهی مشاهده می‌شود با کلرزنی سرعت خوردگی کاهش می‌یابد هرچند که خود کلر باعث خوردگی می‌شود. چراکه کلر باعث ازبین‌رفتن باکتری‌ها می‌شود.
محصولات ویژه:
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.