Механизм действия органических ингибиторов, используемых в водоохлаждающих системах для контроля за коррозией

АННОТАЦИЯ

Приведены типы органических ингибиторов, используемых для водоохлаждающих систем, механизмы реакции катодного и анодного слоеобразования. Изучен механизм действия анодных ингибиторов типа хромат- и нитрит-ионов на протекание коррозионного процесса в различных водоохлаждающих системах и объектах.

ABSTRACT

The types of organic inhibitors used for water-cooling systems, the mechanisms of the reaction of cathodic and anodic layer formation are presented. The mechanism of action of anode inhibitors such as chromate and nitrite ions on the course of the corrosion process in various water-cooling systems and objects has been studied.

Ключевые слова: мембранное ингибирование, коррозионная среда, слоеобразование, катодные и анодные ингибиторы, электрохимическая поляризация.

Keywords: membrane inhibition, corrosive environment, layer formation, cathodic and anodic inhibitors, electrochemical polarization.

Открытые рециркуляционные водные системы охлаждения получили широкое распространение в конце 50-х гг. Хотя они являются более прогрессивными в сравнении с ранее используемыми системами, все же более длительный период эксплуатации, более высокие температуры и повышенная концентрация растворенных твердых веществ вызывают более сильную коррозию и появление накипи на металлических поверхностях.

Для защиты от коррозии таких систем используются органические ингибиторы. Различают два вида коррозионного ингибирования в соответствии с характеристиками защитных слоев, образующихся на корродируемом субстрате: ингибирование на поверхности раздела и мембранное ингибирование. Ингибирование на поверхности раздела имеет место, когда ингибитор поглощается субстратом металла и образует мономолекулярный слой. Поглощение зависит от потенциала. Этот вид ингибирования наблюдается в коррозионных системах, где незащищенный металл контактирует с коррозионной средой, например активное растворение металла в кислотных растворах. Мембранное ингибирование предполагает более толстый слой между корродирующим субстратом и электролитом. Такие слои обычно состоят из продуктов коррозии или ингибиторов.

Мембранное ингибирование наблюдается и в том случае, когда растворенные субстанции в электролите вызывают вторичные реакции, в результате которых на металлическом субстрате образуются осаждения. Мембрана при этом служит физическим барьером, улучшающим защитные свойства отложений. Они зависят также от состава отложений, их структуры, толщины сцепления с металлической поверхностью, химической стабильности. Для достижения защитного эффекта, подобного эффекту пассивного слоя окислов, и устранения возможных помех для теплопередачи толщина мембраны должна быть как можно меньше.

Возможные реакции слоеобразования делятся на катодное и анодное ингибирование. Такое подразделение дает определенные преимущества при интерпретации результатов электрохимических исследований, используемых при изучении проблем коррозии. Эти исследования проводятся для оценки формирования и эффективности ингибирующих слоев. Хотя электрохимическая поляризация поверхности образцов (с помощью внешнего источника тока) и является искусственным созданием условий, именно она помогает провести грань между анодными и катодными реакциями.

Для оценки эффективности катодных ингибиторов отправной точкой служит катодная реакция электрода сравнения в природной воде, насыщенной кислородом, где ионы гидроокиси образовываются при восстановлении кислорода. Последующее увеличение рН является причиной образования отложений, закрывающих катод и тормозящих первичный процесс. Так как восстановление кислорода может происходить и на поверхности образованного слоя, ингибирование этой реакции определяется не только созданием препятствия на пути диффузии кислорода в металлическую поверхность катода, но также и снижением электронной проводимости поверхностного слоя.

При анодном ингибировании продукты первичной анодной реакции (ионы металла) должны вызывать образование отложений и формирование поверхностного слоя. В отличие от ионов гидроокиси, они напрямую участвуют в процессе отложения и являются составной частью поверхностного слоя. Этот слой препятствует анодному растворению из-за низкой проводимости ионов.

Многие металлы способствуют образованию растворимых гидроокисей, окислов и других соединений при высоком рН. Так как высокое рН является неотъемлемым свойством катодов, такие металлы являются кандидатами на использование их в качестве катодных ингибиторов коррозии. К таким металлам относятся кобальт, никель, хром, марганец, цинк, кадмий, церий и олово. В системах, где цинк используется в качестве катодного ингибитора коррозии, величина рН поддерживается такой, которая обеспечивает растворение цинка в воде, а не на катоде. Поли- и ортофосфаты также широко применяются в качестве ингибиторов коррозии. Полифосфаты в соединении с кальцием считаются катодными ингибиторами, а ортофосфаты могут выполнять роль как катодных, так и анодных ингибиторов.

При анодном растворении железа сначала образовывается ион железа. Окисление этого иона до состояния трехвалентного железа вызывает выпадение в осадок продуктов коррозии, так как соединения трехвалентного железа, как правило, менее растворимы, чем соединения двухвалентного железа. Анодные ингибиторы являются в основном материалами, которые влияют на этот процесс. Они подразделяются на окисляющие и неокисляющие. Кислород может в принципе рассматриваться как анодный ингибитор коррозии. В отсутствие кислорода многие ингибиторы, в особенности неокисляющего типа, неэффективны. Хроматный анион является самым лучшим среди известных и самым широко используемым анодным ингибитором. Хромат работает как ингибитор благодаря образованию умеренно растворимых хроматов железа. Его окислительная способность может быть также катодно-эффективной, так как он может восстанавливаться и способствовать образованию поверхностного слоя как гидроокись хрома. Аналогично действие молибдата. Нитрит является окисляющим анодным ингибитором, который оказывает структурное влияние на образование окисного слоя. Его лучше всего рассматривать как пассиватор.

Силикаты и ортофосфаты считаются неокисляющими анодными индикаторами, способствующими образованию нерастворимых соединений железа.

Для оценки эффективности воздействия органических ингибиторов при реальных условиях была проведена серия экспериментов, которые показали, что полностью органические ингибиторы обеспечивают самую низкую скорость коррозии теплопередающих поверхностей систем охлаждения и самую низкую скорость образования отложений.

Список литературы:

1. Белоглазов Г.С., Белоглазов С.М. Защита от коррозии и наводороживания стали органическими ингибиторами: экспериментальные и кванто-химические исследования // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. – 2013. – № 1. – С. 30–38.
2. Вигдорович В.И., Стрельникова К.О. Критерии оценки защитной эффективности ингибиторов коррозии // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2011. – Т. 13. – № 1. – С. 24–28.
3. Влияние М-нитрофенилбигуанидина на кинетику реакции выделения водорода на железе и его диффузию через стальную мембрану в кислых хлорных средах / Д.В. Балыбин, О.Ю. Кузина, А.Е. Цыганкова, В.И. Вигдарович // Вестник ТГУ. – 2013. – Т.18. – № 1. – С. 375–380.
4. Исследование продукта конденсации и аминирования циклогексанона как поверхностно-активного вещества на границе воздух – солянокислый раствор / Г.И. Остапенко, П.А. Глухов, А.С. Бунев [и др.] // Вектор науки ТГУ. – 2013. – № 1 (23). – С. 64–67.