Nghiên cứu về ăn mòn và ức chế các ống thép mạ kẽm trong hệ thống cấp nước

Nghiên cứu về ăn mòn và sự ức chế của nó trong ** ống thép mạ kẽm ** trong hệ thống cấp nước là một lĩnh vực quan trọng của khoa học cơ sở hạ tầng, Hợp nhất điện hóa học, Kỹ thuật vật chất, và các mối quan tâm về sức khỏe cộng đồng. Đối phó với chủ đề này đòi hỏi phải mổ xẻ các cơ chế cơ bản của kẽm và suy thoái sắt, và sau đó khám phá các chiến lược hóa học và vật lý được sử dụng để giảm thiểu các hiệu ứng này và kéo dài tuổi thọ hệ thống.

Các cơ chế ăn mòn của thép mạ kẽm trong hệ thống nước

Ống thép mạ kẽm hoạt động theo nguyên tắc bảo vệ hy sinh **. Lớp bên ngoài của kẽm được dự định là cực dương, ăn mòn ưu tiên để bảo vệ cực âm thép cơ bản. Tuy nhiên, Sự bảo vệ này là hữu hạn, Và môi trường ăn mòn của các hệ thống nước thành phố giới thiệu sự phức tạp dẫn đến thất bại theo thời gian.

Các giai đoạn suy thoái

Quá trình ăn mòn thường được phân đoạn thành ba giai đoạn khác biệt nhưng chồng chéo, Được điều khiển chủ yếu bởi ** oxy hòa tan ** và ** Hóa học nước **:

1. Giai đoạn ăn mòn và thụ động kẽm ban đầu

Khi một đường ống mạ kẽm mới được giới thiệu, kẽm tiếp xúc phản ứng với oxy hòa tan ($\chữ{O} \chữ{₂}$) Và, Điều quan trọng, **độ kiềm và độ cứng ** ($\chữ{Ca.} \chữ{²⁺}$, $\chữ{Mg} \chữ{²⁺}$, $\chữ{HCO} \chữ{₃} \chữ{^–}$) hiện diện trong nước.

Sự hình thành phim bảo vệ: Lý tưởng, Phản ứng này tạo thành một dày đặc, ổn định ** lớp thụ động **, thường bao gồm các cacbonat kẽm cơ bản ($\chữ{Zn} \chữ{₅}(\chữ{Ồ}) \chữ{₆}(\chữ{Đồng} \chữ{₃}) \chữ{₂}$), Canxi cacbonat ($\chữ{Caco} \chữ{₃}$), hoặc kẽm hydroxit ($\chữ{Zn}(\chữ{Ồ}) \chữ{₂}$) kết tủa. Tính ổn định và tính toàn vẹn của lớp này là tối quan trọng; Một bộ phim mạnh mẽ có thể kéo dài tuổi thọ của đường ống bằng cách cách ly kim loại với nước lớn.
Độ nhạy hóa học nước: Tốc độ thụ động rất nhạy cảm với chỉ số bão hòa ** Langlier ($\chữ{Lsi}$)**. Thấp $\chữ{pH}$, Độ kiềm thấp, và nước cứng thấp (nước mềm) vốn dĩ hung hăng hơn vì chúng ức chế sự hình thành của văn bản $ bảo vệ{Caco} \chữ{₃}$ component in the film, dẫn đến sự hòa tan nhanh hơn của kẽm tinh khiết.

2. Giai đoạn chuyển tiếp và rỗ

Đây là điểm thất bại của hệ thống hy sinh. Tăng ca, Khai thác vật lý từ dòng nước hoặc tấn công hóa học cục bộ (Thường bởi ** các ion clorua ($\chữ{Cl} \chữ{^–}$)** hoặc các ion sunfat ($\chữ{VÌ THẾ} \chữ{₄} \chữ{^2-}$)) vi phạm lớp bảo vệ.

Đảo ngược cực dương: Trong điều kiện cụ thể, đặc biệt ở nhiệt độ cao (above $60°\text{C}$ or $140°\text{F}$), Tiềm năng điện hóa giữa kẽm và sắt có thể ** đảo ngược **. kẽm, bình thường là anodic, có thể trở thành catốt cho thép cơ bản. Khi điều này xảy ra, Thép mới tiếp xúc trở thành cực dương và ăn mòn nhanh chóng, một cơ chế thất bại thảm khốc.
Tấn công cục bộ (Rỗ): Khi thép được phơi sáng cục bộ thông qua lỗ chân lông hoặc khiếm khuyết trong lớp kẽm, một nhỏ, Các dạng tế bào ăn mòn hoạt động cao. Vùng kẽm xung quanh lớn đóng vai trò là cực âm, Thúc đẩy sự hòa tan anốt của khu vực thép lộ ra nhỏ, dẫn đến nhanh chóng ** Ăn mòn rỗ ** và thủng đường ống.

3. Giai đoạn ăn mòn thép cuối cùng (Lao)

Một khi các khu vực quan trọng của thép cơ sở được phơi bày, Cơ chế ăn mòn chính chuyển sang quá trình oxy hóa sắt.

Lao: Các sản phẩm oxy hóa sắt, chẳng hạn như hydroxit sắt ($\chữ{Fe}(\chữ{Ồ}) \chữ{₂}$) và các oxit sắt đỏ/đen tiếp theo ($\chữ{Fe} \chữ{₂}\chữ{O} \chữ{₃}$, $\chữ{Fe} \chữ{₃}\chữ{O} \chữ{₄}$), kết tủa tại vị trí ăn mòn. Điều này tạo ra các gò địa phương đặc trưng được gọi là ** Tubercles **.
Thất bại thủy lực: Bệnh lao không chỉ tiêu thụ vật liệu ống; Nó hạn chế nghiêm trọng đường kính bên trong đường ống, dẫn đến giảm đáng kể ** công suất thủy lực ** và tăng chi phí năng lượng bơm. Hơn nữa, Những kết tủa này, cùng với màng sinh học vi sinh vật tiềm năng, Đóng góp cho sự suy giảm chất lượng nước (ví dụ., “Nước đỏ” Khiếu nại).

Chiến lược ức chế: Giảm thiểu và kiểm soát

Nghiên cứu về giảm thiểu ăn mòn tập trung vào hai tuyến đường chính: Tối ưu hóa hóa học nước để thúc đẩy sự thụ động tự nhiên, và giới thiệu các tác nhân hóa học (các chất ức chế) Để ổn định bề mặt kim loại.

1. Điều hòa hóa học nước (Chiến lược phi hóa học)

Chiến lược bền vững nhất là điều chỉnh các đặc tính tự nhiên của nước để khuyến khích một bộ phim bảo vệ ổn định.

Kiểm soát độ pH và độ kiềm: Maintaining the water’s $\chữ{pH}$ within an optimal range (tiêu biểu $7.5$ ĐẾN $8.5$) và đảm bảo đầy đủ ** độ kiềm ** hỗ trợ sự kết tủa của bảo vệ $ văn bản{Caco} \chữ{₃}$ and basic zinc carbonates. Điểm ngọt ngào này giảm thiểu sự hòa tan của cả hai kẽm (at low $\chữ{pH}$) và bộ phim thụ động cuối cùng (at high $\chữ{pH}$).
Điều chỉnh độ cứng: Tăng ** độ cứng canxi ** (Nếu nước rất mềm) là một chiến lược chung, như sự hiện diện của $ văn bản{Ca.} \chữ{²⁺}$ các ion rất cần thiết để hình thành sự dày đặc, Text giống như tỷ lệ $ {Caco} \chữ{₃}$ component that stabilizes the overall passivation layer.

2. Các chất ức chế ăn mòn hóa học (Công cụ giảm thiểu chính)

Các chất ức chế là các hợp chất hóa học được thêm vào với số lượng dấu vết làm gián đoạn quá trình ăn mòn điện hóa. Chúng được phân loại dựa trên cơ chế bảo vệ của họ:

Một. Các chất ức chế anốt (Hình thành phim)

Các hợp chất này tạo thành một hàng rào bảo vệ đặc biệt (ăn mòn) trang web, Phân cực hiệu quả bề mặt kim loại.

Phốt phát: Lớp học phổ biến nhất được sử dụng hiện nay, Đặc biệt ** orthophosphates ** ($\chữ{Sau đó} \chữ{₄} \chữ{^3-}$). Chúng phản ứng với các ion kim loại hòa tan ($\chữ{Zn} \chữ{²⁺}$, $\chữ{Fe} \chữ{²⁺}$) để tạo thành một sự không hòa tan, phim mỏng ($\chữ{Zn} \chữ{₃}(\chữ{Sau đó} \chữ{₄}) \chữ{₂}$ or $\text{Fe} \chữ{₃}(\chữ{Sau đó} \chữ{₄}) \chữ{₂}$) trực tiếp trên tường ống. Mục tiêu là một bộ phim ** kẽm orthophosphate ** cung cấp mạnh mẽ, Bảo vệ ổn định.
Silicat: Được sử dụng trong lịch sử, Silicates tạo thành các màng không hòa tan cao ngăn chặn sự tiếp cận của các ion tích cực vào bề mặt kim loại. Hiệu quả của chúng thường được tăng cường khi kết hợp với các chất ức chế khác.

b. Các chất ức chế catốt (Làm chậm quá trình giảm oxy)

Những chất ức chế này làm chậm phản ứng catốt (việc giảm oxy), kiểm soát hiệu quả dòng điện điều khiển ăn mòn.

Polyphosphate: Những chức năng này là tác nhân sắp xếp lại, ngăn chặn sự hình thành các kết tủa sắt cồng kềnh cồng kềnh ($\chữ{Fe}(\chữ{Ồ}) \chữ{₃}$) nếu không thì hình thành củ. Chúng giữ cho các ion kim loại hòa tan, giảm khả thể nhìn thấy “Nước đỏ” vấn đề, nhưng thường ít hiệu quả hơn trong việc dừng mất kim loại trực tiếp hơn orthophosphate. Thường, Một sự pha trộn ** của ortho- và polyphosphate ** được sử dụng để cung cấp cả phòng chống ăn mòn ngay lập tức (ortho) và cô lập (Poly).

c. Hệ thống ức chế pha trộn

Thực hành hiện đại hiếm khi sử dụng một chất ức chế duy nhất. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa sự pha trộn hiệp đồng, chẳng hạn như:

Ortho-polyphosphate pha trộn: Cách tiếp cận chung này cung cấp sự thụ động ngay lập tức (ortho) trong khi giữ cho nước ổn định và sạch sẽ (Poly), Quản lý các mục tiêu cạnh tranh của bảo vệ và độ trong nước.
Phosphate-silicate pha trộn: Những thứ này tận dụng sự kiên trì hình thành phim của silicat và khả năng phân cực mạnh mẽ của phốt phát, Thường đạt được kết quả tốt hơn so với hợp chất một mình, đặc biệt là trong các hóa chất nước mềm hơn.

Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong khi thép mạ kẽm dần dần bị loại bỏ trong công trình mới, Quản lý hàng triệu km đường ống mạ kẽm hiện có vẫn là một thách thức lớn. Nghiên cứu trong tương lai phải tập trung vào:

Ảnh hưởng của màng sinh học: Sự tương tác phức tạp giữa các chất ức chế, Sản phẩm ăn mòn, và màng sinh học vi sinh vật vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Màng sinh học có thể tiêu thụ oxy hoặc tạo ra các điều kiện axit cục bộ, tăng tốc ăn mòn ngay cả khi có chất ức chế.
Giám sát nâng cao: Phát triển không xâm lấn, Kỹ thuật giám sát thời gian thực (ví dụ., Phân tích tiếng ồn điện hóa, Mô hình dự đoán máy học) Để đánh giá chính xác tốc độ mỏng và tính toàn vẹn của lớp kẽm tại chỗ.
Ức chế màu xanh lá cây: Di chuyển ra khỏi các chất ức chế dựa trên phốt pho truyền thống, mà góp phần làm phú dưỡng nước, hướng tới thân thiện với môi trường hơn, Các lựa chọn thay thế không độc hại có nguồn gốc từ các sản phẩm tự nhiên hoặc các hợp chất hữu cơ chuyên dụng.