بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مطالعه باکتری های متداول در خوردگی بیولوژیکی
چکیده:
خوردگی فرایندی است که طی آن فلزات تحت تاثیر عوامل خورنده موجود در محیط اطراف خود، با انجام واکنش های الکترو شیمیایی که در نتیجه ی آن فلز اکسید می شود، دچار زوال می گردند. عوامل متعدد شیمیایی و بیولوژیکی در این امر دخیل می باشند. خوردگی بیولوژیکی بیشتر در ارتباط با میکروارگانیسم ها است که عمده ترین آن ها باکتری ها هستند. باکتری ها موجودات میکروسکوپی می باشند که قادرند بسته به خصوصیات فیزیولوژیکی خود، در محیط های مختلف رشد و تکثیر یابند. از جمله ی این باکتری ها، گروه های احیا کننده ی سولفات (SRB) واکسید کننده ی سولفور (SOB) را می توان نام برد. باکتری های SRB درآب ودر شرایط ترموفیل، فقدان اکسیژن و در حضور ترکیبات گوگردی معدنی وترکیبات آلی می توانند با احیای سولفات به سولفور انرژی کسب کنند. به علاوه در صورت وجود آهن فلزی در محیط، آن را به سولفور آهن غیر محلول تبدیل کنند.به همین دلیل در صنایع به عنوان یک عامل مخرب و مسبب خوردگی به حساب می آیند.دیگر باکتری های رایج موثر بر خوردگی، باکتری های اسیدوفیل، هوازی وترموفیل اکسیدکننده ترکیبات گوگردی هستند.
باتوجه به خسارات و هزینه هایی که خوردگی در اقتصاد خصوصا کشور های پیشرفته به جا می گذارد، یافتن راهکارهای مناسب برای کنترل خوردگی، یکی از موضوعات مهم مورد مطالعه می باشد. متدهای گوناگونی برای کنترل محیط اطراف فلزات در معرض آسیب(خصوصا فولاد) واستفاده از حفاظت کننده های متنوع، چون پوشش ها و رنگ وجلا ها برای کاهش تماس ودسترسی محیط به فلز به کار گرفته می گردد، اما همچنان بررسی روشهای نوین گوناگون واستفاده از مواد کم خطر تر ومناسب تر موضوع در حال بررسی بسیاری از مجامع علمی است.
کلید واژگان : باکتری احیا کننده ی سولفات ، خوردگی ،باکتری های اکسیدکننده ی سولفور ، بیوفیلم
-1 مقدمه
فلزات، در طبیعت به صورت ترکیب با عناصر غیر فلزی ( نمکهای فلزی) به صورت پایدار وغیر فعال قرار دارند. برای استخراج ودستیابی به فلز خالص پایه، باید آن را از طریق فرایند احیای ترکیبات فلزی بدست آورد.در این حالت فلز به صورت فعال ونا پایدار در می آید، از این رو تمایل دارد که با عناصر دیگر ترکیب شود ومجددا به حالت اولیه ی پایدار خود در آید 4 ] .[این پروسه از طریق واکنش های شیمیایی و یا الکتروشیمیایی فلز با محیط اطراف آن انجام می گیرد که اصطلاحا، خوردگی نامیده می شود . [16 ]
خوردگی آسیب شیمیایی و یا الکتروشیمیایی و بعضا بیولوژیکی بین فلز و محیط اطراف آن است .بیشتر فعالیت های بشری به گونه ای دستخوش این پدیده قرار گرفته اند [5] .این اثر تخریبی محیط بر فلزات، ناشی از عوامل خورنده، عموما خاک ، هوا، رطوبت وگاز هایی مثل کلر، آمونیاک و سولفات ویا حتی مواد شیمیایی چون اسیدهای آلی و معدنی وسیانور وکلریدها می باشد .[ 4 ]
انواع خوردگی فلزات براساس شاخص های متفاوتی تقسیم بندی می گردند، از جمله ی آنها می توان به اساس شکل ظاهر فلز خورده شده، محیطی که درآن خوردگی رخ می دهدو همینطور بر پایه ی تجهیزات مورد نیاز برای شناسایی خوردگی و... اشاره کرد. اما خوردگی را می توان به طورکلی به دو دسته ی خوردگی شیمیایی و بیولوژیکی تقسیم کرد.این دو نوع خوردگی در واقع به واکنش های شیمیایی وعلت این فرایند ها بر می گردد.
خوردگی شیمیایی یا الکتروشیمیایی شامل سه جز آند وکاتد والکترولیت تعریف می شود که عمل اکسیداسیون درقسمت آندی واحیا در قسمت کاتدی رخ داده والکترولیت نیزمحلول ناقل یون ها درمحیط می باشد .نتیجه این واکنش ها می تواند انواع خوردگی حفره ای - شیاری - گالوانیکی و... را بوجود بیاورد .[ 15]
خوردگی زیستی، به فعالیت میکروارگانیسم های موجود در محیط فلزکه توان ایجاد این نوع خوردگی را دارند اعم از جلبک ها وقارچ ها وباکتری ها برمی گردد. میکروارگانیسم ها با مکانیسم های خود نقش آغاز کننده یا تسریع کننده ی فرایند خوردگی را برعهده دارند.
به طورکلی خوردگی یک موضوع مهم ومسئله ی اقتصادی کشورها ی صنعتی است.به طوری که 4-3 درصد از هزینه ناخالص ملی را به خود اختصاص داده است . [29 ]
خوردگی متاثر از میکروب ها1 که حدودا 20 الی 40 درصد خوردگی را در صنایع به خود اختصاص داده است، اولین بار در سال 1910 مطرح شد ومکانیسم های گوناگون آن تا به امروز در حال بررسی است. [3] موجودات ماکروسکوپی و میکروسکوپی متفاوتی در محیط های مختلف اطراف فلز وجود دارند و با مکانیسم های متفاوتی بر فلز موثر می باشند.
در این مقاله به شرح مختصری در باره ی باکتری های مهم شناخته شده ی موثر در این فرآیند ومکانیسم رایج و راهکارهای بازدارنده ی اثر این باکتری ها می پردازیم.
-2 باکتری های متداول در خوردگی:
بسته به نوع فلز ومحیط اطراف آن، وجود یا نبود نور، حضور یا عدم حضوراکسیژن، pH محیط و دما، تنوع و پراکندگی باکتری ها، خصوصا عاملین خوردگی متفاوت می باشند.
در صورت وجود شرایط مناسب رشد باکتری مانند دما و رطوبت، باکتری شروع به چسبیدن به سطح فلز در معرض نموده و بیوفیلم تشکیل می دهد. تشکیل بیوفیلم با ترکیبات متنوع و ضخامت های متفاوت، یک عامل مهم برای باکتری ها و عملکردشان است. میکروارگانیسم های هوازی با استفاده از پلی ساکاریدها برای اتصال خود به سطوح فلزی و رشد و تکثیر، بیوفیلم تشکیل می دهند. یک بیوفیلم بزرگ علاوه بر ترکیبات سلولی، شامل درصد بالایی از مواد جذب و دفع شده چون املاح، فلزات سنگین، ذرات معدنی مثل رس می باشد. [20 ]
تشکیل بیوفیلم وخوردگی میکروبی به طور جداگانه مدت هاست که در حال بررسی است البته این دو موضوع به دنبال هم می باشند. بیوفیلم های باکتری های هوازی تشکیل شده در سطح، شرایط رشد میکروارگانیسم های بی هوازی را هم در سطح فلز فراهم می نماید.
مهم ترین فلزاتی که عموما در معرض تاثیر میکروارگانیسم ها قرار می گیرند مس وآلیاژهای آن و همچنین انواع فولاد می باشند که سهم زیادی در صنایع، لوله کشی های آب ونفت وگاز، نیروگاه ها وکارخانجات را به خود اختصاص داده اند. فعالیت های متابولیک میکروبی و شکل گیری بیوفیلم می تواند به واسطه ی تنوع میکروب های موجود، محیط های شیمیایی و فلزیا نوع آلیاژ، بر فرآیند خوردگی اثر بگذارد.[34 ]
(2-1 باکتری های احیاکننده ی سولفات: 2
باکتری های این گروه مربوط به دلتاپروتئوباکتریها، گرم منفی ، بی هوازی و مزوفیل می باشند که به طور گسترده در آب شیرین، آب دریا وسیستم های صنعتی یافت می شوند. [35 ]
این باکتری ها در شرایط بی هوازی سولفات را برای کسب انرژی احیاء کرده وآن را به سولفید هیدروژن تبدیل می نمایند. سپس آن ها یون های سولفات را به عنوان پذیرنده ی الکترون به یون سولفید تبدیل می کنند. [34 ]
از جنس های مشهور این باکتری ها می توان به Desulfovibrio ssp وDesulfotumaculum اشاره نمود. جنس دسولفوویبریو عموما در آب های با مقدار زیاد بارآلی وخاک های غرقابی دیده می شوند. این باکتری ها سلول های میله ای یا خمیده داشته وآئروتلورنت می باشند. آن ها توان اکسیداسیون استات- لاکتات ودی اکسید کربن را به عنوان سوبستراهای معمول دارند و همچنین از یون های سولفور و یا دیگر ترکیبات گوگردی (مانند سولفیت، تیوسولفات و...) به عنوان پذیرنده های الکترون استفاده می نمایند . [2 ]
(2-2 باکتری های اکسیدکننده ی سولفور: 3
این باکتری های گرم منفی، میله ای شکل وکوچک بوده و متحرک می باشند. [2 ] شیمیوتروف بوده ودرشرایط هوازی زندگی می کنند و از اکسیداسیون ترکیبات گوگردی انرژی کسب می کنند. این باکتری ها به طور گسترده از رودخانه ها و دریاچه و محصولات نفتی جدا شده اند. [26 ] از جنس های مهم این گروه تیوباسیلوس ها می باشند. تیوباسیلوس ها انرژی خود را از طریق اکسیداسیون سولفیدها، تیوسولفات و سایر ترکیبات گوگردی به دست می آورند. این باکتری ها به طور عمده در محیط های حاوی H2S و همچنین به طور طبیعی در آب دریا، آب های شیرین و خاک یا فت می شوند.[2 ]
(2-3 باکتری های اکسنده ی آهن :
این باکتری ها در آب رودخانه ها و یا چاه های زیر زمینی یافت می شوند. هوازی بوده و در غلظت کم اکسیژن نیز بقاء دارند . [2] آهن می تواند به عنوان دهنده و پذیرنده الکترون در این گروه عمل نماید 24 ]و. [ 25 این باکتری ها عموما افزاینده ی خوردگی فلزی هستند. آهن از سطوح فلزی ممکن است به صورت هیدروکسید فریک، رسوب نماید. [34 ]
از طرف دیگر آن ها قادرند H2 را به عنوان دهنده ی الکترون و آهن فریک را به صورت پذیرنده الکترون برای تنفس بی هوازی خود نیز استفاده کنند [27 ] .از جمله ی این باکتری ها می توان به جنس های لپتوتریکس و اسفروتیلوس اشاره نمود . [2]
از دیگر میکروارگانیسم های شرکت کننده در فرایند خوردگی میکروبی، می توان به گونه های باسیلوس، سودوموناس، تیوباسیلوس ها وسولفولوبوس ها وسراشیا مارسنس اشاره نمود. 33 ]
-3 مکانیسم بیوشیمیایی خوردگی:
خوردگی میکروبی یک فلز به شرایط محیطی و تنوع میکروارگانیسم های آن محیط و توانایی تشکیل بیوفیلم توسط میکروارگانیسم ها، وابسته است. [8 ]
به طورکلی واکنش های خوردگی، واکنش های الکتروشیمیایی هستند که به دنبال آنها الکترون از فلز مورد نظرآزاد گشته و یون مثبت فلز رها شده (حل شدن فلز) و سپس الکترون توسط گیرنده که می تواند یون سولفات و یا اکسیژن محلول و یا یون هیدرونیوم باشد، جذب می شود و متابولیت های ثانویه ای تولید می گردند. از بین باکتری های مداخله کننده درخوردگی میکروبی، باکتری های احیاء کننده سولفور (SRB) یکی از مهمترین عوامل خوردگی بیولوژیکی، به شمار می آمده است .
این باکتری ها بی هوازی و کاتالیزور کاهنده ی سولفات و تولیدکننده ی ترکیبات H2S می باشند. [ 10 ]
از میان مکانیسم های مطالعه شده ی موجود در خصوص خوردگی بیولوژیکی، معروفترین مکانیسمی که مطرح شده در سال 1934 توسط Wolzogen Kuehr و Van der Vlugt می باشد که مراحل آن به شرح زیر است: [21 ]
-1 زمانی که فولاد در شرایط بی هوازی و در معرض آب قرار دارد شرایط برای رشد و استقرار باکتری های بی هوازی مساعد می گردد. در طی واکنش های اکسیداسیون در آند (در سطح فلز)، یون های فلز اکسید شده و از سطح فلز آزاد می شوند در این مرحله انحلال فلز آغاز می شود.
-2 تفکیک مولکول های آب :
-3 در کاتد، الکترون های آزاد شده در قسمت آندی، پروتون های ناشی از تفکیک مولکول های آب را در غیاب اکسیژن احیاء می کنند. عوامل کاهنده H از آهن به باکتری ها جریان یافته و برای احیای سولفات به سولفید هیدروژن مصرف می شود.
-4 هیدروژن تولیدی در سطح فلز توسط باکتری های SRB برای احیای سولفات وتولید سولفید به مصرف می رسد.
-5 سپس اکسیداسیون آهن اتفاق می افتد.
در نهایت سولفید آهن و هیدروکسید آهن به عنوان محصولات خوردگی تولید می شوند . [12 ] البته تا به امروز مکانیسم های اثر میکروارگانیسم ها بر روی خوردگی بطور کامل مشخص نشده و همچنان این مکانیسم ها و فاکتورهای موثر بر آنها تحت بررسی است. [ 8 ]
-4 کنترل خوردگی میکروبی :
خوردگی پدیده ای غیر قابل حذف است، اما به واسطه ی یکسری راهکارها می توان آن را کنترل نموده و یا به تعویق انداخت.
ازجمله ی معمول ترین روش های کنترل خوردگی عبارتند از: حفاظت کاتدی ( با اعمال یک جریان خارجی یک سو و یا اتصال آند از بین رونده در مقابل فلز مورد حفاظت که به صورت کاتد در می آید . که به طور کلی در خطوط لوله زیر زمینی و مخازن آبی، استفاده می شوند . [1 ] حفاظت آندی (اعمال جریان به طوری که پتانسیل فلزالکتروپوزتیو فلز به صورت رویین در آید. در محیط های خورنده ی بسیار قوی مثلا فولاد درمحیط های اسید سولفوریک، کاربرد دارد.
مواد کند کننده و یا ممانعت کننده، با افزودن این مواد به مقدار کم، خوردگی به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. از این مواد بیشتر در سیستم های آب خنک کننده استفاده می شود.انتخاب مواد وطراحی مناسب دستگاه ها نیز یک راه کمکی درکنترل خوردگی است 4 ]و[1 .از ساده ترین ورایج ترین راه های کنترل، رنگ ها وجلا ها هستند که به صورت دو لایه آستر و رویه کار می کنند. پوشش ها برای حفظ ظاهر و ایمنی از خوردگی استفاده می شوند.انواع پوشش فلزی مثل پوشش نیکل ویا روی B پوشش های آلی مثل پوشش فنلی و اپوکسی و پوشش های شیمیایی موجودند. [1 ]
برای جلوگیری ازخوردگی میکروبی نیز راه کارهایی پیشنهاد شده است که یکی از مناسب ترین آنها استفاده از بازدارنده ها می باشد. [19 ]
از دستاورد های قدیم کنترل وجلوگیری از خوردگی میکروبی، استفاده ازبیوسایدهای اکسنده مثل کلرین وازن وبرومین و بیوسایدهای غیراکسنده چون گلوتارآلدهیدها-کربامات ها وگوانیدها وایزوتیازولین ها برای کاهش ارگانیسم ها درمحیط بالک بوده است. نوع غیر اکسنده موثرتر از بیوسایدهای اکسنده در مجموع هستند برای کنترل جلبک قارچ ها باکتری ها مستقل از pH و مداوم ترند. مخلوطی از هردو نوع هم استفاده می شود . باکتری ها خصوصا در بیوفیلم نسبت به بیوساید ها وآنتی بیوتیک ها مقاوم تر می باشند که به علت عدم دسترسی به مواد آنتی باکتریال به مراکز بیوفیلم و عمق بیوفیلم می باشد
