خوردگی مس و بازدارنده های آن

خوردگی مس و آلیاژهای آن در محیط های خورنده و بازدارنده های خوردگی آنها موضوع اصلی این مقاله است .در این مقاله برخی از گروههای اصلی بازدارنده خوردگی برای مس معرفی شده است .بررسی محیط های مختلف خورنده مس و آلیاژهای آن و بازدارنده های خوردگی آنها  از مهمترین فاکتور های لازم برای محافظت از مس در برای محیط هایی است. رفتار بازدارنده  خوردگی آلی و مشتقات آنها در مقایسه با نوع غیر آلی، دانستن حداکثر بازده مهار خوردگی یک مهار کننده خاص خوردگی در یک محیط خاص خورنده برای انتخاب مناسب ترین ترکیب بازدارنده خوردگی مفید است.

مس و آلیاژهای آن

مس با رنگ نارنجی مایل به قرمز پنجمین فلز معمول در پوسته زمین است که به شکل خالص یا آلیاژ بسیار مفید است. برنج ، مس نیکل و برنز مهمترین آلیاژهای مس هستند. مس و آلیاژهای آن به دلیل برخی از خواص مطلوب مانند مقاومت در برابر خوردگی خوب ، هدایت الکتریکی و حرارتی زیاد ، قابلیت کار مکانیکی و قابلیت انعطاف پذیری در صنایع به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند .مس و آلیاژهای آن به دلیل کاربرد گسترده در تولید سیم ، ورق و خطوط لوله در صنایع الکترونیکی ، صنایع دریایی ، نیروگاه ها ، مبدل های حرارتی و برج های خنک کننده بسیار مورد توجه قرار می گیرند.

رفتار خوردگی مس

مس به عنوان یک فلز نجیب شناخته شده است که به دلیل تشکیل یک فیلم محافظ منفعل (اکسید) یا یک لایه غیر رسانای محصولات خوردگی در سطح آن ، مقاومت در برابر خوردگی مناسب را در جو و برخی از محیط های شیمیایی ایجاد می کند

با این حال ، بسته به شرایط محیطی ، خوردگی حفره ای ممکن است در سطح مس در حضور اکسیژن و برخی آنیونهای تهاجمی مانند یونهای کلرید و سولفات ایجاد شود خوردگی مس و تشکیل محصولات خوردگی بر روی سطح آن تأثیر منفی بر عملکرد سیستم ساخته شده از مس دارد و ممکن است کارایی آن را کاهش دهد .با توجه به استفاده گسترده از مس در صنایع مختلف ، موضوع محافظت در برابر خوردگی و خوردگی مس توجه بسیاری را به خود جلب کرده و مطالعات زیادی تا به امروز در مورد این موضوع انجام شده و همچنان ادامه دارد. یک تصویر شماتیک از صنایع مختلف مبتنی بر مس که از حملات خوردگی رنج می برند در شکل زیر ارائه شده است.

علت خوردگی مس

سیستمهای فلزی ساخته شده از مس (مانند مبدلهای حرارتی و تابلوها و مدارهای الکتریکی) معمولاً در معرض محیطهای تهاجمی مانند آب شور در سیستمهای نمک زدایی و مایعات خورنده در خطوط لوله نفت قرار می گیرند . علاوه بر این ، امواج جزر و مدی یا موج های دریا که باعث ایجاد چرخه های خشک و مرطوب می شوند ، خوردگی مس را تسریع می کنند به دلیل کاهش کیفیت لایه غیر فعال و / یا از تشکیل این لایه غیرفعال در چنین شرایطی جلوگیری می کنند. روند افزایشی تعداد مقالات منتشر شده در مورد بازدارنده های خوردگی مس در سال های اخیر .اهمیت این موضوع را برای محققان نشان می دهد.

با وجود ویژگی های مقاوم در برابر خوردگی ، مس به عنوان یک فلز استراتژیک در زمینه های صنعتی از خوردگی آبی توسط بسیاری از یون های تهاجمی رنج می برد. بنابراین محافظت در برابر خوردگی مس مسئله بسیار مهم و چالش برانگیزی است. در این راستا ، محققان از طیف وسیعی از بازدارنده های خوردگی برای چندین دهه استفاده کرده اند تا خسارات ناشی از آن در محیط های خورنده را به حداقل برسانند .روش موثر دیگر در برابر اثرات مخرب خوردگی ، استفاده از پوشش های حاوی بازدارنده های خوردگی است.

خوردگی مس در محیط اسیدی

رطوبت یکی از  مهمترین عوامل در خوردگی فلزات است زیرا الکترولیت را برای محیطهای  آند و کاتدی فراهم می کند. از طرف دیگر ، وجود نمک ها و ناخالصی های مختلف در محیط  از عوامل  افزایش دهنده  سرعت خوردگی می باشند .زیرا با ایجاد یک الکترولیت ،تبادل الکترون بین مواد درگیر در خوردگی را آسان می کند. pH محیط همچنین بر روند خوردگی تأثیر می گذارد. محیط اسیدی الکترولیت قوی تری ایجاد می کند و بنابراین سرعت خوردگی را افزایش می دهد. از طرف دیگر ، ایجاد اختلاف در pH در اشکال مختلف فلز باعث ایجاد محیط های انتهایی و متوسط ​​می شود که بر روند خوردگی تأثیر می گذارد.

بازدارنده خوردگی مس

میزان انحلال و خوردگی فلز مس در محیط های مختلف توسط سرعت واکنش آندی و کاتدی در سطح مس کنترل می شود. استفاده از بازدارنده های خوردگی یک روش موثر برای کاهش میزان خوردگی مس است. احتمال تشکیل فیلم غیرفعال در سطح مس در محیط های بسیار تهاجمی یا در حضور یون های خورنده مانند کلرید و سولفات کم است و بنابراین از مهار کننده های خوردگی برای کنترل میزان خوردگی در چنین محیط های تهاجمی استفاده می شود.

عمل بازدارنده برای کاهش واکنش آندی یا کاتدی یا هر دوی آنها نوع مهار کننده خوردگی را تعیین می کند  اگر افزودن بازدارنده خوردگی به محیط خورنده ، انحلال آندی مس را کاهش دهد ، بازدارنده خوردگی مهار آندی را فراهم می کند ، در حالی که بازدارنده های خوردگی کاتدی سرعت واکنش های کاتدی (کاهش اکسیژن یا هیدروژن) در سطح مس را کاهش می دهد. بازدارنده خوردگی نوع مخلوط میزان واکنشهای آندی و کاتدی را به طور همزمان کنترل می کند.

بیشتر بخوانید: خوردگی چیست؟خوردگی فلزات و روش های جلوگیری از آن

بیشتر ترکیبات هتروسیکلهای حاوی نیتروژن سنتز شده ، مهار خوردگی از نوع مخلوط را برای محافظت از سطح فلز در محلولهای اسیدی فراهم می کند با این حال ، در برخی موارد واکنش کاتدی تحت تأثیر مهار کننده های خوردگی قرار گرفته است بازده مهار خوردگی یکی از اصلی ترین فاکتورها برای ارزیابی عملکرد بازدارنده خوردگی در یک محیط خاص است. بازده بازدارنده خوردگی به ترکیب شیمیایی ، ساختار و خصوصیات الکترونیکی (الکترواستاتیک) بازدارنده خوردگی ، ماهیت فلز و خصوصیات مختلف محیط بستگی دارد. تلاش های قابل توجهی برای توسعه بازدارنده های خوردگی و افزایش بازده مهار خوردگی آنها انجام شده است.

طبقه بندی بازدارنده های خوردگی مس و آلیاژ های آن

بازدارنده های خوردگی که برای مس استفاده می شود نیز می تواند به بازدارنده های خوردگی آلی و غیر آلی تقسیم شود. از انواع مختلف بازدارنده های خوردگی غیر آلی مانند کرومات ها  ، مولیبدات هاو تترابورات ها  برای کاهش میزان خوردگی مس استفاده می شود ، اگرچه استفاده از این ترکیبات با چالش هایی همراه بود . به عنوان مثال ، کرومات یک ترکیب سمی است و همچنین با افزایش سرعت واکنش کاتدی ، سرعت خوردگی را افزایش می دهد. مولیبدات و تترابورات به دلیل ناپایداری لایه محافظ تشکیل شده در سطح فلز ، بازده مهار خوردگی مناسبی را ارائه نمی دهند.

علیرغم بازدارنده های خوردگی آلی ، تغییرات در کارایی بازدارندگی خوردگی مهارکننده های خوردگی غیرآلی با تغییر زمان و دما قابل اغماض است. با این حال ، بیشتر بازدارنده های خوردگی غیر آلی ، بازده مهار خوردگی ضعیف را ایجاد می کنند. به طور کلی ، از بازدارنده های خوردگی آلی و مشتقات آنها برای محافظت از مس به دلیل بازده بالای مهار خوردگی در مقایسه با ترکیبات غیر آلی استفاده می شود.

لازم است برای درک بهتر رفتار بازدارندگی خوردگی ، اطلاعاتی در مورد خصوصیات یک ترکیب آلی مانند تعداد محل جذب آن ، انتقال بار ، ابعاد مولکولی ، نوع برهم کنش با سطح فلز و در نتیجه تشکیل مجموعه فلزی وجود داشته باشد.

عوامل موثر در بازدارندگی خوردگی

ساختار مولکولی بازدارنده خوردگی نقش مهمی در فعل و انفعالات بین بازدارنده خوردگی و سطح فلز دارد . در این حالت ، وجود هترواتمی مانند نیتروژن، اکسیژن، فسفر و گوگرد به عنوان مرکز محل جذب باعث تبادل الکترون بین بازدارنده خوردگی و مس (که دارای یک اوربیتال خالی است) است. همچنین چندین پیوند بین بازدارنده خوردگی و سطح فلز ایجاد می شود که احتمال ایجاد پیوند قوی تر (نوع شیمیایی) بین آنها را افزایش می دهد .در حضور بازدارنده خوردگی آلی در محیط خورنده ، جذب مولکول های آن بر روی سطح فلز منجر به تشکیل یک لایه محافظ چسب بر روی سطح مس می شود که از خوردگی آن جلوگیری می کند.

اثر بخشی و توانایی یک بازدارنده خوردگی در محافظت از مس در برابر خوردگی ، به برخی از عوامل  زیر بستگی دارد مانند :

• رشد فیلم بازدارنده توسط پلیمریزاسیون
• فعل و انفعالات π-π و ون در والس
• مقاومت پیوند با سطح فلز و وجود اکسیژن ، نیتروژن
• هترواتومهای گوگرد در ساختار مولکولی بازدارنده خوردگی
• تعداد و نوع اتم ها
• گروه پیوند

 دما، pH و پایداری محیط های تهاجمی از دیگر عوامل موثر در کارایی بازدارندگی در برابر خوردگی یک بازدارنده خوردگی است.

اثر بخشی و توانایی یک بازدارنده خوردگی در محافظت از مس در برابر خوردگی ، به برخی از عوامل مانند رشد فیلم بازدارنده توسط پلیمریزاسیون ، فعل و انفعالات π-π و ون در والس ، مقاومت پیوند با سطح فلز و وجود اکسیژن ، نیتروژن بستگی دارد.

از ترکیبات آزول (تولیل تری آزول ، بنزو تری آزول ، ایمیدازول و تیادیازول)، آمین ها، بازهای شیف و ترکیبات دارویی اسید آمینه می توان به عنوان مهمترین بازدارنده های خوردگی استفاده کرد که برای محافظت از مس استفاده می شود. شکل زیر انواع  بازدارنده های معمول برای خوردگی مس را نشان می دهد.

بنزو تری ازول

بنزو تري آزول (BTA) با ساختار شيميايي C6H5N3 يكي از مهمترين مشتقات آزول است كه به عنوان يك بازدارنده خوردگي بسيار پرکاربرد براي مس و آلياژهاي آن ، به ويژه در كلريد شناخته شده است.

اشتعال پذیری و سمی بودن برای پوست و چشم از مهمترین عوامل کاهش دهنده است سمیت آنها نسبت به سایر ترکیبات آلی کمتر است بنزوتریازول و مشتقات آن بازدارنده های خوردگی کارآمد و پایدار برای مس در محیط های خنثی و قلیایی هستند و اثرات مهار خوردگی آنها برای مدت طولانی باقی می ماند . بازدارنده خوردگی بنزوترازول به دلیل خاصیت محافظتی خوب در هر دو حالت راکد و جریان استفاده می شود و مقرون به صرفه است. بنزوتریازول یک بازدارنده خوردگی هتروسیکلیک اروماتیک ، حاوی سه اتم نیتروژن است .

مکانسیم بازدارندگی  خوردگی BTA

بطور کلی پذیرفته شده است که مکانیسم مهار خوردگی BTA در محلولهای خنثی و قلیایی حاوی جذب مولکولهای BTA در سطح مس  و تشکیل یک لایه یا لایه چند لایه محافظ در وجود اکسیدان یا قطبش آندی .این فیلم با تکنیک های طیف سنجی به عنوان یک کمپلکس پلیمری [Cu (I) BTA] شناخته شده است . تجزیه بیولوژیکی BTA یکی از نقص های آن است که ممکن است اجازه ورود فاضلاب با مقادیر بالای مواد خطرناک را به آبراهه های عمومی بدهد .

ترکیبات ایمیدازول

ترکیبات ایمیدازول (IMD) یکی از مهمترین مشتقات آزول است که خواص مهار خوردگی را فراهم می کند و علاوه بر این به عنوان ضد سرطان ، ضد باکتری ، ضد قارچ و ضد التهاب عمل می کند. IMD یک ترکیب معطر هتروسیکل است که از سه اتم کربن و دو نیتروژن تشکیل شده است (متمایز از پیریدین و پیرول) که به دلیل قطبیت زیاد ، حلالیت بالایی در آب دارند.بنابراین ، تلاش های قابل توجهی برای جایگزینی احتمالی سایر بازدارنده های خوردگی با BTA در محیط های اسیدی انجام شده است. با این حال رسیدن به راندمان بالای مهار خوردگی BTA سخت است.

شیمی ایمیدازول ها

ترکیبات IMD ترکیبات آلی با دو اتم نیتروژن در حلقه هتروسیکلیک هستند این خانواده ازولها از نظر ساختار دارای دو مکان اسیدی و اساسی هستند و بنابراین یک طبیعت آمفوتریک فراهم می کند که در آن نیتروژن پیریدین محل اصلی و هیدروژن پیرول (پیوند تک HN پیوند C) محل اسیدی است. مولکول IMD دو محل اتصال مناسب برای اتصال سطح را نشان می دهد: اتم نیتروژن با جفت الکترون sp2 ناپیوندی و حلقه اروماتیک. اثر IMD بر مهار خوردگی به دلیل حلالیت زیاد در آب نسبت به سایر مشتقات آزول کمتر است .مکانیسم مهار خوردگی IMD مانند سایر ترکیبات آزول است و شامل جذب مولکول های بازدارنده خوردگی در سطح مس و سپس تشکیل کمپلکس محافظ با مس است.

بازدارنده های خوردگی طبیعی

در میان بازدارنده های خوردگی سازگار با محیط زیست ، مواد طبیعی از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. عصاره های قسمت های مختلف گیاهان که منبع غنی از ترکیبات شیمیایی هستند از اهمیت قابل توجهی برخوردار هستند. این ترکیبات با استفاده از ابزارهای ساده و با هزینه کم به راحتی استخراج می شوند. علاوه بر این ، آنها به دلیل دسترسی خوب و تجزیه بیولوژیکی ، یک منبع تجدید پذیر برای بازدارنده های خوردگی فراهم می کنند. بنابراین ، بررسی اکتشاف گیاهان طبیعی با طبیعت بازدارنده از خوردگی مورد توجه قرار گرفت و دارای ارزش عملی و علمی زیادی است . بازده مهار خوردگی عصاره های گیاهی از گیاهان طبیعی به موقعیت جغرافیایی آن گیاه و مکانی که از بازدارنده خوردگی استفاده می شود بستگی دارد.

ترکیبات دارویی

در سالهای اخیر توسعه مهارکننده های خوردگی سازگار با محیط زیست بسیار مورد توجه قرار گرفته است. رفتار بازدارندگی خوردگی ترکیبات دارویی فعال به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته و برخی از این ترکیبات به عنوان بازدارنده های خوردگی استفاده شده اند . با این حال ، تعداد کمی از ترکیبات دارویی برای مهار خوردگی مس و آلیاژهای آن استفاده شده است. مهار کننده های خوردگی دارویی در ساختار مولکولی خود دارای گروه های کربوکسیل و هتروسیکل هستند و بیشتر آنها ترکیبات سازگار با محیط زیست هستند ، علاوه بر این که بازده مهار خوردگی بالایی را فراهم می کنند.

آمینو اسید

در میان ترکیبات آلی مورد استفاده و صنعتی که به عنوان بازدارنده های خوردگی استفاده می شوند ، ترکیبات غیر سمی مواد استراتژیک به ویژه در طول سال های اخیر هستند. این ترکیبات شامل اسیدهای آمینه  ، برخی از مشتقات آن به عنوان سیستئین  ، متیونین ، گلیسین و تانن یا ایزاتین که برای فلزات مختلف به عنوان بازدارنده های خوردگی استفاده می شد.

روش های ارزیابی کارایی بازدارنده های خوردگی

چندین روش برای نظارت بر خوردگی استفاده می شود. برخی از روشهای پرکاربرد اندازه گیری کاهش وزن ، اندازه گیری قطبش پتانسیودینامیکی و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی است. این روشها بخشی جدا نشدنی از هرگونه تحقیق در مورد بازده مهار خوردگی هستند. برخی از روشهای جدید نیز وجود دارد ، مانند میکروسکوپ الکتروشیمیایی اسکن (SECM) و تکنیک الکترود لرزاننده اسکن (SVET). در این بخش ، استفاده از این روش ها ، برای بررسی تأثیر بازدارنده های خوردگی بر پدیده های خوردگی بررسی می شود. لازم به ذکر است که روشهای تجزیه و تحلیل سطح به طور گسترده ای برای مطالعه مکانیسم مهار خوردگی استفاده می شود.

بیشتر بخوانید: زنگ آهن چیست؟