Metall korrosjon og effektiviteten av korrosjonshemmere i mindre ledende medier
Summary
Testing av prosesser knyttet materiale korrosjon kan ofte være vanskelig spesielt i ikke-vandig miljøer. Her presenterer vi forskjellige metoder for kortsiktige og langsiktige testing av korrosjon atferd av ikke-vandig miljøer som biodrivstoff, spesielt de som inneholder bioetanol.
Abstract
Materielle korrosjon kan være en begrensende faktor for ulike materialer i mange programmer. Derfor er det nødvendig å forstå korrosjon prosesser, hindre dem og redusere skadene knyttet til seg. En av de viktigste egenskapene av korrosjon prosesser er korrosjon. Måling av korrosjon priser er ofte svært vanskelig eller umulig spesielt i mindre ledende, ikke-vandig miljøer som biodrivstoff. Her presenterer vi fem forskjellige metoder for fastsettelse av korrosjon priser og effektiviteten av anti-korrosjon beskyttelse i biodrivstoff: (i) en statisk test, (ii) en dynamisk test, (iii) en statisk test med en reflux kjøligere og elektrokjemiske målinger (iv) i en to elektrode ordningen og (v) tre elektrode arrangement. Statisk testen er fordelaktig på grunn av sin lave krav til materiell og instrumentale utstyr. Dynamisk testen gir testing av korrosjon utbredelsen av metalliske materialer på mer alvorlige forhold. Statisk testen med en reflux kjøligere tillater testing i miljøer med høyere viskositet (f.eks, motoroljer) ved høyere temperaturer i nærvær av oksidasjon eller en inert atmosfære. Elektrokjemiske målingene gi mer omfattende informasjon om korrosjon prosesser. Presentert celle geometrier og ordninger (to-elektrode og tre elektrode systems) gjør det mulig å utføre målinger i biodrivstoff miljøer uten base electrolytes som kan ha en negativ innvirkning på resultatene og laste dem med feil av måling. Metodene presentert gjør det mulig å studere korrosjon aggressivitet av et miljø, korrosjonsbeskyttelse av metalliske materialer og effektiviteten av korrosjonshemmere med representant og reproduserbar resultater. Resultatene ved hjelp av disse metodene kan hjelpe for å forstå korrosjon prosessene i mer detalj å minimere skader forårsaket av korrosjon.
Introduction
Korrosjon forårsaker stor materiale og økonomiske skader verden. Det fører til betydelig materiell tap som følge av delvis eller fullstendig materiale oppløsning. Utgitt partikler kan forstås som urenheter; de kan negativt endre sammensetningen av omgivelsene eller funksjonaliteten til ulike enheter. Korrosjon kan også forårsake negative visuelle endringer av materialer. Dermed er det behov for å forstå korrosjon prosesser nærmere å utvikle tiltak for å hindre korrosjon og minimere dens potensielle risikoer1.
Vurderer miljøspørsmål og begrensede fossile reserver er det en økende interesse for alternative drivstoff, blant annet biodrivstoff fra fornybare kilder spiller en viktig rolle. Det finnes en rekke forskjellige potensielt tilgjengelig biodrivstoff, men bioetanol produsert fra biomasse for tiden er det mest hensiktsmessige alternativet for erstatter (eller blending med) bensin. Bruk av bioetanol er regulert av direktivet 2009/28/EC i EU2,3.
Etanol (bioetanol) har vesentlig forskjellige egenskaper med bensin. Det er svært polar, ledende, fullstendig blandbar med vann, etc. disse egenskapene gjør etanol (og drivstoff blander som inneholder etanol også) aggressiv i forhold til korrosjon4. For drivstoff med lavt etanol innhold, forurensning av små mengder vann kan forårsake separasjon av vann-etanol fase fra hydrokarbon fase og dette kan være svært etsende. Vannfri etanol selv kan være aggressiv for noen mindre edle metaller og forårsake “tørr korrosjon”5. Med eksisterende biler, kan korrosjon oppstå i noen metallisk deler (spesielt fra kobber, messing, aluminium eller karbonstål) som kommer i kontakt med drivstoff. Videre kan polar forurensninger (spesielt klorider) bidra til korrosjon som forurensning; oksygen løselighet og oksidasjon reaksjoner (som kan forekomme i etanol bensin blander (EGBs) og en kilde til syreholdig stoffer) kan også spille en viktig rolle6,7.
En av mulighetene på hvordan å beskytte metall fra korrosjon er bruken av såkalte korrosjonshemmere som gjør det mulig å vesentlig tregere (hemme) korrosjon behandler8. Valg av korrosjonshemmere avhenger av typen korrosivt miljø, tilstedeværelse av korrosjon stimulators, og spesielt på mekanismen av en gitt inhibitor. Foreløpig er det ingen allsidig databasen eller klassifisering tilgjengelig som vil aktivere enkel orientering i korrosjonshemmere.
Korrosjon miljøer kan deles inn i vandig eller ikke-vandig, som intensiteten og natur korrosjon prosesser i disse miljøene varierer betydelig. For ikke-vandig miljøer er elektrokjemiske korrosjon forbundet med forskjellige kjemiske reaksjoner typisk, mens bare elektrokjemiske korrosjon (uten andre kjemiske reaksjoner) oppstår i vandig miljøer. Videre er elektrokjemiske korrosjon mye mer intens i vandig miljøer9.
I ikke-vandig, flytende organisk miljøer avhengig korrosjon prosesser av graden av polariteten til de organiske forbindelsene. Dette er assosiert med substitusjon av hydrogen i noen funksjonelle grupper av metaller, som er forbundet med endring av egenskapene til de korrosjon prosessene fra elektrokjemiske kjemiske, som lavere korrosjon priser er vanlig i sammenligning med elektrokjemiske prosesser. Non-vandig miljøer har vanligvis lave verdier av elektrisk ledningsevne9. For å øke ledningsevne i organisk miljøer, er det mulig å legge til såkalte støtte elektrolytter som tetraalkylammonium tetrafluoroborates eller perchlorates. Dessverre kan disse stoffene ha hemmende egenskaper, eller tvert imot, øke korrosjon priser10.
Det finnes flere metoder for kortsiktige og langsiktige testing av korrosjon av metalliske materialer eller effektiviteten av korrosjonshemmere, nemlig med eller uten miljø sirkulasjon, dvs, statisk og dynamisk korrosjon teste, henholdsvis 11 , 12 , 13 , 14 , 15. for begge metodene, beregning av korrosjon utbredelsen av metalliske materialer er basert på vekt tap av testet over en bestemt tidsperiode. Nylig blir elektrokjemiske metoder stadig viktigere i korrosjon studier på grunn av deres høy effektivitet og kort måling ganger. Videre kan de ofte gir mer og mer omfattende utsikt over korrosjon prosesser. De vanligste metodene er elektrokjemiske impedans spektroskopi (EIS), potentiodynamic polarisering og måling av stabilisering av korrosjon i tid (i en plan, to elektrode eller tre elektrode arrangement)16 ,17,18,19,20,21,22,23.
Her presenterer vi fem metoder for kortsiktige og langsiktige testing av korrosjon aggressivitet av et miljø, korrosjonsbeskyttelse av metalliske materialer og effektiviteten av korrosjonshemmere. Alle metodene er optimalisert for målinger i ikke-vandig miljøer og er vist på EGBs. Metodene tillater å skaffe representant og reproduserbar resultater, som kan bidra til å forstå korrosjon prosesser nærmere å forebygge og redusere korrosjon skader.
Statisk nedsenking korrosjon testen i metall-flytende systemer, statisk korrosjon tester i metall-flytende systemer kan utføres i en enkel apparater som består av en 250 mL flaske utstyrt med en krok henger et analysert utvalg, se figur 1.
For dynamisk korrosjon testen med flytende sirkulasjon, kan metall korrosjonshemmere eller aggressivitet av væsker (brensler) testes i en flyt apparater med sirkulasjon av flytende medium i figur 2. Flyt apparatet består av en herdet del og et reservoar av testet væsken. I herdet del er testet væsken i kontakt med en metallisk prøve i nærvær av luft oksygen eller i en inert atmosfære. Gassforsyning (luft) er sikret av en frit med røret nå bunnen av flasken. Reservoaret av testet væske som inneholder ca 400-500 mL av testet væsken er forbundet med en reflux kjøligere som tillater tilkobling av apparatet med atmosfæren. I kjøligere fryses fordampet delen av væsken på 40 ° C. Peristaltiske pumpen gir pumping av væsken med en passende hastighet på ca 0,5 Lh–1 via en lukket krets av kjemisk stabil og inert materialer (f.eksTeflon, Viton, Tygon) fra lagring del i herdet del, fra som væsken returnerer via overflyt i lagring del.
For statisk nedsenking korrosjon testen med en reflux kjøligere i nærvær av gass middels, korrosjonshemmere, kan motstanden av metalliske materialer eller aggressivitet av et flytende miljø testes i apparatet i Figur 3. Apparatet består av to deler. Den første delen består av en to-necked, herdet 500 mL kolbe med et termometer. Flasken inneholder en tilstrekkelig mengde et flytende miljø. Den andre delen består av (i) en reflux kjøligere med en jord glass felles å oppnå en tett forbindelse med kolbe, (ii) en kleshenger for å plassere metallisk prøver og (iii) en frit med et rør for gassforsyning (luft) som er nå bunnen av flasken. Apparatet er koblet til atmosfæren via kjøligere som unngår flytende fordampning.
Apparatet for de elektrokjemiske målingene ved to elektrode vises i Figur 4. Elektrodene er laget av metallplater (3 x 4 cm, fra stål), som er fullstendig innebygd i epoxide harpiks på den ene siden å beskytte dem mot etsende omgivelsene. Begge elektrodene er skrudd til matrix slik at avstanden mellom dem er ca 1 mm22.
Elektrokjemiske målinger ved tre elektrode består arbeider, og ekstra elektroder plassert i måling cellen slik at en liten avstand mellom elektrodene er sikret; se figur 5. Som referanse elektrode, calomel eller argent-klorid elektroder med en salt bro som inneholder (i) en 3 molL–1løsning av kalium nitrat (KNO3) eller (ii) en 1 molL–1løsning av litium klorid (LiCl) i etanol kan brukes. En platina wire, netting eller platen kan brukes som ekstra elektroden. Arbeider elektroden består av (i) en måling deler (testet materiale med en skrue tråd) og (ii) en skrue feste isolert fra korrosjon miljøet, se figur 6. Elektroden må være tilstrekkelig isolert av en anti-bufferunderflyt segl.
Protocol
Representative Results
Discussion
Grunnprinsippet av dynamisk testen og begge statisk testene er evalueringen av vekt tap av metallisk prøver i metall-korrosjon miljø (drivstoff) systemer avhengig til steady state er oppnådd (dvs.ingen ytterligere vekttap forekommer). Korrosjon beregnes av metallet i korrosjon miljøet fra vekttap og tid. Fordelen av langsiktig statisk korrosjon test (trinn 1) er påliteligheten av fått resultatene, enkelhet og lave krav på materiale og instrumentale utstyr. På den annen …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble finansiert av institusjonelle støtten for konseptuelle utviklingen av forskningsorganisasjon (organisasjonsnummer CZ60461373) gitt av departementet for utdanning, ungdom og sport, Tsjekkia, operasjonell Praha – konkurranseevne (CZ.2.16/3.1.00/24501) og «National Programme for bærekraft»-programmet (NPU jeg LO1613) MSMT-43760/2015).
Materials
| sulfuric acid | Penta s.r.o., Czech Republic | 20450-11000 | p.a. 96 % CAS: 7664-93-9 http://www.pentachemicals.eu/ |
| acetic acid | Penta s.r.o., Czech Republic | 20000-11000 | p.a. 99 % CAS: 64-19-7 http://www.pentachemicals.eu/ |
| sodium sulphate anhydrous | Penta s.r.o., Czech Republic | 25770-31000 | p.a. 99,9 % CAS: 7757-82-6 http://www.pentachemicals.eu/ |
| sodium chlorate | Penta s.r.o., Czech Republic | p.a. 99,9 % CAS: 7681-52-9 http://www.pentachemicals.eu/ |
|
| demineralized water | – | ||
| ethanol | Penta s.r.o., Czech Republic | 71250-11000 | p.a. 99 % CAS: 64-17-5 http://www.pentachemicals.eu/ |
| gasoline fractions | Ceská rafinerská a.s., Kralupy nad Vltavou, Czech Republic | in compliance with EN 228 (57.4 vol. % of saturated hydrocarbons, 13.9 vol. % of olefins, 28.7 vol. % of aromatic hydrocarbons, and 1 mg/kg of sulfur) | |
| Aceton | Penta s.r.o., Czech Republic | pure 99 % | |
| Toluen | Penta s.r.o., Czech Republic | pure 99 % | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Potenciostat/Galvanostat/ZRA | |||
| Reference 600 | Gamry Instruments, USA | https://www.gamry.com/ | |
| 1250 Frequency Response Analyser | Solarthrone | ||
| SI 1287 Elecrtochemical Interference | Solarthrone | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| Framework 5.68 | Gamry Instruments, USA | https://www.gamry.com/ | |
| Echem Analyst 5.68 | Gamry Instruments, USA | https://www.gamry.com/ | |
| Corrware 2.5b | Scribner | http://www.scribner.com/ | |
| CView 2.5b | Scribner | http://www.scribner.com/ | |
| Zview 3.2c | Scribner | http://www.scribner.com/ | |
| MS Excel 365 | Microsoft | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Grinder | |||
| Kompak 1031 | MTH (Materials Testing Hrazdil) |
References
- Revie, R. W., Uhlig, H. H. . Corrosion and corrosion control: An Introduction to corrosion science and engineering, 4th edition. , (2008).
- Edwards, R., Mahieu, V., Griesemann, J. -. C., Larivé, J. -. F., Rickeard, D. J. Well-to-wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context. Report No. 0148-7191. SAE Technical Paper. , (2004).
- . Directive 2009/28/ES. On the promotion of the use of energy from renewable rources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/77/EC Available from: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ALL/?uri=celex%3A32009L0028 (2009)
- Tshiteya, R. . Properties of alcohol transportation fuels. , (1991).
- Battino, R., Rettich, T. R., Tominaga, T. The solubility of oxygen and ozone in liquids. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 12 (2), 163-178 (1983).
- Hsieh, W. -. D., Chen, R. -. H., Wu, T. -. L., Lin, T. -. H. Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanol-gasoline blended fuels. Atmospheric Environment. 36 (3), 403-410 (2002).
- Pereira, R. C., Pasa, V. M. Effect of mono-olefins and diolefins on the stability of automotive gasoline. Fuel. 85 (12), 1860-1865 (2006).
- Schweitzer, P. A. . Fundamentals of corrosion: mechanisms, causes, and preventative methods. , (2009).
- Migahed, M., Al-Sabagh, A. Beneficial role of surfactants as corrosion inhibitors in petroleum industry: a review article. Chemical Engineering Communications. 196 (9), 1054-1075 (2009).
- Macák, J., #268;ernoušek, T., Jiříček, I., Baroš, P., Tomášek, J., Pospíšil, M. Elektrochemické korozní testy v kapalných biopalivech (Electrochemical Corrosion Tests in Liquid Biofuels) (in Czech). Paliva. 1 (1), 1-4 (2009).
- Nesic, S., Schubert, A., Brown, B. Thin channel corrosion flow cell. International patent. , (2009).
- Blum, S. C., Sartori, G., Robbins, W. K., Monette, L. M. -. A., Vogel, A., Yeganeh, M. S. Process for assessing inhibition of petroleum corrosion. International Patent. , (2003).
- . . Ochrana proti korozi. Inhibitory koroze kovů a slitin v neutrálních vodních prostředích. Laboratorní metody stanovení ochranné účinnosti (in Czech). , (1990).
- Matějovský, L., Baroš, P., Pospíšil, M., Macák, J., Straka, P., Maxa, D. Testování korozních vlastností lihobenzínových směsí na oceli, hliníku mědi a mosazi (Testing of Corrosion Properties of Ethanol-Gasoline Blends on Steel, Aluminum, Copper and Brass) (in Czech). Paliva. 5 (2), 54-62 (2013).
- Cempirkova, D., Hadas, R., Matějovský, L., Sauerstein, R., Ruh, M. Impact of E100 Fuel on Bearing Materials Selection and Lubricating Oil Properties. SAE Technical Paper. , (2016).
- Yoo, Y., Park, I., Kim, J., Kwak, D., Ji, W. Corrosion characteristics of aluminum alloy in bio-ethanol blended gasoline fuel: Part 1. The corrosion properties of aluminum alloy in high temperature fuels. Fuel. 90 (3), 1208-1214 (2011).
- Bhola, S. M., Bhola, R., Jain, L., Mishra, B., Olson, D. L. Corrosion behavior of mild carbon steel in ethanolic solutions. Journal of Materials Engineering and Performance. 20 (3), 409-416 (2011).
- Jafari, H., Idris, M. H., Ourdjini, A., Rahimi, H., Ghobadian, B. EIS study of corrosion behavior of metallic materials in ethanol blended gasoline containing water as a contaminant. Fuel. 90 (3), 1181-1187 (2011).
- Traldi, S., Costa, I., Rossi, J. Corrosion of spray formed Al-Si-Cu alloys in ethanol automobile fuel. Key Engineering Materials. , 352-357 (2001).
- Nie, X., Li, X., Northwood, D. O. Corrosion Behavior of metallic materials in ethanol-gasoline alternative fuels. Material Science Forum. 546, 1093-1100 (2007).
- Sridhar, N., Price, K., Buckingham, J., Dante, J. Stress corrosion cracking of carbon steel in ethanol. Corrosion. 62 (8), 687-702 (2006).
- Matějovský, L., Macák, J., Pospíšil, M., Baroš, P., Staš, M., Krausová, A. Study of Corrosion of Metallic Materials in Ethanol-Gasoline Blends: Application of Electrochemical Methods. Energy & Fuels. 31 (10), 10880-10889 (2017).
- Matějovský, L., Macák, J., Pospíšil, M., Staš, M., Baroš, P., Krausová, A. Study of Corrosion Effects of Oxidized Ethanol-Gasoline Blends on Metallic Materials. Energy Fuels. 32 (4), 5145-5156 (2018).
