ИССЛЕДОВАНИЕ СУЛЬФАМИДНОГО ПРЕПАРАТА В КАЧЕСТВЕ ИНГИБИТОРА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ СТАЛИ СТ3, ВЫЗЫВАЕМОЙ СУЛЬФАТРЕДУЦИРУЮЩИМИ БАКТЕРИЯМИ

STUDY OF SULPHAMIDE MEDICAMENT AS INHIBITOR OF MICROBIOLOGICAL CORROSION OF STEEL ST3 CAUSED BY SULFATREDUCTING BACTERIA

Maria Agievich

сandidate of Chemical Sciences, Associate Professor of Immanuel Kant Baltic Federal University,

Russia, Kaliningrad

Ksenia Cherkashina

graduate Student of Immanuel Kant Baltic Federal University,

Russia, Kaliningrad

Valentin Gurchenko

postgraduate Student of Immanuel Kant Baltic Federal University,

Russia, Kaliningrad

Angela Gribankova

doctor of Pedagogic Sciences, Candidate of Chemical Sciences, Full Professor of Immanuel Kant Baltic Federal University,

Russia, Kaliningrad

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрена микробиологическая коррозия стали Ст3 в среде, содержащей сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) и предложен способ её снижения при помощи использования сульфамидного биоцидного ингибитора.

ABSTRACT

In this paper, the microbiologically influenced corrosion of St3 steel in a medium containing sulfate-reducing bacteria (SRB) is examined and a method for its reduction by using a sulfamide biocidal inhibitor is proposed.

Ключевые слова: коррозия стали, микробиологическая коррозия, ингибиторы коррозии, сульфатредуцирующие бактерии (СРБ), сульфамидные препараты.

Keywords: corrosion of steel, microbiologically influenced corrosion, corrosion inhibitor, sulfate-reducing bacteria (SRB), sulphamide medicaments.

1. Введение

Затраты на ликвидацию последствий от коррозионных разрушений наносят большой вред экономике развитых государств. Экономический ущерб от коррозии металлов огромен. В США согласно последним данным потери от коррозии и расходы на борьбу с ней составляют 3,1% от валового национального продукта. В соответствии с оценками специалистов различных стран эти потери в индустриально развитых странах достигают 2 – 4% валового национального продукта. При этом потери металлофонда, включая массу вышедших из строя металлических конструкций, оборудования и изделий, составляют от 10 до 20% годового производства стали [2, 5].

Особенную роль в усугублении коррозионных разрушений играет биокоррозия. По мнению ряда авторов, от 50 до 80% коррозионных повреждений трубопроводов обуславливается жизнедеятельностью микроорганизмов [4].

Впервые сведения о биологической коррозии появились в конце прошлого века, однако только сейчас становится ясным, что в некоторых отраслях народного хозяйства именно биологическая коррозия, а не электрохимическая коррозия является главным разрушителем металла. По данным некоторых иностранных ученых, до трех четвертей всех коррозионных потерь обусловлено деятельностью микроорганизмов, а в нефтедобывающей промышленности до 80 %, причём главным образом в результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий. Разрушение металлов также вызывают серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии, водородные бактерии, метанобразующие бактерии [1].

2. Методика эксперимента

2.1 Культивирование сульфатредуцирующих бактерий (СРБ)

Проба воды была взята из Балтийского моря (побережье города Пионерский Калининградской области). Для культивирования СРБ была использована питательная среда Постгейта Б.

Таблица 1.

Состав питательной среды Постгейта Б

Питательная среда приготовлена растворением компонентов в морской воде с последующей стерилизацией при температуре 121°С.

В простерилизованные пробирки ёмкостью 50 мл помещены по одной, с обезжиренной спиртом поверхностью (ГОСТ 18300-87), стальной пластине и прилито по 20 мл пробы морской воды, доведён объём жидкости в каждой пробирке максимально до верхнего края питательной средой Постгейта Б и они закрыты резиновой пробкой так, чтобы не было пузырьков воздуха.

Штатив с пробирками поставлен в термостат при температуре 37°С на несколько суток. Чистая культура СРБ была получена путём многократных переносов части проб бактерий из старой питательной среды в свежеприготовленную.

2.2 Используемый ингибитор микробиологической коррозии (ИМК)

В качестве ИМК был использован сульфамидный препарат, который является эффективным химиотерапевтическим препаратом, который одним из первых стал систематически использоваться для предупреждения и лечения бактериальных инфекций у человека [3, 6].

Для ИМК проводилось определение биоцидности по отношению к ряду бактерий (Aeromonas, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Enterobacter, Staphylococcus, Citribacter Micrococcus). Исследования проведены в КТИРПиХ (КТИ). Для определения чувствительности бактерий к ИМК использован диско-диффузионный метод в соответствии с Методическими указаниями 4.2.1890-04. Было выявлено, что исследуемый ИМК проявляет биоцидную активность.

ИМК был растворён в Диметилсульфоксиде (ГОСТ 2635-114-44493179-08) и введён в питательную среду Постгейта Б. ИМК исследован при трёх концентрациях в двух параллельных опытах.

2.3 Экспонирование исследуемых образцов в среде, содержащей СРБ

В простерилизованные пробирки ёмкостью 50 мл помещены по одной, с обезжиренной спиртом поверхностью (ГОСТ 18300-87), стальной пластине и прилито по 20 мл пробы питательной среды Постгейта Б, содержащей СРБ, доведён объём жидкости в каждой пробирке максимально до верхнего края «чистой» питательной средой Постгейта Б и они закрыты резиновой пробкой так, чтобы не было пузырьков воздуха.

Через 48 часов извлечены и заменены стальные пластины на заранее обработанные исследуемые образцы. Исследуемые образцы заточены на абразивном диске, обезжирены спиртом (ГОСТ 18300-87) и обработаны в бактерицидном боксе. Также исследуемые образцы были взвешены и замерена их площадь. В пробирки с бактериями вводили ИМК в следующих концентрациях: 0,5 ммоль∙л^-1, 1,0 ммоль∙л^-1, 2,0 ммоль∙л^-1.

2.4 Определение электродного потенциала пластины

Измерение проведено относительно хлорсеребряного электрода по схеме, в которой в качестве анода был хлорсеребряный электрод, а в качестве катода – исследуемый стальной образец. Стальной образец находился в коррозионной среде, а хлорсеребряный электрод в насыщенном растворе хлорида калия (ГОСТ 4568-95). Коррозионная среда и насыщенный раствор KCl были соединены электролитическим ключом, заполненным агар-агаром (ГОСТ 17206-96) с хлоридом калия (ГОСТ 4568-95).

2.5 Определение содержания биогенного сероводорода

Проведено обратное йодометрическое титрование по методике ГОСТ 39-234-89 «Вода для заводнения нефтяных пластов. Определение содержания сероводорода».

2.6 Определение концентрации клеток СРБ

Численность бактерий измерена при помощи камеры Горяева и микроскопа Carl Zeiss Axio Lab.A1.

3. Результаты эксперимента

3.1 Электродный потенциал пластины

Поскольку для электрохимической коррозии чаще всего контролирующим является анодный процесс, то наиболее положительные значения электродного потенциала стальной пластины будут соответствовать торможению процесса электрохимической коррозии.

При введении ИМК в водно-солевую среду, содержащую СРБ, электродный потенциал стальной пластины смещается в более положительную область, что является показателем торможения анодного процесса электрохимической коррозии. Наиболее сильный эффект оказал ИМК при концентрации 0,5 ммоль∙л^-1.

Рисунок 1. Наилучшее влияние ИМК (при концентрации 0,5 ммоль∙л^-1) на электродный потенциал стальной пластины в коррозионной среде, содержащей СРБ

3.2 Окислительно-восстановительный потенциал

Выделяемый клетками СРБ биогенный сероводород влияет на окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) среды. Сероводород является характерным восстановителем, следовательно, при увеличении концентрации сероводорода происходит усиление восстановительных свойств среды, то есть значения ОВП смещаются в отрицательную область. Смещение ОВП в положительную область может быть вызвано гибелью бактерий и, как следствие, уменьшением концентрации биогенного сероводорода или же расходованием сероводорода на образование слоя сульфидов на поверхности металла. СРБ могут развиваться в широком диапазоне значений ОВП среды, но наиболее активно их развитие происходит при его отрицательных значениях.

Наиболее отрицательные значения ОВП среды наблюдаются в контрольной пробе, а пробы, содержащие ИМК, имеют более положительные его значения.

Рисунок  2. Наилучшее влияние ИМК (при концентрации 2,0 ммоль∙л^-1) на окислительно-восстановительный потенциал коррозионной среды, содержащей СРБ

3.3 Водородный показатель коррозионной среды

рН среды определяет количество биогенного сероводорода в среде. В контрольной пробе pH среды уходит в более кислую область, чем в остальных пробах, но после 168 часов эксперимента смещается в более щелочную область, это объясняется подщелачиванием среды вследствие деполяризации. pH в пробах с ИМК смещается в более щелочные значения.

Рисунок 3. Наилучшее влияние ИМК (при концентрации 0,5 ммоль∙л^-1) на водородный показатель коррозионной среды, содержащей СРБ

3.4 Концентрация клеток СРБ

Значение общего микробного числа в контрольной пробе намного больше, чем в пробах с ИМК.

С течением эксперимента наблюдается уменьшение количества бактерий в пробах, это связано с истощением питательной среды, а также ее отравлением продуктами метаболизма СРБ.

Рисунок 4. Наилучшее влияние ИМК (при концентрации 2,0 ммоль∙л^-1) на концентрацию клеток СРБ в коррозионной среде

3.5 Концентрация биогенного сероводорода

С течением временем наблюдается постепенное увеличение концентрации сероводорода, что вызывает сульфидную коррозию металла. Наибольшее содержание сероводорода наблюдается в контрольной пробе. Это подтверждается внешним видом стальных пластин, после эксперимента. Контрольный образец был покрыт толстой сульфидной пленкой с хорошей адгезией. Образцы из проб, содержащих ИМК, были покрыты пленкой с худшим сцеплением с поверхностью.

До 72 часа эксперимента наблюдается резкий рост концентрации сероводорода. Затем рост концентрации замедляется, что вероятно вызвано истощением среды, а также расходованием сероводорода на образование сульфидной пленки на металле.

Рисунок 5. Наилучшее влияние ИМК (при концентрации 0,5 ммоль∙л^-1) на концентрацию сероводорода в коррозионной среде, содержащей СРБ

3.6 Скорость коррозии и защитный ингибирующий эффект

Вывод о том, обладает ли исследуемый ИМК при заданных концентрациях защитным ингибирующим эффектом, был сделан на основе скорости коррозии, полученной из результатов гравиметрических измерений исследуемых образцов до и после семидневной экспозиции в коррозионной среде.

Рисунок 6. Скорость коррозии стальных пластин, находящихся в коррозионной среде, содержащей СРБ

По рисунку 7 видно, что положительным защитным ингибирующих эффектом обладает ИМК при всех исследованных концентрациях. Наилучший защитный ингибирующий эффект наблюдается при концентрации ИМК равной 0,5 ммоль∙л^-1 и, в этом случае, он составляет 30,10%.

Рисунок 7. Защитный ингибирующий эффект ИМК стальных пластин, находящихся в коррозионной среде, содержащей СРБ

Список литературы:

1. Войтович, В. А. Биологическая коррозия / В. А. Войтович, Л. Н. Мокеева. — Москва: Знание, 1980. — 64 с.
2. Кац, Н. Г. Химическое сопротивление материалов и защита оборудования нефтегазопереработки от коррозии: учебное пособие / Н. Г. Кац, В. П. Стариков, С. Н. Парфенова. — Москва: Машиностроение, 2011. — 436 с.
3. Машковский, М. Д. Лекарственные средства/ М. Д. Машковский. — 16-ое издание, переработанное, исправленное и дополненное — Москва: Новая волна, 2012. – 1216 с.
4. Притула, В. А. Защита заводских поземных трубопроводов от коррозии / В. А. Притула. – Москва: — Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. — 384 с.
5. Руководство для подготовки инспекторов по визуальному и измерительному контролю качества окрасочных работ — Екатеринбург: ООО "ИД «Оригами»", 2009 – 202 с.
6. Яхонтов, Л. Н. Синтетические лекарственные средства / Л. Н. Яхонтов, Р. Г. Глушков. — Москва: Медицина, 1983. — 272 с.