Bài viết nghiên cứu ảnh hưởng của sinh vật bám bẩn trong môi trường nước biển tới hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn bằng phương pháp protector trên đối tượng thép CT3, vật liệu phổ biến của các công trình trong nước biển, nhằm đưa ra những khuyến nghị bảo đảm hiệu quả khi ứng dụng công nghệ bảo vệ bằng phương pháp protector.
Nghiên cứu khoa học công nghệ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SINH VẬT BÁM BẨN TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN TỚI HIỆU QUẢ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PROTECTOR MAI VĂN MINH, LÊ THỊ MỸ HIỆP, PHAN BÁ TỨ ĐẶT VẤN ĐỀ Phương pháp bảo vệ chống ăn mịn mơi trường nước biển protector công bố lần vào năm 1820 [9] ngày trở lên phổ biến, so với bảo vệ dịng điện ngồi [1], phương pháp đặc biệt có lợi áp dụng cho cơng trình hàng hải đường ống dài, nằm sâu đất… Hiện nay, tiếp tục có nhiều cơng trình nghiên cứu nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu cho phương pháp này, chủ yếu tập trung giải tốn cơng nghệ vật liệu nhằm chế tạo protector đáp ứng độ tin cậy cho hệ thống [2] Tuy nhiên, để giải triệt để tốn bảo vệ mơi trường nước biển protector, ngồi u cầu tính chất vật liệu, nhiệt độ, pH, độ mặn, dòng chảy… cần có thêm nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng bám bẩn sinh học lên hệ thống q trình bảo vệ Bám bẩn sinh học mơi trường nước biển vấn đề tiếp tục quan tâm nghiên cứu, có chuyên gia Trung tâm Nhiệt đới Việt-Nga Về bản, q trình tích lũy tổ chức sinh vật hệ micro marco lên bề mặt vật liệu [11, 15] theo chế gồm sáu giai đoạn [12] Trong vùng biển nhiệt đới, sau 03 tháng [15] chúng đủ bao phủ tạo lớp ngăn cách vật lý bề mặt vật liệu protector với mơi trường điện ly Chính điều làm điều kiện cần cặp điện cực pin galvanic [3] Như vậy, bám bẩn, giai đoạn màng bám bẩn sinh học ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện bảo vệ phương pháp phân cực catôt cho vật liệu cần bảo vệ [10] Trong nghiên cứu gần đây, khẳng định hiệu bảo vệ protector điều kiện có bám bẩn sinh học tiếp tục trì sau 18 tháng [8] Tuy nhiên, đối tượng nghiên cứu loại vật liệu có độ bền ăn mịn cao, ngồi ra, tính chất nhẵn bóng bề mặt làm hạn chế bám bẩn, kết thí nghiệm chưa phản ánh đầy đủ ảnh hưởng bám bẩn sinh học Xuất phát từ lý trên, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng sinh vật bám bẩn môi trường nước biển tới hiệu bảo vệ chống ăn mòn phương pháp protector đối tượng thép CT3, vật liệu phổ biến cơng trình nước biển, nhằm đưa khuyến nghị bảo đảm hiệu ứng dụng công nghệ bảo vệ phương pháp protector VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 2.1.1 Chuẩn bị mẫu thử nghiệm Thành phần mẫu thử nghiệm 0,14-0,22% C, 0,3% Cr, 0,3% Ni, 0,5% S, 0,4% P, 0,15-0,30% Si, 0,40-0,65% Mn; Kích thước mẫu: 100mm x 150mm x 1,5mm xử lý bề mặt theo [5] Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 93 Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.1.2 Chuẩn bị mẫu protector Hình Protector kẽm gắn mẫu thử nghiệm Mẫu protector kẽm [4], kích thước mẫu 25 mm x 45 mm x 20 mm (RxDxC); trọng lượng khoảng 320 g 2.1.3 Chuẩn bị nước biển tiệt trùng Nước biển tự nhiên lấy Trạm Nghiên cứu thử nghiệm biển (Đầm BáyNha Trang - Khánh Hòa) thời gian triển khai mẫu thử nghiệm tự nhiên Sau tiệt trùng nồi hấp AutoLab [7] nhiệt độ 115oC thời gian 20 phút 2.2 Phương pháp 2.2.1 Thử nghiệm tự nhiên [6] Trạm Nghiên cứu thử nghiệm biển mẫu không bảo vệ (mẫu M1) mẫu có gắn protector (M2) 2.2.2 Triển khai thử nghiệm nước biển tiệt trùng Mẫu thử nghiệm có sử dụng phương pháp bảo vệ protector (mẫu M3) khơng có bảo vệ protector (mẫu M4) ngâm bình plastic 8,0 lit, đặt kệ phịng thí nghiệm độ bền 2.2.3 Tiến hành thu mẫu xử lý [14], đánh giá tốc độ ăn mòn phương pháp độ hụt khối [13] Đánh giá sinh khối bám bẩn mẫu thử nghiệm: η = mt − ma (kg/m2) S Trong đó: η - sinh khối bám bẩn, kg/m2; mt - tổng khối lượng mẫu thử nghiệm protector thu mẫu, kg; ma - tổng khối lượng mẫu thử nghiệm protector trước thử nghiệm, kg; S - diện tích bề mặt mẫu thử nghiệm, m2 94 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 Nghiên cứu khoa học công nghệ Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng bám bẩn sinh học đến ăn mòn nước biển Trạm thử nghiệm nước biển tiệt trùng (bỏ qua ảnh hưởng tác động ln chuyển nước biển, dịng chảy, thủy triều…) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc điểm bám bẩn mẫu thử nghiệm tự nhiên Hình Sinh khối bám bẩn mẫu M1-M2 Theo hình 2, sinh khối bám bẩn hai loại mẫu có biến đổi tương đồng Điều cho thấy, mơi trường nước biển, bám bẩn sinh học xảy mẫu thép Ct-3 trần mẫu thép bảo vệ protector Đối với mẫu thép Ct-3 sinh khối bám bẩn phụ thuộc chủ yếu vào thời gian ngâm nước biển Tuy nhiên, vào thời điểm sau tháng, sinh khối bám bẩn mẫu M2 thấp khoảng 0,7 kg/m2 (0,4920 kg so với 1,1737 kg) so với sinh khối bám bẩn mẫu M1 (hình 3) Điều giải thích: M1, bị ăn mòn sau tháng thử nghiệm, phản ứng ăn mòn tạo độ nhám bề mặt mẫu, điều làm gia tăng khả bám dính sinh vật bám bẩn ban đầu Trong đó, M2, sau tháng thử nghiệm giữ tương đối nhẵn bóng bề mặt ăn mịn khơng đáng kể (0,0544 g/m2.ng), vậy, bám dính sinh vật bám bẩn phần bị hạn chế Tuy nhiên, lợi khơng trì lâu xuất màng vi sinh vật bám bẩn phủ khắp bề mặt, điều kiện thuận lợi để khởi đầu cho q trình bám dính sinh vật khác tạo gia tăng bám bẩn cách nhảy vọt Ngồi ra, phản ứng điện cực catơt khử ion H+ cực tạo bóng hidro bề mặt mẫu thép giai đoạn phần hạn chế khả bám dính sinh vật Sau tháng thứ 6, sinh khối bám bẩn M2 cao M1, bên bề mặt M2 có đặc điểm “gồ ghề phức tạp” có gắn mẫu protector Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 95 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ b a c d e Hình Mẫu trước thử nghiệm (a); sau tháng (b); sau tháng (c); sau tháng (d); sau thời gian 13 tháng (e) Sinh khối bám bẩn mẫu M2 bắt đầu gia tăng mạnh tháng thứ từ trung bình khoảng 0,5 kg/m2 lên 1,34 kg/m2 tăng lên đỉnh tháng thứ 8, thứ vào khoảng 7,65 kg/m2 (gấp khoảng 15 lần so với tháng đầu tiên) 3.2 Đặc điểm ăn mòn mẫu thử nghiệm Hình Hụt khối ăn mịn mẫu M1, M4 96 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bám bẩn sinh học tác động mạnh mẽ tới ăn mòn vật liệu, điều giải thích nhiều nghiên cứu Cụ thể nghiên cứu này, hụt khối ăn mòn M1 điều kiện có bám bẩn ngày gia tăng cách biệt so với M4 điều kiện nước biển tiệt trùng (hình 4) Trong đó, hụt khối ăn mịn M2 M3 (cùng sử dụng protector) có gia tăng tương quan (hình 5) Tuy nhiên điều kiện có bám bẩn, hụt khối ăn mịn cao gia tăng với sinh khối bám bẩn Hụt khối ăn mịn điều kiện bị bám bẩn có chênh lệch không đáng kể so với điều kiện nước biển tiệt trùng Tuy nhiên hụt khối M2 từ đầu lớn so với hụt khối M3 Rõ ràng bám bẩn sinh học có tác động phần đến hiệu bảo vệ protector Tuy vậy, việc áp dụng phương pháp protector đảm bảo khả bảo vệ vốn có Hình Hụt khối ăn mịn mẫu M2, M3 Rõ ràng mẫu M1 có gia tăng hụt khối tương quan với thời gian thử nghiệm đặc biệt phụ thuộc mạnh vào gia tăng sinh khối bám bẩn (hình 6) Hình Hụt khối ăn mịn mẫu M1, M2 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 97 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong đó, hụt khối ăn mòn M2 nhỏ (dưới 0,2 g sau 13 tháng thử nghiệm) Hụt khối ăn mịn có nhảy vọt tháng thứ 7, (biên độ tăng khoảng 0,02g) Đây giai đoạn mà sinh khối bám bẩn mẫu thử nghiệm gia tăng mạnh Rõ ràng có tương quan q trình ăn mịn đặc điểm bám bẩn sinh học mẫu [15] Tuy nhiên, so với thời gian thử nghiệm tham chiếu với số liệu ăn mòn M1, ta thấy tác động khơng đáng kể Xét q trình thử nghiệm, nhận thấy protector chứng tỏ hiệu bảo vệ điều kiện sinh khối bám bẩn phủ khắp bề mặt mẫu thử nghiệm, chúng tạo lớp ngăn cách đáng kể mẫu thép (catôt) protector với môi trường nước biển (môi trường điện ly) Hình Giản đồ tốc độ ăn mịn mẫu M1-M2 Theo hình 7, tốc độ ăn mịn mẫu M1 biến đổi mạnh phụ thuộc đáng kể vào đặc điểm bám bẩn Trong đó, với mẫu M2, tốc độ ăn mòn giảm mạnh từ tháng thứ1 đến tháng thứ 5, tiếp đến giai đoạn dao động nhẹ từ tháng thứ đến tháng thứ 9, cuối giai đoạn giảm tương đối tuyến tính ổn định (khoảng 0,012 g/m2.ng) Hệ số ổn định phụ thuộc vào hiệu bảo vệ protector thông số liên quan dung lượng điện hóa protector, diện tích bề mặt mẫu vật liệu - catôt bảo vệ, khoảng cách từ protector đến catôt, đặc điểm môi trường điện ly… KẾT LUẬN - Bảo vệ kim loại phương pháp protector làm chậm lại tốc độ bám bẩn so với mẫu không bảo vệ - Bảo vệ catôt phương pháp protector kẽm môi trường nước biển có hiệu chống ăn mịn cao Bám bẩn sinh học có tác động tới hiệu bảo vệ protector Tuy nhiên, sau 13 tháng thử nghiệm tự nhiên, ảnh hưởng khơng đáng kể Như vậy, phương pháp protector tiếp tục khẳng định hiệu chống ăn mòn vật liệu điều kiện bị ảnh hưởng sinh vật bám bẩn mơi trường nước biển 98 Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Hồng Dư, Kết nghiên cứu ứng dụng công nghệ bảo vệ katode môi trường nước nhiễm mặn, Kỷ yếu Hội nghị KHCN môi trường tỉnh Miền Đông Nam lần 7, Tp HCM - 2001, tr.301-306 Bùi Bá Xuân, Nghiên cứu công nghệ chế tạo Protector Zn dùng để bảo vệ chống ăn mịn kết cấu thép cơng trình vùng biển, Luận án TS - ĐH Bách khoa Tp.HCM, 2010, tr.33-40 Trịnh Xuân Sén, Ăn mòn bảo vệ kim loại, NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006, tr.142-146 Tiêu chuẩn TCVN: 6024-1995, Prôtectơ kẽm - Yêu cầu kỹ thuật phương pháp thử ASTM G1-90, Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens, 1999 ASTM G52 - 00, Standard Practice for Exposing and Evaluating Metals and Alloys in Surface Seawater, 2006 Autoclaves for sterilization “Presoclave II” 50 and 80 -Data Sheet-Selecta.com Blackwooda D.J., Lim C.S., Teo S.L., Influence of fouling on the e ciency of sacrificial anodes in providing cathodic protection in Southeast Asian tropical seawater, 2010 Francis P.E., Cathodic Protection, BM Corporation, 2007, p.1-6 10 Guenzenec J.G., Dowling N.J., White D.C., Relationship between bacterial colonlization and cathodic current density associated with milde steel surface, Biofouling, 8:142-145 11 Kharchenko U.A., Beleneva I.A., Antifouling potential of a marine strain, Pseudomonas aeruginosa 1242, isolated from brass microfouling in Vietnam, International Biodeterioration & Biodegradation, 2012 12 Summary report (generic + industrial data) on scaling, fouling and corrosion parameters UCM, HOL, PTS, VITO, 2010, p.6-11 13 ГОСТ 9.908-85, Единая система защиты от коррозии и старения Металлы и сплавы Методы определения показателей коррозии и коррозионной стойкости, Межгосударственный станд арт, 1999 14 ГОСТ 9.907-2007, Единая система защиты от коррозии и старения Металлы, сплавы, покрытия металлические Методы удаления продуктов коррозии после коррозионных испытаний 15 Харченко У.В.,Беленева И.А., Ковальчук Ю.Л., Левин А.Л., Нгуен Куанг Тан, Май Ван Минь, Ли Тхи Ми Хиеп, Особенности коррозии и обрастания конструкционных материалов в морских тропических водах, поиск новых средств и методов защиты морских сооружений и техники, Отчет по темам «Эколан Т-1.2», 2011, c.18-23 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 99 Nghiên cứu khoa học công nghệ SUMMARY STUDYING ON THE IMPACT OF BACTERIA IN THE SEA WATER TO ANTI-CORROSION PROTECTIVE EFFICIENCY OF THE METHOD USING PROTECTOR The use of zinc protector for corrosion protection against steel and alloys in seawater are usually calculated according to the major technical parameters including electrochemical equivalent, location, shape, size and weight However, in tropical marine environmental conditions, bio-fouling is participated They grew very quickly and covered the entire surface of both the protector and materials and caused physical barriers which affect the material protection The study was done in natural seawater and sterilized seawater in 12 months The results indicate that biofouling strongly affected the corrosion rate of mild steel in seawater However it also indicated that the zinc-based protector still guarantees protection effectivity even when it was completely coated by macrofoulers In addition, at two months time point, the biomass on the protected samples was less than that compared to the unprotected samples This can be explained by the fact that the sample surface is smoother (due to less corrosion) and therefore marine organisms are more difficult to foul The effects of biofouling on the corrosion rate of protected mild steel samples by zinc protector are negligible Keywords: Biofouling, cathodic protection, zinc protector Nhận ngày 06 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày tháng10 năm 2017 Chi nhánh Ven biển, Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga 100 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 12, 10 - 2017 ... LUẬN - Bảo vệ kim loại phương pháp protector làm chậm lại tốc độ bám bẩn so với mẫu không bảo vệ - Bảo vệ catôt phương pháp protector kẽm môi trường nước biển có hiệu chống ăn mịn cao Bám bẩn sinh. .. tới hiệu bảo vệ protector Tuy nhiên, sau 13 tháng thử nghiệm tự nhiên, ảnh hưởng khơng đáng kể Như vậy, phương pháp protector tiếp tục khẳng định hiệu chống ăn mòn vật liệu điều kiện bị ảnh hưởng. .. hưởng bám bẩn sinh học đến ăn mòn nước biển Trạm thử nghiệm nước biển tiệt trùng (bỏ qua ảnh hưởng tác động ln chuyển nước biển, dịng chảy, thủy triều…) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc điểm bám bẩn mẫu