Á sviði efnisvísinda og verkfræði eru hugtökin tæring, oxun og ryð oft notuð til skiptis. Hins vegar hafa þessir ferlar, þó tengdir, greinileg einkenni og áhrif. Að skilja ágreining þeirra skiptir sköpum fyrir atvinnugreinar, allt frá smíði til geimferða, þar sem þessi fyrirbæri geta haft veruleg áhrif á langlífi og öryggi efna og mannvirkja.
Hvað er tæring?
Tæring er smám saman niðurbrot efna, venjulega málma, af völdum efna- eða rafefnafræðilegra viðbragða. Það veikir efnið og hefur áhrif á uppbyggingu þess. Tæring getur leitt til bilunar ef það er óskoðað.
Niðurbrot efniseiginleika
Þegar tæring á sér stað breytir það eðlisfræðilegum eiginleikum efnisins. Þetta felur í sér styrk, útlit og jafnvel leiðni. Rafefnafræðileg viðbrögð milli málmsins og umhverfis hans valda þessari niðurbrot.
Tegundir tæringar
Tæring er ekki sú sama í öllum atburðarás. Mismunandi umhverfi og efni leiða til mismunandi tæringar. Hér að neðan eru nokkrar algengar gerðir:
Samræmd árás : Þetta er algengasta tæringarformið. Það kemur fram þegar allt yfirborð efnisins verður fyrir ætandi umhverfi, sem leiðir til jafnvel versnandi.
Galvanic tæring : Þessi tegund tæringar gerist þegar tveir ólíkir málmar eru í snertingu hver við annan í viðurvist salta. Því minna göfugt málmur verður rafskautið og tærist hraðar.
Ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[rautt])
ECELL = Frumu möguleiki, E0 = venjulegir rafskautsgetu, R = gas stöðugt, t = hitastig, n = fjöldi rafeinda sem flutt er, og F er Faraday stöðugur.
Tæringarhraði ∝ [Cl–] E (-∆G/RT)
Í þessari jöfnu er ΔG breytingin á ókeypis orku Gibbs, R er gas stöðugt og T er hitastigið.
PITTING : Þetta er staðbundið tæringarform sem hefur í för með sér litlar holur eða gryfjur á yfirborði málms. Það getur verið erfitt að greina það og getur leitt til skjótrar bilunar.
Tæringar á milli tæringar : Þessi tegund tæringar á sér stað meðfram kornamörkum málms, oft vegna úrkomu óhreininda eða myndunar mismunandi áfanga.
Tæring á veðrun : Það gerist þegar ætandi vökvi hreyfist yfir málmflöt með miklum hraða og veldur bæði vélrænni slit og efnafræðilegri niðurbroti.
Stress tæring sprunga : Þetta gerist þegar málmur er háður bæði togálagi og ætandi umhverfi, sem leiðir til myndunar og fjölgunar sprunga.
Selective útskolun : Þessi tegund tæringar felur í sér sértæka fjarlægingu eins þáttar úr álfelgi og skilur eftir sig veikt, porous uppbyggingu.
Efni sem hefur áhrif á tæringu
Tæring hefur ekki bara áhrif á málma. Önnur efni geta brotið niður líka:
Málmar : Járn, ál, kopar og málmblöndur þeirra hafa mest áhrif á tæringu.
Keramik : Þrátt fyrir sjaldgæfari geta keramik brotið niður með efnafræðilegum viðbrögðum við umhverfi sitt.
Fjölliður : Í stað þess að teygja sig, brotnar fjölliður. Þessi veiking getur leitt til sprungu, vinda eða aflitunar.
Hvað er oxun?
Oxun er efnaferli þar sem efni tapar rafeindum, venjulega bregst við súrefni. Það er hluti af hversdagsefnafræði, sem oft hefur í för með sér sýnilegar breytingar eins og lit eða áferð.
Efnaferli sem felur í sér tap á rafeinda
Í oxun gefur efni upp rafeindir til annarra. Súrefni er venjulega efnið sem tekur við þeim. Þessi viðbrögð geta komið fram bæði í lífrænum og ólífrænum efnum og breytt eiginleikum þeirra. Almenn oxunarviðbrögð er hægt að tákna sem:
M → M⁺ + E⁻
Hér táknar 'm ' efnið (oft málmur) sem tapar rafeindum og verður jákvætt hlaðinn jón (m⁺).
Dæmi um oxun í daglegu lífi
Oxun hefur áhrif á efni sem við notum á hverjum degi. Hér eru nokkur algeng dæmi:
Þetta rauðbrúnu lag veikir málminn.
Oxun í lífrænum efnum
Oxun gerist einnig í lifandi lífverum. En ólíkt málmum geta áhrifin verið gagnleg:
Uppörvun efnaskipta : Í líkama okkar hjálpar oxun að brenna mat fyrir orku og flýta fyrir umbrotum.
Lægri krabbameinsáhætta : Ákveðnir oxunarferlar í frumum hjálpa til við að koma í veg fyrir útbreiðslu skaðlegra sindurefna, sem getur lækkað krabbameinsáhættu.
Hvað er ryð?
Ryð er sérstök tegund tæringar sem hefur áhrif á járn og málmblöndur, svo sem stál. Það einkennist af rauðbrúnum lit og flagnandi áferð.
Þetta tæringarform á sér stað þegar járn verður fyrir raka og súrefni. Ferlið við myndun ryð felur í sér nokkur skref:
Oxunarviðbrögð : Járn missir rafeindir og hvarfast við súrefni í viðurvist vatns til að mynda járn (II) jónir.
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2E⁻
Myndun járnhýdroxíðs : Fe⊃2; ⁺ jónir bregðast við vatni og súrefni til að mynda járn (ii) hýdroxíð.
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + O₂ → Fe (OH) ₂
Oxun járnhýdroxíðs : Járn (II) hýdroxíð oxar enn frekar til að mynda járn (iii) hýdroxíð.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂o → 4fe (OH) ₃
Myndun ryðs : Járn (III) hýdroxíðfrumur til að mynda járn (III) oxíð-hýdroxíð, almennt þekkt sem ryð. Þessi ryð er flókin blanda af járnoxíðum og hýdroxíðum.
4fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3H₂O
Nokkur skilyrði geta stuðlað að myndun ryð:
Tilvist raka : Vatn virkar sem salta, sem gerir kleift að draga úr oxunarminnkun sem nauðsynleg er til að ryðga. Mikil rakastig eða bein útsetning fyrir rigningu getur flýtt fyrir ferlinu.
Útsetning fyrir súrefni og salta : Súrefni er nauðsynleg fyrir myndun ryð. Svæði með góða loftun eða mikla súrefnisstyrk eru hættari við ryð. Sölt og sýrur geta einnig aukið rafefnafræðilega virkni málmsins og flýtt fyrir ryðarferlinu.
Umhverfisþættir : Hitastig gegnir hlutverki í myndun ryð. Hærra hitastig getur aukið tíðni efnafræðilegra viðbragða, sem leiðir til hraðari ryð. Yfirborðsmengun eins og óhreinindi eða olía geta gripið raka á yfirborð málmsins og skapað staðbundin svæði viðkvæm fyrir ryði.
Mismunur á tæringu, oxun og
| ryðþátt | oxunar | tæringu | ryð |
| Skilgreining | Niðurbrot efna vegna efna- eða rafefnafræðilegra viðbragða við umhverfið | Efnaferli þar sem efni missir rafeindir, sem oft felur í sér súrefni | Sértækt tæringarform sem hefur áhrif á járn og járn málmblöndur |
| Gildissvið | Víðtækasta hugtakið, sem nær yfir ýmis konar niðurbrot efnis | Sérstök tegund efnaviðbragða | Sérstök afurð oxunar járns |
| Efni sem hefur áhrif | Ýmis efni þar á meðal málm, keramik og fjölliður | Bæði lífræn og ólífræn efni | Sérstaklega járn og málmblöndur þess |
| Umhverfisþættir | Krefst raflausnar | Þarf súrefni eða annað oxunarefni | Krefst bæði súrefnis og raka |
| Vörur | Getur leitt til ýmissa efnasambanda | Framleiðir oxíð | Myndar járnoxíð og hýdroxíð |
| Efnaferli | Felur oft í sér rafeindaflutning milli efnis og umhverfis | Tap á rafeindum, oft súrefni | Járn bregst við súrefni og vatni |
| Frama | Ýmis form (td pott, stigstærð) | Getur verið sýnilegt eða ósýnilegt eftir efni | Sérstakur rauðbrúnn litur |
| Áhrif | Venjulega skaðlegt efniseiginleika | Getur verið gagnlegt (td verndandi lög) eða skaðleg | Alltaf skaðlegt járni sem byggir á járn |
| Efnahagsleg áhrif | Mikilvægur í ýmsum atvinnugreinum | Mismunandi eftir samhengi | Verulegur í járnnotkun atvinnugreina |
Áhrif tæringar, oxunar og ryðs
Tæring, oxun og ryð hafa víðtækar afleiðingar sem ná út fyrir niðurbrot efna. Þeir geta leitt til verulegs efnahagslegs taps, valdið öryggisáhættu og jafnvel skaðað umhverfið.
Efnahagslegar afleiðingar
Kostnaðurinn sem tengist tæringu, oxun og ryð er yfirþyrmandi. Samkvæmt rannsókn Nace International er áætlað að alþjóðlegur kostnaður við tæringu sé 2,5 billjónir dollarar árlega, sem jafngildir 3,4% af landsframleiðslu heimsins.
Þessi kostnaður felur í sér:
Beinan kostnað við að skipta um eða gera við tærð efni og mannvirki
Óbeinn kostnaður svo sem tap á framleiðslu, umhverfisspjöllum og málaferlum
Viðhaldskostnaður vegna tæringarvarna og eftirlitsaðgerða
Atvinnugreinar sem hafa mest áhrif á tæringu eru:
Olía og gas
Samgöngur (bifreiðar, geimferðir, járnbraut og sjávar)
Innviðir (brýr, leiðslur og byggingar)
Framleiðslu- og vinnslustöðvar
Öryggisáhyggjur
Tæring, oxun og ryð geta haft áhrif á uppbyggingu heilleika bygginga, farartækja og innviða. Þessi rýrnun getur leitt til skelfilegra mistaka og sett líf í hættu.
Nokkur dæmi um öryggisáhættu af völdum tæringar fela í sér:
Hrun brýr eða bygginga vegna veiktra stálstyrkinga
Bilun í leiðslum, sem leiðir til olíumengunar eða gasleka
Bilun mikilvægra íhluta í flugvélum eða ökutækjum
Mengun drykkjarvatns frá tærðar rör
Afleiðingar umhverfisins
Tæring, oxun og ryð geta einnig haft verulegar afleiðingar umhverfisins. Þegar tærð mannvirki mistakast geta þau losað hættuleg efni út í umhverfið.
Til dæmis:
Tærð geymslutankar geta lekið efni eða jarðolíuafurðum, mengað jarðveg og grunnvatn
Ryðgað málmúrgangur getur lekið þungmálma í vistkerfið
Niðurbrot innviða getur leitt til óhagkvæmni, sem eykur losun gróðurhúsalofttegunda
Forvarnir og mótvægisaðgerðir
Að koma í veg fyrir og draga úr tæringu, oxun og ryð þarf fjölþætt nálgun. Þetta felur í sér vandlega efnisval, hönnunarsjónarmið, verndarmeðferð, umhverfisstjórnun og reglulegt eftirlit.
Efnisval og hönnun
Ein áhrifaríkasta leiðin til að koma í veg fyrir tæringu er með því að nota efni sem eru í eðli sínu ónæm fyrir því. Nokkur dæmi um tæringarþolnar málmblöndur fela í sér:
Þessi efni mynda verndandi oxíðlag á yfirborði þeirra, sem hjálpar til við að koma í veg fyrir frekari tæringu.
Hönnun gegnir einnig lykilhlutverki við að lágmarka tæringu. Verkfræðingar ættu að:
Forðastu skörp horn og sprungur þar sem ætandi efni geta safnast upp
Tryggja rétta frárennsli til að koma í veg fyrir standandi vatn
Notaðu soðna samskeyti í stað boltaðra eða hnoðaðra tenginga þegar mögulegt er
Hlífðarhúðun og meðferðir
Að nota hlífðarhúð og meðferðir á yfirborði efnis getur hjálpað til við að koma í veg fyrir tæringu. Nokkrar algengar aðferðir fela í sér:
Málning og olíur : Þessar skapa hindrun milli málmsins og umhverfisins og koma í veg fyrir útsetningu fyrir ætandi lyfjum.
Galvanisering : Þetta felur í sér að húða járn eða stál með lag af sinki, sem fórnarnar tærast til að vernda undirliggjandi málm.
Rafhúðun : Það setur þunnt lag af meira tæringarþolnum málmi, svo sem króm eða nikkel, á yfirborð annars málms.
Anodizing : Þetta ferli skapar þykkt, hlífðaroxíðlag á yfirborði málma eins og áli.
Passivation : Það felur í sér að meðhöndla yfirborð málms með efnafræðilegri lausn til að auka myndun verndaroxíðlags.
Umhverfiseftirlit
Að stjórna umhverfinu getur hjálpað til við að lágmarka útsetningu fyrir ætandi lyfjum. Nokkrar aðferðir fela í sér:
Að viðhalda lágu rakastigi til að draga úr raka í loftinu
Stjórnarhitastig til að forðast miklar sveiflur sem geta flýtt fyrir tæringu
Með því að nota rakakrem, loft hárnæring eða hitara til að stjórna umhverfinu
Geymsluefni á þurrum, vel loftræstu svæðum fjarri ætandi efnum
Tæringareftirlit og skoðun
Reglulegt eftirlit og skoðun getur hjálpað til við að greina tæringu snemma, sem gerir kleift að stunda tímabundið íhlutun. Þetta felur í sér:
Skoðun á sjónrænt fyrir merki um tæringu, svo sem aflitun, potti eða flagnað
Notkun prófunaraðferða sem ekki eyðileggja, svo sem mælingu á ultrasonic þykkt eða röntgenmynd, til að meta umfang tæringar án þess að skemma efnið
Að halda nákvæmar skrár um niðurstöður skoðunar til að fylgjast með framvindu tæringar með tímanum
Framfarir í tæringarvarnir og tækni
Þegar baráttan gegn tæringu heldur áfram eru vísindamenn og verkfræðingar að þróa nýstárlegar lausnir til að koma í veg fyrir og draga úr áhrifum þess. Þessar framfarir eru allt frá afkastamiklum húðun til rauntíma eftirlitskerfa og skáldsöguefna.
Þróun afkastamikils húðun
Eitt svæði þar sem veruleg framfarir er þróun háþróaðra hlífðarhúðunar. Þessar húðun veita yfirburði viðnám gegn tæringu, sliti og efnaárás. Nokkur athyglisverð dæmi eru:
Epoxý og pólýúretan húðun : Þetta býður upp á framúrskarandi viðloðun, endingu og ónæmi gegn raka og efnum. Þau eru mikið notuð í iðnaðar- og sjávarforritum.
Fluoropolymer húðun : Þekkt fyrir framúrskarandi efnaþol og lágan núnings eiginleika, flúorópólýmerhúð, svo sem PTFE (Teflon), eru tilvalin fyrir hörð umhverfi.
Lífræn innblásin sjálfheilandi húðun : Þessar nýstárlegu húðun líkja eftir sjálfsheilandi eiginleikum lifandi lífvera. Þau innihalda smásjárhylki fyllt með lækningarlyfjum sem losna þegar húðunin er skemmd, sem gerir það kleift að gera við sig.
Katódísk vernd og tæringarhemill tækni
Katódísk vernd er vel þekkt aðferð til að koma í veg fyrir tæringu í málmbyggingu. Það felur í sér að beita litlum rafstraumi á málminn, sem gerir það að bakskautinu í rafefnafrumu. Þetta kemur í veg fyrir að málmurinn tærist.
Tæringarhemlar eru efni sem, þegar bætt er við tærandi umhverfi, draga úr tæringarhraða. Þeir vinna með því að mynda hlífðarfilmu á málmflötinni eða með því að breyta efnafræði umhverfisins.
Nýlegar framfarir í þessari tækni fela í sér:
Hrifinn núverandi bakskautakerfi sem nota sólarorku eða aðra endurnýjanlega orkugjafa
Lífrænar tæringarhemlar fengnir úr plöntuútdráttum og öðrum vistvænum heimildum
Snjall húðun sem fella tæringarhemla og losa þá þegar þess er þörf
Rauntíma tæringareftirlit og snemma viðvörunarkerfi
Að greina tæringu snemma skiptir sköpum til að koma í veg fyrir skelfilegar bilanir. Rauntíma eftirlitskerfi nota skynjara til að mæla stöðugt ýmsar breytur sem tengjast tæringu, svo sem:
Rafefnafræðileg möguleiki
Tæringarstraumur
Umhverfisþættir (hitastig, rakastig, pH)
Þessi kerfi geta gert rekstraraðilum viðvart þegar tæringarhlutfall fer yfir ásættanlegt stig, sem gerir kleift að gera tímanlega íhlutun. Sum háþróuð kerfi nota jafnvel reiknirit vélanáms til að spá fyrir um tæringarhraða byggða á sögulegum gögnum.
Ný efni og tækni til að koma í veg fyrir tæringu í sjávarumhverfi
Sjávarumhverfi er sérstaklega krefjandi þegar kemur að tæringarvarnir. Sambland af saltvatni, líffræðilegri fouling og vélrænni streitu getur hratt brotið niður jafnvel öflugustu efnin.
Vísindamenn eru að þróa nýtt efni og tækni til að takast á við þessar áskoranir, svo sem:
Tæringarþolnar málmblöndur sem innihalda mikið magn af króm, nikkel og mólýbden
Samsett efni sem sameina styrk málma við tæringarþol fjölliða
Nanostructured húðun sem skapar ofur-vatnsfælið yfirborð, sem kemur í veg fyrir að vatn og önnur ætandi efni festist við málminn
Rafefnafræðilegar tæringaraðferðir, svo sem hrifnar núverandi bakskautsvernd og fórnarbúnað
Niðurstaða
Tæring, oxun og ryð eru tengd en aðgreindum ferlum sem geta haft veruleg áhrif á efni og mannvirki. Þó að oxun sé breið efnafræðileg viðbrögð brotnar tæring sérstaklega niður efni og ryð hefur aðeins áhrif á járn og málmblöndur þess.
Að skilja þennan mun skiptir sköpum fyrir að viðhalda öryggi og langlífi ýmissa eigna. Áframhaldandi rannsóknir á tæringarvísindum miða að því að þróa nýjar forvarnaraðferðir og tækni til að berjast gegn þessum viðvarandi áskorunum.
