Камерная установка для изучения биокоррозии бетона
Федеральное государственное учреждение науки «Научно-исследовательский центр токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов» Федерального медико-биологического агентства (ФГУН НИЦ ТБП ФМБА) Россия, Московская область, г. Серпухов
Введение
Проблема коррозионных повреждений материалов охватывает широкий круг научных, инженерно-технических, архитектурно-строительных и оборонных задач, связанных с оценкой наносимого ими экономического и социально-технического ущерба.
Коррозионные повреждений тесно связаны и зависят от многих сопутствующих природных явлений и социально-производственной деятельности человека. К факторам, усиливающим коррозионные повреждения материалов, прежде всего, относятся: температура воздуха, влажность воздуха, солнечная радиация, скорость воздушного потока, загрязненность атмосферного воздуха агрессивными к материалам компонентами (соль морской воды, кислотные выбросы промышленных предприятий, биологические аэрозоли, как результат жизнедеятельности человека и животных) [1].
Внешние воздействующие факторы по-разному влияют на виды повреждений материалов. В естественных условиях всегда имеет место одновременное действие нескольких факторов. Одной из важных комбинаций воздействующих факторов является комплекс температуры и влажности, который еще более усиливает свое воздействие в присутствии загрязненности воздуха (соль, кислотные пары и микроорганизмы).
Сведения о роли микробиологического фактора в коррозии материалов с каждым годом расширяются, обобщаются, подсчитывается убыток, наносимой биологической коррозией экономике различных стран. Многочисленность основных видов микробной коррозии материалов свидетельствует о необычайно широком распространении этого явления в различных сферах деятельности человека [2].
Микробиологическая коррозия материалов может иметь место в самых разнообразных условиях, как в естественных (почве, воде и надводно-воздушном пространстве), так и в измененных человеком производственных условиях. Наиболее обстоятельно изучены почвенная и водная биокоррозия материалов, тогда как надводно-воздушная и атмосферная коррозия в присутствии агрессивных загрязнителей остаются недостаточно изученными.
По мере развертывания работ в области защиты материалов от биоповреждений все более актуальными становятся методические аспекты этой проблемы. Это вызвано тем, что проблема биоповреждений является комплексной в научном значении и многоотраслевой - в практическом. Решение проблемы биоповреждений идет с использованием самых разнообразных методов.
В настоящее время еще недостаточно разработаны методы оценки интенсивности коррозии материалов в адекватных ненасыщенных условиях, не выявлены наиболее опасные штаммы микроорганизмов, не изучены условия, способствующие усилению биокоррозии материалов, не обозначены эффективные средства борьбы с этими явлениями на основе оценки интегральной характеристики повреждающих факторов.
Исследованиями российских и зарубежных микробиологов (Исаченко, 1951; Иванов,1964; Booth,1971) было доказано, что основная роль в окислении широкого круга соединений серы до сульфатов принадлежит представителям рода Thiobacillus. В связи с этим роль тионовых бактерий как фактора создания агрессивных сред очень велика [2,3].
Данные исследования были продолжены американскими и английскими учеными, которые использовали агрессивную коррозионную роль тионовых бактерии в полезных целях - для разрушения целостности поверхностного слоя бетона зараженного радионуклидами и последующего его удаления. Учеными и инженерами INEEL и BNFL была разработана новая технология использования тионовых бактерий для удаления зараженных радионуклидами поверхностей бетона. Ими были проведены совместные испытания технологии биологической деконтаминации бетонных поверхностей, зараженных радионуклидами, на ядерных объектах США и Великобритании. Проведенные исследования на ядерном реакторе EBR-1 и хранилище при INEEL показали скорость удаления радиоактивно зараженной поверхности в пределах 4-8 мм/год, тем самым, подтвердив целесообразность применения данной технологии в более широких масштабах [4,5,6,7,8].
Однако в настоящее время консорциум INEEL и BNFL испытывает острую необходимость в разработке и испытании тионовых бактерий в составе гелей, которые были бы не только пригодны для инкапсуляции тиобактерий, но которые также способствовали бы их росту, обеспечив питательные вещества и воду (гигроскопическая сорбция от увлажненного воздуха) в течение продолжительного периода времени.
Результаты
Для моделирования процессов биокоррозии была рассмотрена возможность использования аэрозольных камер НИЦ ТБП, которые представляются идеальным оборудованием с целью разработки и испытания инкапсулирующих гелей для биодеконтаминации бетона. НИЦ ТБП располагает несколькими аэрозольными камерами, сконструированными для имитации атмосферных условий, в том числе определенных которые могли бы быть адаптированы для решения задач биодеконтаминации бетонов, зараженных радионуклидами.
В результате инженерно-экономического анализа, данный подход нашел свое применение в совместном Проекте INEEL–T2–2003–RU, участниками которого являются: INЕEL.(Айдахо Национальная лаборатория инженерии и окружающей среды), BNFL (Британская лаборатория ядерных топлив) и НИЦ ТБП (Научно-исследовательский Центр токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов) Министерства Здравоохранения и Социального развития Российской Федерации.
Из анализа литературных данных мы сформулировали ряд основных требований на конструкцию новых камерных установок для проведения ускоренных методов коррозионных испытаний различных материалов:
- камерные установки должны обеспечивать однородность распределения загрязнителя по внутреннему объему для равномерного его воздействия на тест-объекты;
- капли влаги, собирающиеся в верхней части камеры и на выше расположенных образцах, не должны попадать на ниже расположенные образцы;
- должны обеспечиваться заданные и контролируемые рабочие условия в течение всего времени испытаний и концентрация коррозивных агентов должна автоматически регистрироваться или периодически определяться приборными методами;
- температура и относительная влажность должны быть автоматически регулируемые и постоянно контролируемые;
- иметь возможность повышать температуру в камере со скоростью 1 °С в минуту;
- заданная относительная влажность внутри камеры должна создаваться подачей увлажненного воздуха. Для увлажнения воздуха используется только дистиллированная вода;
-время, необходимое для достижения заданной относительной влажности в камере, не должно превышать 1-2 часа;
-температура и относительная влажность в камере должны контролироваться с точностью до ± 2 ° С и ± 5 % соответственно;
-воздух, подаваемый для распыления, не должен содержать следов масла или твердых частиц;
- если используется газообразный коррозионный агент (например, двуокись серы, двуокись углерода и др.), необходимо проверять концентрацию и однородность потока в испытательной камере;
- методы проверки и допускаемые отклонения должны соответствовать международным стандартам.
Разработанная в НИЦ ТБП камерная установка для исследования биокоррозии бетона полностью удовлетворяет выше перечисленным требованиям, рис.1.
Рис.1. Внешний камеры и элементов автоматизированного управления режимами создания климатических условий и отбора проб загрязнителя
1. Корпус камеры, 2. Воздухонагреватель СВ-20-30, 3. Охладитель, 4. Система автоматического отбора проб, 5. Исполнительные устройства с блоками сопряжения, 6. Нормализаторы с датчиками влажности и температуры, 7.Датчик температуры воздухонагревателя 8. Нормализаторы с датчиками давления, 9. Трубопровод сжатого воздуха для воздухонагревателя СВ-20-30, 10. Трубопроводы сжатого воздуха для проточных нагревателей и генераторов аэрозолей, 11. Пробоотборник, 12. Генератор аэрозоля.
Камерная установка позволяет с высокой степенью адекватности моделировать коррозионные повреждающие условия любых климатических зон (интенсивных повреждений), атмосферный воздух которых может быть одновременно насыщен солевыми, кислотными и другими агрессивными загрязнителями. В камерной установке может быть одновременно и длительно проэкспонировано до 24 стандартных тест-объектов.
Корпус, узлы и детали камеры выполнены из антикоррозийных материалов (нержавеющая сталь, стекло, пластмасса, резина и силикон). Снаружи камера покрыта теплоизоляционным, а внутренние поверхности антикоррозионными материалами. Рабочие объем установки, в которых находится исследуемые тест-объекты и коррозионные компоненты воздуха, герметичны и окружены специальным боксом.
Корпус и узлы камерной установки легко обрабатываются любыми моющими и дезинфицирующими (дегазирующими) жидкими средствами.
Входящие в состав камерной установки генераторы мелкокапельного аэрозоля способны создавать мелкодисперсный высококонцентрированный аэрозоль любого агрессивного загрязнителя. Они позволяют поддерживать на постоянном уровне повреждающий эффект неограниченно длительное время, при этом, по заданию исследователя позволяют изменять состав и концентрацию загрязнителя и другие условия повреждающего воздействия.
Для успешного проведения исследований биоповреждений материалов в искусственной атмосфере в камерной установке создается регулируемая (15-40 °С) температура и (30-95 %) относительная влажность воздушного потока и обеспечена возможность непрерывной подачи в рабочую полость камеры тех или иных загрязнителей.
Управление камерной установкой осуществляется с компьютера и она полностью удовлетворяют основным требованиям, изложенным работе Г.С.Фомина и ИСО: 6988, 7384, 8044 [9].
Камерная установка разработана и изготовлена при финансовой поддержке CRDF, проект RBO-10309.
Литература
1. Биоповреждения, обрастание и защита от него: Климатические, биохимические и экотоксикологические факторы: Сборник трудов / Под ред. Бочарова Б.В. – М : Наука, 1996. 144 c.
2. Микробная коррозия и ее возбудители. Андреюк Е.И., Билай В.И., Коваль Э.З., Козлова И.А. – Киев: Наук. Думка, 1980.- 288 с.
3. Актуальные вопросы биоповреждений: Сборник трудов / Под ред. Бочарова Б.В. - М.: Наука, 1983. - 240 с.
3. ОАО «ВНИИГ имени Б.Е. ВЕДЕНЕЕВА». Рекомендации по определению влияния микробиологических факторов на структуру бетона сооружений (Окончательная редакция) утверждены Первым заместителем Начальника Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО «ЕЭС Росси» А.П. Бересневым, С - Петербург, 1998, 20 с.
4. Baboian R., Chaker V. How Corrosion Impacts Our Daily Lives, Our Safety and Our Economy //ASTM Standardization News. – 1998-#10, p. 28-31.
5. Idachaba M.A., Nyavor, N.O. Egiebor,R.D.Rogers. Development of a biofilm formation method for waste forms stability evaluation.Journal of Hazardous Materials B77 (2000), p. 133-147.
6. Idachaba M.A., Nyavor K., Egiebor N.O., Rogers R.D. A refinement of the biofilm formation method for waste forms stability evaluation.Journal of Hazardous Materials B84 (2001), p. 95-106.
7. Knight J., Cheeseman C., Rogers R.Microbial influenced degradation of solidified waste binder. Waste Management 22 (2002), p. 187-193.
8. Rogers R.D. Effects of microbially influenceddegradation on massive geothermal fielconcrete structures.Biodegradation Systems Inc., 1206 Norton St.Idaho Falls, ID 83402, USA
9. Фомин Г.С. Коррозия и защита от коррозии: Энциклопедия международных стандартов. – 2-е изд., переработанное и доп. – М.: ИПК Издательство стандартов, 1999. – 520 с.