Ингибиторы коррозии на основе растительного сырья

Министерство образования и науки Республики Бурятия,

Управление образования администрации МО «Заиграевский район»

МБОУ «Онохойская средняя общеобразовательная школа №2»

XXVI республиканская научная конференция школьников «Шаг в Будущее»

Секция:______химия_________

Тема доклада

Ингибиторы коррозии на основе растительного сырья

Ф.И. исполнителя:

Галичкина Дарья – учащаяся 9»а» класса

МБОУ «Онохойская СОШ №2»

ФИО научного руководителя:

Кунгурова Ирина Анатольевна-

учитель биологии и химии высшей

квалификационной категории

МБОУ «Онохойская СОШ №2»

2025 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность данной исследовательской работы очевидна, поскольку коррозия - это постоянно прогрессирующий процесс разрушения металла. Он вызывается факторами внешней среды, приносит серьезные убытки, страдает несущая способность металлоконструкций. Коррозия приводит к экономическим издержкам, и ,порой, к человеческим жертвам.

Цель работы:  изучение влияния настоев растений на процесс коррозии стальных изделий.

Задачи:

✓        изучить источники информации по данной теме;

✓        проанализировать        состав        химических        ингибиторов коррозии;

✓        подобрать        растительное        сырьё,         схожее        по        составу        с химическими ингибиторами;

✓        провести        эксперименты        по        исследованию        процесса коррозии в различных агрессивных средах;

✓        выявить, могут ли настои растений замедлять процесс коррозии.

Методы:

✓        поисковый (сбор информации по теме);

✓        экспериментальный;

✓        анализ и систематизация.

Объект исследования: стальные гвозди в различных агрессивных средах.

Предмет исследования: состав и свойства натуральных ингибиторов коррозии.

Гипотеза: настои растений, содержащие дубильные вещества,  могут защитить стальные изделия от коррозии

Практическая значимость работы заключается в том, что в ней экспериментальным путем исследуются состав и свойства растений, настои которых предположительно могут замедлять процесс коррозии. Данный материал может быть использован на уроках химии в 9 классе по теме «Коррозия металлов» и при проведении внеурочных занятий по химии.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Все процессы, окружающие нас, так или иначе связаны с химией, в том числе коррозия металлов. Этот привычное для каждого явление подразумевает под собой взаимодействие металлов с веществами окружающей среды. При контакте с атмосферными осадками и агрессивными веществами на поверхности металла появляется ржавчина. Ежегодно из-за коррозии теряется около четверти всего произведённого в мире железа. Материал теряет эксплуатационные свойства и эстетическую привлекательность. Если не предпринимать никаких мер, деградация дойдет до крайней точки. Результатом станет разрушение вещества. Как правило, окисляются активные металлы, находящиеся в ряду напряжения левее водорода. Чаще всего встречаются химическая и электрохимическая коррозии.

Химическая коррозия - разрушение металлов из-за взаимодействия с газами или растворами, которые не проводят электрический ток.

Агрессивные реагенты: O2, пары H2O, CO2, SO2, Cl2.

3Fe + 2O2 → Fe3O4

Электрохимическая коррозия - Разрушение металла, при котором возникает электрический ток в воде или среде другого электролита. Агрессивными реагентами являются растворы электролитов.

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4 Fe(OH)3

По типу агрессивной среды выделяют следующие виды коррозии: 

Атмосферная. Вызвана влиянием атмосферных условий, таких как кислород и загрязнители в воздухе.

Газовая. Протекает под влиянием газов, например хлора или сероводорода.

Водная. Образуется во влажной среде, такой как дождевая вода, морская вода или почвенные влаги.

Химическая. Вызвана эффектом агрессивных химических веществ, таких как кислоты, щелочи или соли.

Биологическая. Включает в себя влияние микроорганизмов, бактерий или грибков, способных вызывать коррозию.

Электрическая. Основной причиной становятся блуждающие токи (электрический ток), что разрешают деталь.

Ещё бывают температурная и фрикционная виды коррозии: первая происходит под действием высоких или низких температур, а вторая обусловлена трением металлических поверхностей.

Коррозию можно затормозить. С этой задачей способны справиться химические вещества — ингибиторы коррозии. Ингибитор коррозии образует на поверхности защитную пленку. Химические реакции прекращаются.

По происхождению ингибиторы классифицируют на:

✓        адсорбционные - собираются на поверхности металла и образуют защитную пленку;

✓        пассивирующие - неорганические вещества с окисляющими свойствами. Это хроматы, молибдаты и нитриты. После их нанесения, металл становится «пассивным», коррозионные процессы затухают.

Существуют преобразователи ржавчины - это вещества, которые относятся к ингибиторам коррозии. Но действуют эффективнее. После контакта с гидроксидом железа, они расщепляют его, превращая в защитную пленку. Ржавчина становится липким слоем, который обеспечивает водонепроницаемость. Деструктивные реакции замедляются или полностью останавливаются.

 Чтобы узнать, могут ли настои растений замедлять процесс коррозии, мы изучили состав химических ингибиторов, которые используются чаще всего.

Основные компоненты состава:

✓        фосфорная или ортофосфорная кислоты;

✓        танины;

✓        аскорбиновые кислоты;

✓        оксикарбоновая кислота;

✓        дубильные вещества.

Способы защиты от коррозии

Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами, и прежде всего легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V век до нашей эры) уже упоминается о применении олова для защиты железа от коррозии.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в конкретном случае, а также экономической целесообразностью.

Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите. Этим способом является получение сплавов,  которое  называется  легирование.  В настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали действительно не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия происходит, хотя и медленно. Оказалось, что при использовании легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно.

Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами, поэтому они препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит процесс коррозии. Именно поэтому важное значение имеет качество покрытия – толщина слоя, пористость, равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри, которые образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия. Лаки и краски наиболее эффективны для защиты от атмосферной коррозии. В большинстве случаев они не пригодны для защиты подземных сооружений и конструкций, так как трудно предупредить повреждения защитных слоев при контакте с грунтом. Намного практичнее оказалось применять толстослойные покрытия из каменноугольной смолы (битума). В некоторых случаях пигменты красок выполняют также роль ингибиторов коррозии. К числу таких пигментов относятся хроматы стронция, свинца и цинка (SrCrO4, PbCrO4, ZnCrO4) [2].

Один из самых эффективных способов борьбы с коррозией металлов в различных агрессивных средах - применение ингибиторов.

Ингибиторы коррозии

Первые ингибиторы были найдены случайно, опытным путем, и часто становились клановым секретом. Известно, что дамасские мастера для снятия окалины и ржавчины пользовались растворами серной кислоты с добавками пивных дрожжей, муки, крахмала. Эти примеси были одними из первых ингибиторов. Они не позволяли кислоте действовать на оружейный металл, в результате чего растворялись лишь окалина и ржавчина.

Ингибиторами, не зная того, давно пользовались и на Руси. Уральские  оружейники  для  борьбы  с  ржавчиной  готовили «травильные супы» — растворы серной кислоты, в которые добавлялись мучные отруби.

Ингибиторы – это вещества, способные в малых количествах замедлять протекание химических процессов или останавливать их, не изменяя при этом рабочих свойств металла. Название «ингибитор» происходит от латинского inhibere, что означает сдерживать, останавливать. Применение ингибиторов даёт народному хозяйству немалую экономию. Ингибирующее воздействие на металлы, прежде всего на сталь, оказывают целый ряд неорганических и органических веществ, которые часто добавляются в среду, вызывающую коррозию. Ингибиторы имеют свойство создавать на поверхности металла очень тонкую пленку, защищающую металл от коррозии.

Механизм защиты ингибиторами в общем случае заключается в том, что они, попадая на поверхность металла, адсорбируются ею и тормозят скорость ионизации металла или кислорода или одновременно того и другого. Различают ингибиторы для черных металлов, для цветных и ингибиторы универсального действия, то есть такие, которые способны защищать одновременно как черные, так и цветные металлы.

Ингибиторы подразделяются:

− по механизму своего действия: катодные, анодные и смешанные;

− по химической природе: неорганические, органические и летучие;

−по сфере своего влияния: в кислой, щелочной и нейтральной среде.

По классификации Х. Фишера ингибиторы можно сгруппировать следующим образом.

1.        Экранирующие, то есть покрывающие поверхность металла тонкой пленкой. Пленка образуется в результате поверхностной адсорбции. При воздействии физических ингибиторов химических реакций не происходит.

2.        Окислители (пассиваторы) типа хроматов, вызывающие образование на поверхности металла плотно прилегающего защитного слоя окисей, которые замедляют протекание анодного процесса. Эти слои не очень стойки и при определенных условиях могут подвергаться восстановлению. Эффективность пассиваторов зависит от толщины образующегося защитного слоя и его проводимости.

3.        Катодные – повышающие перенапряжение катодного процесса. Они замедляют коррозию в растворах неокисляющих кислот. К таким ингибиторам относятся соли или окислы мышьяка и висмута.

Эффективность действия ингибиторов зависит в основном от условий среды, поэтому универсальных ингибиторов нет. Для их выбора требуется проведение исследований и испытаний. Наиболее часто применяются следующие ингибиторы: нитрит натрия, добавляемый, например, к холодильным соляным растворам, фосфаты и силикаты натрия, бихромат натрия, различные органические амины, крахмал, танин другие. Поскольку ингибиторы со временем расходуются, они должны добавляться в агрессивную среду периодически. Количество ингибитора, добавляемого в агрессивные среды, невелико. Например, нитрит натрия добавляют в воду в количестве 0,01– 0,05 %.

Ингибиторы подбираются в зависимости от кислого или щелочного характера среды.

Растительные        экстракты        как        ингибиторы коррозии

Фитосоединения  и  экстракты  на  основе  трав  снискали возрастающий интерес к области устойчивой защиты материалов. Ингибирующий эффект должен быть сфокусирован на общем фенольном содержании. Чем выше общее содержание фенола, тем выше эффективность ингибирования экстрактов.

В таблице 1представлены некоторые вещества природного происхождения, которые были изучены за последнее десятилетие. Эти составы предназначены для защиты определенных металлов и сплавов.

Таблица 1

Вещества природного происхождения и полимеры,

используемые в качестве ингибиторов

В таблице 2 указаны экстракты растений, а также металлы и сплавы, скорость коррозии которых можно уменьшить за счет использования данных экстрактов.

Таблица 2

Экстракты природных продуктов, используемых в качестве ингибиторов

Ущерб от коррозии

Потери от коррозии условно можно разделить на две категории: первичные и вторичные. Первичные потери связаны с безвозвратными потерями металлов, которые составляют от 10 до 20 % годового производства стали. В настоящее время ежегодные потери металлов в результате их коррозии в России составляют до 12 % общей массы металлофонда, что соответствует утрате до 30 % ежегодно производимого металла. По оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 6 % валового национального продукта. Во многих случаях косвенные убытки (вторичные) от коррозии могут значительно превышать прямые потери за счет растворения металла. В целом потери народного хозяйства от коррозии исчисляются миллиардами рублей ежегодно.

Практическая часть

Для  изучения   влияния   ингибиторов   растительного происхождения в магазинах и аптеках п. Онохой  были куплены растения:  дуба кора, листья брусники, черный чай, лавровый лист, корни лопуха, гранат и черный перец.

Травы, взятые нами для опыта:

Листья брусники содержат органические антиоксидантные кислоты (галловую, винную, эллаговую, хинную, урсоловую), дубильные вещества (2- 17%, иногда до 32%) и флавоноиды

Чёрный чай содержит органические кислоты и танины (антиоксиданты), эфирные масла, дубильные вещества, алкалоиды, пигменты, фосфорсодержащие органические соединения.

Лавровый лист содержит эфирное (лавровое масло), дубильные вещества.

Чёрный перец содержит жирное эфирное масло, алкалоиды

Корень лопуха содержит дубильные вещества, жирные и эфирные масла, пальмитиновую и стеариновую кислоты.

Кора дуба содержит 8-12 % дубильных веществ, органические кислоты (галловую кислоту), флавоновые соединения..

Кожура граната содержит дубильные вещества, жирные кислоты, фолиевую кислоту

Предположительно, лучший результат в опыте должны показать брусника, корень лопуха, кора дуба.

Изучение влияния растительных настоев на процесс коррозии стальных изделий.

2.1.        Методика исследования.

2.1.1.        Методика приготовления растительного настоя.

Настои – это водные извлечения из растительного сырья. На электронных весах взвесили 5 граммов растительного сырья, залили 100 мл дистиллированной воды комнатной температуры, настояли на водяной бане 15 минут. Настой профильтровали. В пронумерованные пробирки поместили по стальному гвоздю, залили полученными настоями. Пробирки оставили на 10 дней./Приложение 1/

2.2.        Изучение влияния ингибиторов растительного происхождения на коррозию стальных изделий.

Проведенное исследование показало:

-        защитили стальной гвоздь от коррозии настои (предполагаемые ингибиторы): дуба коры (дубильные вещества, флавоновые соединения, крахмал), розмарина (витамин С), коры черемухи (дубильные вещества, флавоноиды), березовых почек (дубильные вещества, аскорбиновая кислота), брусники листьев (хинная, урсоловая, винная, эллаговая кислоты, танин, дубильные вещества, аскорбиновая кислота, флавоноиды), черного чая (дубильные вещества) (рис.10) ;

-        не защитили стальной гвоздь настои лаврового листа и корней лопуха;

-        очень сильно происходит коррозия в водопроводной воде, в водопроводной воде с медью, с медью в растворе хлорида натрия, в уксусной кислоте;

-        защитил гвоздь от коррозии нашатырный спирт.

Заключение

1.        Из всех настоев растений, используемых в качестве ингибиторов в нашей работе лучшие результаты показали настои розмарина, коры дуба, черного чая, березовых почек, брусники листьев и коры черемухи, что подтверждено их химическим составом.

2.        Для настоев рекомендуется подбирать растения, в которых содержатся танины, аскорбиновая кислота, дубильные вещества, флавоноиды, органические кислоты.

3.        Данные нашего исследования можно использовать для изготовления настоев трав для обработки металлических (железных) поверхностей в помещениях с повышенной влажностью.

Таким образом, гипотеза подтверждается, настои растений могут защитить стальные изделия от коррозии

Литература

1.        Иванова Г.А. Лекарственные растения Пермского края, применяемые в гастроэнтерологии: Методические рекомендации – Пермь, ПГФА, 2007. - 196с.

2.        Коррозия и защита металлов: Учебно-методическое пособие (для студентов IV курса химического факультета) /

3.        Сост. доц. В.А. Мухин. – Омск: Омск. гос. унт., 2004. – 112 с.

4.        Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас: Справ. Пособие. – М.: Высш. Шк., 1992. – 192с

5.        Лавренов В.К., Лавренова Г.В. Современная энциклопедия лекарственных растений. – СПб.: Издательский дом «Нева», 2006г. – 272с.

6.        Николаев. Л.А. общая и не органическая химия. Учеб. Пособие для студентов пед. ин-тов. М.: «Просвещение», 1974. – 624с.

7.        Перелыгин, Ю. П. Коррозия и защита металлов от коррозии : учеб. пособие для студентов технических специальностей / Ю. П. Перелыгин, И. С. Лось, С. Ю. Киреев. – 2-е изд., доп. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2015. – 88 с.

8.        Румянцева, К.Е. Антикоррозионная защита металлов: учеб. пособие / К.Е. Румянцева; Иван. гос. хим.- технол. ун-т. – Иваново, 2018. – 185 с.

9.        Три триады и шесть невидимок. Элементы VIII группы периодической системы Д.И. Менделеева. Пособие для учащихся. М.: «Просвещение», 1976. - 142с.

10.                https://tzinc.ru/o-kompanii/stati/posledstviya- korrozii.html#:~:text

11.        https://studfile.net/preview/7642393/page:8/

12.        123456789/7278/1/Еркаева%20М.А._%20ХТбз_1301.pdf