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公司新闻
韩恩厚:用科学的武器应对腐蚀发布日期:2015-06-03
腐蚀不仅仅给国民经济造成巨大损失,还会对人们的安全、健康和生活质量造成重大影响。
韩恩厚
世界腐蚀组织副主席
中国科学院金属研究所研究员
2015年4月24日是第五个“世界腐蚀日”,设立世界腐蚀日的宗旨是唤醒政府、工业界以及我们每个人,认识到腐蚀的存在——由于腐蚀引起的经济损失在各国每年的GDP中平均超过3%(中国约达5%)。腐蚀不仅仅给国民经济造成巨大损失,还会对人们的安全、健康和生活质量造成重大影响。我们要重视腐蚀问题,用科学的武器应对腐蚀。
腐蚀:无声无息的威胁
腐蚀造成的损失大于所有自然灾害的损失之和。腐蚀导致工程装备、关键结构以及基础设施损坏,进而引起灾难性事故。
1981年我国台湾民航客机B-737空中失事,其原因是机身下部高强度铝合金结构件多处发生严重的晶间腐蚀和剥蚀,进而形成裂纹;2001年四川宜宾市南门大桥轰然断裂成三截,预计百年寿命实际仅仅使用了11年就发生断裂,事故原因是承重钢缆的应力腐蚀;2013年青岛管道爆炸,造成62人死、136人伤,经济损失达7.5亿,其原因是腐蚀导致泄漏而进一步引起爆炸。
因此,无论是在自然环境(大气、土壤、海水等)中,还是在苛刻工业环境(石油化工、核电、火电等)中,都需要开展系统研究,掌握材料的腐蚀损伤规律,研发各类低成本环保型腐蚀控制技术,实现降低腐蚀损失的目的。
腐蚀不仅造成经济损失,还会影响人类健康。腐蚀产生的重金属离子会污染饮用水、土壤和农作物等,进而通过饮食摄入而影响人类健康。美国、德国、日本、印度、中国等国家都有检测证据。
腐蚀是材料与环境之间发生的化学与电化学反应造成的,材料与环境的组合显得很重要。在何种环境中使用何种材料具有较好的抗腐蚀性和安全寿命,需要进行研究。例如,由于月球环境与火星环境存在明显差异,同样是航天部件对于其耐腐蚀性就有不同的要求。
下面介绍一些我们生活中遇到的腐蚀,包括腐蚀导致的问题和如何利用腐蚀。
别让腐蚀“吃”了你的厨房
厨房是非常容易发生腐蚀的地方,下水管道的蚀孔随时可能淹没了你的厨房。如果你在日常生活中没有注意各种厨具的使用,很多腐蚀小问题也会接踵而至,在不经意间“吃”掉你的厨房。
腐蚀不仅会让厨房显得破旧不堪,而且厨具一旦发生腐蚀,就会大大折损它们的使用寿命。同时,有些金属在腐蚀过程中会释放对人体有害的物质,是身体健康的一大隐患。
不过,也不必太过担心厨房里的腐蚀,只要注意以下几点就可以避免把自己的厨房“吃”掉。锈蚀的过程中需要金属与水和空气的共同作用,所以厨具在清洗之后一定要擦干后放好,避免水分的蓄积;在清洗厨具的过程中,不能用强碱性或强氧化性的苏打、漂白粉、洗涤剂等进行长时间洗涤,避免这些物质与金属发生反应,加速腐蚀的速度;此外不宜长时间将食物放置于金属厨具中,避免金属中的有毒物质渗入食物中;而长时间不用的厨具可以表面涂一层食用油,避免厨具与水和空气的直接接触。
道路融雪剂的腐蚀威胁
在我国北方地区,由于冬季低温期漫长,强降雪造成的积雪和冰冻严重影响着道路通畅,播洒道路融雪剂成为冬季除雪融冰的必要手段。
融雪剂主要有两种:有机融雪剂和无机氯盐类融雪剂。有机融雪剂主要成分是醋酸钾,对基础设施腐蚀作用较小,但是价格昂贵,只是在机场、高尔夫球场等场所少量使用;氯盐类融雪剂主要成分是氯化钠、氯化钙和氯化镁等氯盐的混合物,价格便宜(约为有机融雪剂的1/10),应用广泛,但是对金属、混凝土等物质腐蚀作用强烈。
当含有氯盐的冰雪融水渗透到混凝土中,可能会导致内部钢筋的腐蚀,锈蚀产物的体积会膨胀数倍,使混凝土保护层发生沿钢筋开裂、脱落的状况,进而更多钢筋受到氯盐侵蚀,如此恶性循环导致钢筋混凝土结构承载力严重下降或丧失。
氯盐融雪剂对沥青路面同样也存在危害,盐类物质与沥青相互作用,大大减小沥青材料与沙石料的黏合能力,造成沥青表面开裂脱落,在行车荷载的作用下大面积路面破损,严重缩短道路的使用寿命。此外,道路金属护栏、路灯基座、变电箱体和车辆底盘等金属部件也都时刻面临着氯盐腐蚀的严重威胁。
据统计,我国融雪剂年使用量高达60万吨以上,因融雪剂使用产生的腐蚀问题十分突出。近年来,人们已逐渐意识到道路融雪剂所造成的腐蚀危害和土壤盐碱化等环境问题。目前世界各国解决融雪难题的思路是研发新型廉价、无害、高效的环保融雪剂,并大力发展机械、热能等其他除雪方法。
混凝土的腐蚀与城市供水系统
除金属外,混凝土也会发生腐蚀。如日本新干线使用不到10年,即出现了大面积的混凝土剥落和开裂现象。我国沿海港口工程的调查也表明,80%以上都发生了较严重的破坏,结构使用寿命远未达到设计要求。
混凝土的化学腐蚀主要包括粉化和硫酸盐腐蚀。粉化过程主要是混凝土中的氢氧化钙与环境中的二氧化碳反应导致pH值的降低,破坏碱性环境,导致钢筋锈蚀。硫酸盐腐蚀是一种复杂的物理化学过程,会生成结晶体积较大的盐类(如钙矾石等),从而使混凝土膨胀产生裂缝。
最近科学家发现城市供水系统也存在混凝土的腐蚀问题。自来水厂从自然水系中取水后,会进行化学消毒与物理混凝两种处理,以使水质达标。物理混凝剂主要为明矾(水合硫酸铝钾)。明矾在水中会发生水解反应生成氢氧化铝胶体悬浮,胶体微粒带正电荷,天然水中杂质通常带负电荷,二者相互吸引,颗粒变大,从而受重力作用沉降,水就会变得澄清。但是,该过程中加入的硫酸根离子不仅会导致上述的硫酸盐腐蚀,还会在下水管道中硫酸盐还原菌的作用下经过一系列复杂的生物化学反应,最终还原为硫离子,在城市下水管道的酸性环境中产生硫化氢,而硫细菌会将其氧化成硫酸,进一步促进腐蚀过程。据研究,在此环境下,混凝土管道的腐蚀速率大约为每年几毫米,因此管道寿命大约在50年左右,即每年须更换2%的管道,由此带来的全球经济损失将超过10亿美元。
目前,科学家正在寻找新式混凝剂来代替明矾的作用,从而减少城市下水系统中的硫含量,进而缓解其腐蚀问题。
腐蚀的利用
任何事物都具有两面性, 腐蚀也有其对人类有益的一面。
最常见的例子就是利用铜刻蚀技术来制作电路板,这就利用了铜在三氯化铁溶液中的腐蚀作用。将铜箔镀在由电木、纤维编织布及环氧树脂压制而成的绝缘板材上,然后使用硝基磁漆涂覆需要保护的部分,再用三氯化铁溶液刻蚀掉未被涂覆硝基磁漆的部分,将硝基磁漆溶解掉后,就得到了人们所需的电路板。
另外一个例子就是利用腐蚀来降解材料,如可降解镁合金心血管支架、骨内固定器件及可降解食品袋等。可降解镁合金心血管支架在植入体内环境初期时会对病变血管起到一定的支撑作用而防止病变血管发生负性重构。随着植入体内环境中时间的延长,支架会发生缓慢的腐蚀而降解,可以避免血管内膜增生及再窄的发生。
同样是利用材料在人体内的腐蚀行为,镁合金可降解体内固定物,不仅具有良好的力学性能与生物安全性,在使用一定时间后该合金自动消失,避免了传统上需要进行二次手术取出固定物对患者造成的痛苦及经济负担。
当然腐蚀还有许多其他应用,比如金相侵蚀、化学加工及电解抛光等。我们所要做的就是要趋利避害:既要找到办法来抑制有害的腐蚀,又要对腐蚀善加利用。