클로라이드 이온 부식 및 용액

금속 재료는 수많은 산업 분야와 일상 생활의 다양한 시설과 장비에서 널리 사용됩니다. 그러나 금속 부식은 항상 서비스 수명과 안전에 영향을 미치는 핵심 요소였습니다. 금속 부식을 일으키는 많은 요인들 중에서, 염화물 이온 부식은 특히 두드러지며 산업 생산 및 인프라 유지 보수에 심각한 도전을 제기합니다.

클로라이드 이온은 해수, 토양, 산업 폐수 및 특정 특정 화학 생산 환경에 널리 존재합니다. 금속 재료에 대한 그들의 부식 효과는 금속 구조를 손상시킬뿐만 아니라 안전 사고와 상당한 경제적 손실을 초래할 수 있습니다. 따라서, 다양한 시설의 안전하고 안정적인 운영을 보장하기 위해서는 메커니즘, 영향 요인 및 염화 이온 부식에 대한 효과적인 보호 조치에 대한 깊은 이해가 중요합니다.

클로라이드 이온 (CL)은 부식 과정에서 매우 활발한 역할을합니다. 강철과 같은 일반적인 금속의 경우, 부식 반응은 일반적으로 금속 표면의 양극 산화로 시작됩니다. 양극 영역에서, 철 원자 (Fe)는 전자를 잃어 철분 이온 (Fe²⁺)을 형성하여 용액으로 들어가서 반응 Fe - 2 e⁻ → fe²⁺를 형성한다. 캐소드 영역에서, 용액에 용존 산소의 존재로 인해, 산소 감소 반응이 발생한다 : o₂ + 2 h₂o + 4 e⁻ → 4oh⁻. 클로라이드 이온이 용액에 존재하면 상황이 더욱 복잡해집니다.

클로라이드 이온은 반경이 작은 반경, 높은 활성 및 강한 침투력을 갖습니다. 그들은 금속 표면에 형성된 수동 필름을 파괴 할 수 있으며, 이는 일반적으로 추가 산화를 방지합니다. 클로라이드 이온은 수동 필름의 표면에 흡착되어 금속 이온과 수용성 복합체를 형성한다. 이것은 수동 필름의 국소 용해를 유발하여 신선한 금속 표면을 노출시키고 양극 용해 과정을 가속화시킨다. 예를 들어, 스테인레스 스틸에서 크롬 (CR)은 표면에 밀도가 높은 크라이언트 수동 필름을 형성하여 금속이 외부 환경에 접촉하는 것을 방지합니다.

그러나 클로라이드 이온이 존재할 때, 이들은 CR³⁺와 복잡한 [Crcl₆] ³⁻를 형성하여 수동 필름을 파괴하고 스테인레스 스틸의 부식과 같은 국소 부식 현상을 유도합니다. 미세한 관점에서, 클로라이드 이온의 존재는 금속 표면의 전기 화학적 평형을 변경하여 부식 반응을 가속화시킨다. 이것은 클로라이드 이온 부식의 핵심 화학 반응 메커니즘입니다.

(i) 피팅 : 금속 표면의 "보이지 않는 폭탄"

기공 부식이라고도하는 구덩이는 일반적이고 숨겨진 클로라이드 이온 부식 유형입니다. 클로라이드 이온을 함유하는 용액에서, 클로라이드 이온은 수동 필름 또는 기타 인자의 결함으로 인해 금속 표면의 특정 국소화 된 영역에서 우선적으로 수동 필름을 흡수하고 파괴한다. 수동 필름이 국부적으로 파괴되면, 작은 양극이 형성되는 반면, 주변의 더 크고 손상되지 않은 수동 필름 영역은 캐소드가되어 부식 미생물을 형성합니다.

양극 영역은 캐소드 영역보다 훨씬 작기 때문에 양극 전류 밀도는 매우 높아서 부식 이이 작은 영역으로 빠르게 침투하여 작은 기공을 형성합니다. 이 모공은 처음에 감지하기가 어려울 수 있지만 시간이 지남에 따라 점차 깊고 팽창하여 금속을 관통하고 금속 구조의 강도에 심각한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 해양 환경에서 선박의 선체는 해수와의 장기 접촉에 노출되며, 높은 농도의 염화물 이온이 쉽게 구덩이 부식을 유발할 수 있습니다. 일단 부식이 발생하면 선체 내의 눈에 띄지 않는 지역에서 계속 발전 할 수 있습니다. 그것이 발견 될 때, 그것은 이미 선박의 안전한 내비게이션에 위협이 될 수 있습니다.

(ii) 틈새 부식 : 숨겨진 "침식 드라이버"

틈새 부식은 일반적으로 개스킷, 볼트 및 리벳에서 발견되는 것과 같은 금속-금속 또는 금속-금속 조인트에서 발생합니다. 클로라이드 이온을 함유하는 용액이 이러한 틈새로 들어가는 경우, 틈새 내의 용액의 제한된 흐름으로 인해 산소 보충이 어렵고 산소 농도 세포를 형성합니다. 틈새 내의 산소 결핍 영역은 양극으로 작용하여 금속 용해를 유발하는 반면 틈새 외부의 산소가 풍부한 영역은 음극으로 작용합니다.

동시에, 클로라이드 이온은 틈새 내에 축적되어 부식 과정을 더욱 가속화시킨다. 틈새 부식은 틈새 내외의 농축 부식이 특징입니다. 부식 제품이 축적되면 틈새 내 미디어 환경이 점점 적대적으로되어 부식 속도가 가속화됩니다. 일부 산업 장비의 플랜지 조인트가 잘 밀봉되어 있으면 염화 이온을 함유 한 공정 유체는 틈에 쉽게 들어갈 수있어 틈새가 부식을 일으키고 장비 누출을 초래할 수 있습니다.

(iii) 응력 부식 균열 : "내부 및 외부 공격"에서 금속 붕괴

스트레스 부식 균열은 클로라이드 이온 부식 및 인장 응력의 결합 된 효과로 인한 결과입니다. 인장 응력 하에서, 금속의 내부 결정 구조는 왜곡되어 탈구 밀도를 높이고 금속 표면의 에너지 상태를 높여서 부식에 더 취약합니다. 클로라이드 이온이 환경에 존재하는 경우, 금속 표면의 결함 또는 응력 농도에 우선적으로 흡착되어 수동 필름을 파괴하고 구덩이 또는 틈새 부식을 유도합니다.

부식이 진행됨에 따라 부식 구덩이 또는 균열 팁은 인장 응력 하에서 계속 확장되어 궁극적으로 금속의 갑작스런 골절로 이어집니다. 이러한 유형의 부식은 매우 파괴적이며 종종 명백한 경고없이 발생합니다. 예를 들어, 석유 화학 산업에서, 고압 파이프 라인은 교통 매체가 염화물 이온을 함유하고 파이프 라인은 설치 응력 또는 내부 압력으로 인한 인장 응력을받는 경우 스트레스 부식 균열이 발생하기 쉽다. 파이프 라인이 파열되면 심각한 안전 사고가 발생할 수 있습니다.

(i) 클로라이드 이온 농도 : 부식의 "가속기"

클로라이드 이온 농도는 부식에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 일반적으로 용액에서 염화물 이온 농도가 높을수록 금속 부식 속도가 빨라집니다. 클로라이드 이온 농도가 증가함에 따라, 더 많은 클로라이드 이온이 금속 표면에서 패시베이션 필름을 파괴하는데 참여할 수있다. 또한, 부식 마이크로 셀에서, 높은 염화물 이온 농도는 양극 용해 반응의 유동력을 향상시킨다.

예를 들어, 해수에서 염화물 이온 함량은 약 19,000mg/L이며 담수보다 훨씬 높습니다. 이것은 해양 환경의 금속 구조를 부식에 더 취약하게 만듭니다. 연구에 따르면 염화물 이온 용액의 탄소강의 경우 염화물 이온 농도를 100 mg/L에서 1,000 mg/L로 증가 시키면 부식 속도가 여러 배를 증가시킬 수 있습니다.

클로르-알칼리 및 제지 산업과 같은 일부 산업 공정에서 생산 중에 생성 된 폐수에는 고농도의 클로라이드 이온이 포함됩니다. 치료없이 직접 배출되면 주변 금속 인프라에 심각한 부식 위협이 발생합니다.

(ii) 솔루션 pH : 산-염기 환경의 "부식 균형"

용액의 pH는 또한 클로라이드 이온 부식에 크게 영향을 미칩니다. 산성 환경에서, 고농도의 수소 이온 (HIT)은 금속의 양극 용해를 촉진하고 수파화 필름에 염화물 이온 손상을 촉진한다.

낮은 pH에서, 금속 표면의 부식 생성물은 가용성 염으로 존재할 수 있으며, 효과적인 보호 필름을 형성하지 못하여 부식 공정을 가속화시킨다. 예를 들어, pH 4-5 인 클로라이드 이온 용액에서 강철의 부식 속도는 중립 환경보다 상당히 높다. 알칼리성 환경에서, 수산화물 침전물은 금속 표면에 형성 될 수 있으며, 어느 정도까지 클로라이드 이온이 금속과 느린 부식을 방지하지 못하게한다.

그러나 알칼리도가 너무 강하면 알루미늄과 같은 일부 금속은 알칼리성 부식을 경험할 수 있습니다. 클로라이드 이온 용액의 대부분의 금속의 경우, 클로라이드 이온 부식은 중성에서 약간 산성 환경에서 가장 두드러집니다.

(iii) 온도 : 화학 반응의 "촉매"

온도 증가는 화학 반응 속도를 가속화하고 클로라이드 이온 부식은 예외는 아닙니다. 온도가 상승함에 따라, 용액에서 이온의 확산 속도는 가속화되어 금속 표면의 부식 반응 동역학을 가속화시킨다. 한편으로, 온도 상승은 금속 원자의 활성을 증가시켜 전자를 잃고 양극 산화를 겪을 가능성이 높아집니다. 반면에, 클로라이드 이온은 또한 고온에서 패시베이션 필름을 손상시키는 능력을 증가시킵니다.

예를 들어, 화학 생산에서, 고온 공정에 사용되는 장비는 염화물 이온을 함유 한 배지에 노출 될 때 부식 속도가 크게 증가 할 수 있습니다. 연구 데이터에 따르면 수성 염화물 함유 용액의 탄소강의 경우, 부식 속도는 온도가 10도 증가 할 때마다 20% -30% 증가 할 수 있습니다.

그러나, 온도가 특정 수준으로 상승하면, 용액의 용존 산소 함량이 감소 할 수 있으며, 이는 캐소드의 산소 흡수 부식 반응에 영향을 미쳐 부식 속도에 복잡한 영향을 미칩니다.

(i) 재료 선택 : 출처에서 강력한 방어 구축

적절한 염화물 내성 물질을 선택하는 것은 부식 방지의 핵심 측정입니다. 고 내성 저항이 필요한 환경의 경우 스테인레스 스틸 및 니켈 기반 합금과 같은 재료를 사용할 수 있습니다. 다양한 유형의 스테인레스 스틸은 염화물 이온 부식에 대한 다양한 저항성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 316L 스테인리스 스틸에 몰리브덴 (MO)을 첨가하면 클로라이드 이온에 의한 부식에 대한 저항이 향상됩니다.

Hastelloy와 같은 니켈 기반 합금은 합금 조성의 특성으로 인해 고온, 고압 및 염화물 이온을 함유하는 고 부식성 환경에서 우수한 부식성을 나타냅니다. 해양 공학 분야에서 일부 주요 구조 성분은 니켈 기반 합금을 사용하여 제조되며 해수 부식에 효과적으로 저항합니다.

또한, 특정 사용 환경에 따라, 금속 물질은 크롬 (CR), 몰리브덴 (MO) 및 질소 (N)와 같은 요소를 추가하여 재료의 미세 구조를 최적화하고 염화물 이온 부식에 대한 내성을 향상시킬 수있다.

클로라이드 이온은 중성 환경에서 실온에서 티타늄에 매우 부식성이 있으며, 티타늄 표면에 형성된 산화물 필름은 염화물 이온 공격에 효과적으로 저항합니다. 티타늄은 주로 다음 메커니즘으로 인해 대부분의 염화물 함유 환경에서 우수한 내식성을 나타냅니다.

패시베이션 필름 보호 : 티타늄은 자발적으로 공기 중에서 밀집된 산화물 필름 (TIO)을 형성하여 염화물 이온이 기질과 접촉하는 것을 효과적으로 차단합니다. 습식 염소 가스 또는 염화물 용액에서 특히 안정적입니다.

화학적 불활성 : 티타늄은 중성 산 및 알칼리 조건 하에서 클로라이드 이온과 사실상 반응하지 않습니다. 그것은 고온 환경 (예 : 고온 및 낮은 수분 함량)에서 티타늄 티타 코로 라이드 만 형성하고 부식을 유도합니다.

(ii) 코팅 보호 : "보호 의류"로 금속 보호

코팅 보호는 널리 사용되는 부식 방지 방법입니다. 에폭시 수지 페인트 및 폴리 우레탄 페인트와 같은 유기 코팅은 금속 표면에 절연 층을 형성하여 염화물 이온과 금속 사이의 직접적인 접촉을 방지합니다. 코팅 두께, 접착력 및 무결성은 효과적인 보호에 중요합니다. 코팅 공정 동안, 금속 표면이 깨끗하고 코팅이 균일하고 조밀한지 확인하여 핀홀 및 기포와 같은 결함을 피하십시오.

가혹한 부식성 환경의 경우 아연 또는 알루미늄을 바르는 것과 같은 열 스프레이 코팅도 사용할 수 있습니다. 이 코팅은 기본 금속을 보호하기 위해이 금속의 희생적 양극 보호를 이용합니다. 예를 들어, 해양 오일 플랫폼의 철강 구조에서, 열 분무 된 알루미늄 코팅을 유기 실런트 코팅과 결합한 복합 보호 시스템은 강철 구조물의 서비스 수명을 효과적으로 확장 할 수 있습니다.

(iii) 부식 억제제의 적용 : 부식 반응의 "억제제"

부식 억제제는 금속의 부식 속도를 줄이기 위해 부식 매체에 첨가 된 물질이다. 클로라이드 함유 용액에서 일부 부식 억제제를 사용하여 부식을 억제 할 수 있습니다. 염색체 및 아질산염과 같은 무기 부식 억제제는 금속 표면에 유동적 필름을 형성하여 부식을 방지합니다. 그러나 그들의 독성은 그들의 사용을 제한합니다.

이미 다졸린 및 아민과 같은 유기 부식 억제제는 금속 표면에 흡착하여 부식 반응의 전하 분포 및 활성화 에너지를 변경시켜 부식 과정을 억제합니다. 부식 억제제의 선택 및 농도는 특정 부식성 환경 및 금속 물질에 따라 최적의 보호를 위해 최적화되어야합니다. 일부 산업 순환 냉각수 시스템에서, 적절한 양의 부식 억제제를 추가하면 파이프와 장비의 염화물 이온 부식을 효과적으로 제어 할 수 있습니다.

앞으로 재료 과학 및 표면 공학과 같은 분야의 지속적인 개발로 인해 우리는보다 진보 된 기술과 방법이 염화물 이온 부식 보호에 적용될 것이라고 믿고 복잡한 부식 환경에서 금속 재료의 서비스 수명을 더욱 확장 할 것이라고 생각합니다.