تاثير تابش نور ماوراء بنفش بر رفتار خوردگي فولاد كربني

حميد رضا رياضي1، ايمان دانايي*2، محمود پيكري3
1-دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشكده نفت آبادان، دانشگاه صنعت نفت، آبادان، ايران
استاديار، دانشكده نفت آبادان، دانشگاه صنعت نفت، آبادان، ايران
استاديار، دانشكده نفت آبادان، دانشگاه صنعت نفت، آبادان، ايران
*danaee@put.ac.ir
(تاريخ دريافت: 05/06/90، تاريخ پذيرش: 23/02/91)

چكيده
خوردگي فولاد كربني در محيط سديم كلريد با استفاده از آزمايشهاي پلاريزاسيون، امپدانس و كرونـوآمپرومتر ي زيـ ر تـابش نـور مـاوراءبنفش بررسي شده است. در آزمايش پلاريزاسيون در حالت تابش نور ماوراء بنفش نسبت به حالت تاريك افزايش جريان خوردگي مشاهده ميشود. در دادههاي امپدانس نيز كاهش در مقاومت انتقال بار سيستم در زمان تابش نور ماوراء بنفش مشخص است. هم چنـين كـاهش وزننمونههاي فولاد كربني در آزمون غوطه وري نشان ميدهد كه خوردگي فولاد كربني در محلول سديم كلريد زير نور ماوراء بنفش بيشـتر ازحالت تاريك است. در واقع اكسيد آهن تشكيل شده روي سطح فولاد كربني تحت تابش نور ماوراء بنفش رفتاري نيمه هادي گونه از خود
نشان ميدهد.

واژههاي كليدي
خوردگي نوري، امپدانس، مدار معادل، فولاد كربني، نور UV

مقدمه
رفتار خوردگي فـولاد كربنـي در محـ يط آب دريـ ا تـابع عـواملي چون رطوبت، دما، آلايندهها، يـون هـاي خورنـده،pH آب دريـ ا ميباشد. در سالهاي اخير تاثير تابش نور خورشيد و نـور مـاوراءبنفش (UV) روي خوردگي فلـزات اهميـ ت خاصـ ي پيـ دا كـردهاست [1-7]. در تحقيقات گذشته گزارش شده است كه كـاهشوزن فلز روي خالص و آلياژ هـا ي روي غوطـه ور در آب تحـتتابش UV بيشتر از حالت تاريك است [1- 2] و در فلزات ديگـرمثل فولاد زنگ نـزن 304 و آلومين يـوم، تـابش UV از خـوردگ ي حفرهاي اين فلزات جلوگيري ميكند [3- 4]. اين اثرات ناشـي از لايهي اكسيدي يـ ا لا يـهي رويـي ن گـزارش شـده اسـت كـه رو ي سطح فلزات تشكيل ميشود و نقش نيمه هادي را بـاز ي مـيكنـد[8- 9]. تاثير تابش نـور در عبـور جر يـان الكتري كـي درون فلـز وتغيي ر اخ تلاف پتانس يل در حال ت وج ود ن ور و ت اريكي ام ري شناخته شـده اسـت [10]. فـولاد كربنـي در سـازه هـاي در يـايي و خطوط لولهي بـدون پوشـش ز يـر آب در يـا بسـ يار كـاربرد داردچراكه زنگ تشكيل شده روي سطح فولاد از پيشرفت خوردگي جلوگيري ميكند. همچنين اين سازه هـاي فـولادي در آب هـاي كم عمق تحت تابش شديد نور خورشيد قرار دارند، ولي بـا ا يـن حال، هنوز اثـر تـابش نـورUV روي رفتـار خـوردگي و تشـك يل زنگ در فولاد كربني ناشناخته است. هدف از اين مقالـه بررسـي اثر تابش نور UV و نـور خورشـيد روي نـرخ خـوردگي و رفتـارخوردگي فولاد كربني در محلول سديم كلريـ د و مقاي سـهي ا يـن رفتار با حالت تاريك و بدون نور است.

مواد و روش تحقيق
از الكت روده اي ف ولاد كربن ي ( %Si: 0/32 wt% ، C: 0/16 wt ، %Fe: Bal ،S: 0/02 wt% ،P: 0/03 wt% ،Mn: 0/35 wt ) بـ ه عنوان الكترد كاري در آزمايشات استفاده شده است. نمونـه هـاي فولاد كربني از يك ميلهي استوانهاي بريده شدهاند. اين نمونـه هـا توسط يك لايهي نازك لاك پوشيده شـده و بـا رز يـن پلي مـري مانت شدهاند تا سطح موثر هر الكترود برابـر بـا 2cm 81/0 شـود .
ب راي آزم ايش غوط ه وري، نمون هه اي مكعب ي ب ا س طح م وثر
2cm 26/6 از همان فـولاد كربنـي بر يـده شـد هانـد . سـطوح تمـامنمونهها قبل از هر آزمون بـا سـمباده هـاي 220، 400، 600، 800، 1000 و 1200 پرداخت شده و توسط استون چربي زدايي شده و با آب مقطر شسته شده است.
آزم ونه اي خ وردگي در دم اي ات اق و در محل ول آب ي %5/3 NaCl و در س ه حال ت ت اريكي، س ايه و تح ت ت ابش ن ورUV بوسيله دستگاه آزمايشگاهي مـد ل VETTER GMBH بـا طـولموج = nm = λ 365 انجام شدهاند. نمونه از زمـان ق ر ارگـرفتن در محلول تا پايان آزمايشهاي الكتروشيميايي تحت تابش نور قـرارگرفت ـه اس ت. ب راي اطمين ان از نت ايج حاص ل از آزم ـونه اي الكتروشيميايي، آزمايش غوطه وري نيز در سه حالت نور آفتاب، سايه و تاريكي انجام شد، كه براي هـر حالـت از دو نمونـه بـراي مدت زمـان 7 روز اسـتفاده شـد. در ايـن حالـت نمونـههـا تحـتشرايط اتمسفري نور آفتاب مورد بررسي قرار گرفتهاند.
براي آزمونهاي پلاريزاسيون، نمونه mm 15 زيـ ر سـطح محلـولقرار داده شد، به صورتي كـه سـطح محلـول در تمـاس بـا هـواي آزاد باشد. در آزمون غوطه وري، نمونه cm 7 زير سطح محلـولقرار داشت و حجم مح لول يك ليتـر در نظـر گرفتـه شـد. بعـد ازاتمام هر آزمايش، الكترود از داخل محلول بيـ رون آورده شـده و توسط آب مقطر شسته و در محيط خلا خشك شده است. بعد از آن زنگ روي نمونهها با دست شسته شده و توسط تميز كنندهي آلتراس ونيك در محلـول %10 دي آموني وم هي دروژن س ـيترات زنگهاي باقي مانده نيز حل شـده و دوبـاره بـا آب مقطـر شسـتهشده و در آخر وقتي كه نمونه كاملا خشك شد آن را وزن كرده تا كاهش وزن آن مشخص شود.
دس تگاه م ورد اس تفاده در آزمايش ات الكتروش يميايي، دس تگاه پتانسيواس تات و گالوانواس تات PGSTAT 302N) AutoLab) است كه توسط كامپيوتر كنتـرل مـيشـود . نـرخ اسـكن در تمـامآزمايشات mV/s 1 است.
آزمايشات الكتروشيميايي در پيلهاي سه الكتـرود ي انجـام شـد ه است كه الكتـ رود پلاتـ ين بـه عنـوان الكتـرود كمكـي و الكتـرودكالومل به عنوان الكترود مرجع اسـتفاده شـده اسـت. آزمايشـاتپلاريزاس يون در بش رهايي محت وي ml 200 از %5/3 NaCl و در دماي C˚1±25 انجام شده است.
آزمايشات امپدانس نيز در همان دما و با همان الكترد هـاي مشـابهآزمونهاي پلاريزاسيون انجـام شـده اسـت. محـدودهي سـيگنال فرك انسهــا از mHz 10 ت ا kHz 100 و دامنــهي جريــان AC ، mV 10 ميباشد. نمـودار هـاي امپـدانس بـه صـورت نايكويسـترسم شدهاند.
در تم امي آزمايش ات پلاريزاس يون و امپ دانس، قب ل از ش روع آزمايش، الكترود كاري به مدت 20 تا 25 دقيقـه جهـت رسـيدن به حالت پايا و تعادل با الكتروليت در محلول قـرار گرفتـه اسـت .
مــ دار معــ ادل دادههــ اي امپــ ـدانس توســ ـط نــ رم افــ زار Home Written least square و بـر مبنـاي روش Marquardt براي بهينه كردن تابع و روش وزن دهي Mcdonald براي بخـشحقيقي و مجازي امپدانس انجام شد [11-12]. براي انجام آزمون كرونوآمپرومتري از دستگاه پتانسيواستات در يك پتانسـيل ثابـتاستفاده شده است. اندازه گيري غلظت اكسـيژن توسـط دسـتگاه
انجام DISSOLVED OXYGEN METTER LUTRON DO-5509 .شده است
محاســـبات تافـــل در جـــدول (2) آمـــده اســـت كـــه در آن
βb ،βa ،CR ،Icorr ،Ecorr، و Rp به ترتيب پتانسـيل خـوردگي،چگالي جريان خوردگي، نرخ خوردگي، ثابت آندي تافل، ثابت كاتدي تافل و مقاومت پلاريزاسيون است.
نتايج و بحث كربني و محلول سبب افزايش نرخ خوردگي فولاد كربني در آن
آزمون غوطه وري محلول ميشود.
نرخ خوردگي (mpy) كاهش وزن (mg)
12/59 29/7 آفتاب #1
12/38 29/2 آفتاب #2
6/32 14/9 سايه #1
5/68 13/4 سايه #2
4/20 9/9 تاريك #1
3/20 9/4 تاريك #2
آزم ون غوط ه وري در س ه حال ت ت ابش ن ور آفت اب، س ا يه و جدول (1): كاهش وزن و نرخ خوردگي بدست آمده از آزمون غوطه وري تاريكي انجام شد، كه براي هر كدام دو الكترود بـه مـدت 7 روز اسـت فاده شـد. جـدول (1) كـاهش وزن و نـرخ خـوردگي ه ر دو نمونه در هر كدام از شـرا يط را نشـان مـي دهـد. ا يـن نتـايج نشـان ميدهد كه نرخ خوردگي فولاد كربني تحت تابش نور خورشيد 5/3 برابر حالتهاي سايه و تاريكي است. ي عنـي در محلـول هـاي يكسان تنها تـابش نـور خورشـيد بـر سـطح فلـز و محلـول سـبب
افزايش نرخ خوردگي شده است.
14097034180

رفتار خوردگي فولاد كربني تحت نور UV منحنيهاي پلاريزاسيون آندي و كاتدي مربوط بـه حالـت تـابشنور UV و عـدم تـابش آن در شـكل (1) نشـان داده شـده اسـت.
منحنيهاي پلاريزاسيون آندي نشان ميدهنـد كـه فـولاد كربنـيهمواره در حالت فعال بوده و اثـري از گـذر بـين حالـت فعـال ورويين وجود ندارد و رفتار اين نمونهها كاملا تافلي است.
اي ن نموداره اي پلاريزاس يون تاف ل نش ان م يدهن د ك ه ن رخخوردگي فولاد كربني با وجود تابش نور UV روي سـطح فلـز و
محلــول بســيار بيشــتر از نــرخ خــوردگي آن در شــرايط نــور

آزمايشگاه است. از آنجايي كه تمام عوامل ديگر مثل pH، دما و شكل (1): منحنيهاي پلاريزاسيون فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl تحت غلظت محلول در شـرايط مختلـف يكسـان بـوده اسـت مـيتـوان نور UV و نور آزمايشگاه (25 دقيقه تابش نور) نتيجه گرفت كه تابش نورهاي پرانرژي مثل UV به سـطح فـولاد
جدول (2): پارامترهاي پلاريزاسيون در خوردگي فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl
-βc
(mV/dec) βa
(mV/dec) Ecorr (mV) Icorr
(μA) CR
(mpy) Rp
854 68/4 -666 22/7 12/78

25 دقيقه تابش نورUV
331 80/5 -632 2/46 1/38 11287 25 دقيقه نور آزمايشگاه

اي ن نموداره اي پلاريزاس يون تاف ل نش ان م يدهن د ك ه ن رخخوردگي فولاد كربني با وجود تابش نور UV روي سـطح فلـز ومحلــول بســيار بيشــتر از نــرخ خــوردگي آن در شــرايط نــورآزمايشگاه است. از آنجايي كه تمام عوامل ديگر مثل pH، دما و غلظت محلول در شـرايط مختلـف يكسـان بـوده اسـت مـيتـواننتيجه گرفت كه تابش نور هاي پرانرژي مثل UV به سطح فـولادكربني و محلول سبب افزايش نرخ خوردگي فولاد كربني در آن محل ول مـيش ود. ايـن نت ايج ب ا نت ايج حاص ل از آزمايش ات غوطـه ور ي بسـيار همخـوان ي دارد. در شـكل (2) تصـوير سـطح
الكترود فولاد كربنـ ي را پـس از پلار يـ زه شـدن آن هـا در جر يـ ان ثابت تحت نور UV و زير نور آزمايشگاه نشـان داده شـده اسـت.
جدول (2) پارامترهاي پلاريزاسـيون در خـوردگي فـولاد كربنـيدر محلول %5/3 NaCl را نشان ميدهـد . همـان طـور كـه مشـاهده ميشود شرايط تابش نور UV بسيار خورندهتـر اسـت و تخريـ ب سطح فلز بيشتر است.
نت ايجي ك ه از نم وداره اي پلاريزاس يون بدس ت آم د، توس ط آزمايشات امپدانس در پتانسـيل OCP و در سـه شـرايط مختلـفتكميل شد. نمودار نايكويست فولاد كربني در محلـول %wt 5/3 NaCl و در پتانس يل OCP در ش كل (3) نش ان داده ش ده اس ت.
دادههاي بدست آمده نشان ميدهـد كـه نمـودار امپـدانس شـامليك حلقهي خازني مربوط به مقاومت انتقال بـار و خـازن لايـهي دوگانه است. نتايج حاصل از آزمايشات امپـدانس بـا مـدل مـدارمعادل الكتريكي كه در شكل (4) نشـان داده شـده اسـت تحليـلشد. جدول (3) پارامترهاي مدارمعادل الكتريكي بدست آمـده ازشكل (3) را نشان ميدهد.
سادهترين حالت تابع امپدانس، Z(w)، شامل مقاومت Rct و خازن C به طور موازي است كه هر دو با يك مقاومت Rs سري هستند.

شكل (2): تصوير ميكروسكوپ نوري گرفته شده از سطح فولاد كربني در جريان ثابت (a, b) تحت نور (d, c) ، UV زير نور آزمايشگاه

شكل (3): نمودار نايكويست فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl تحت نور
UV، نور آزمايشگاه و تاريكي (25 دقيقه تابش نور)

شكل (4): مدار معادل استفاده شده براي تحليل دادههاي بدست آمده از فولاد
كربني در محلول %5/3 NaCl

Z ( )ω = +Rs1

/ Rct 1+i Cω (1)
كه در آن ω فركانس بر حسب راديان بر ثانيه اسـت (ω=2πf و f فركانس بر حسب هرتز است. بـراي شـبيه سـازي بهتـر امپـدانسفولاد لازم است كه در مدار معادل، به جاي خـازن(C) از المـانفاز ثابت CPE) Q) استفاده شـود [13]. المـان فـاز ثابـتCPEdl ، Rs و Rct به ترتيب بيانگر ظرفيت خازني لايه ي دوگانه، مقاومت محلول و مقاومت انتقال بار است. المـان فـاز ثابـت در اثـر زبـريميكروسكوپي در سطح الكترود بوجود ميآيد [12-13].
نمــودار نايكويســت در شــكل (3) كــاملا نتــايج پلاريزاســيونپتانسيوديناميك را تاييد ميكند. مشـاهده مـيشـود كـه مقاومـتانتقال بار Rct در حضور نور UV نسبت به شرايط نور آزمايشـگاهو تاريكي كاهش قابل توجهي داشته است. اين دادهها تغييري در خواص الكتريكي منطقهي انتقال بار بـه علـت تـابش نـورUV را نشان ميدهنـد . مقاومـت محلـول نيـز بـا تـابش نـورUV كـاهش مييابد، اما اين كاهش زياد نيست و در واقع بيشترين اثر نور UV ب ر واك نشه اي انتق ال ب ار اس ت ك ه ب ه عل ت رس انش بيش ترمحصولات خوردگي روي سطح تحت نور UV است.

مقدار بعد فراكتالي ((Ds هم از ميانگين مقادير n [14] و انحـرافآنها از ظرفيت خالص CPE در انـدازه گ يـري هـاي امپـدانس ازمعادله زير بدست ميآيد.
D s =

1n +1 (2)
ك ه در آن n وابس ته ب ه فرك انس اس ت،Q = C (jw)n . بع د فراكتالي سطح، Ds، ميتواند اعداد بين 2 و 3 را اختيـ ار كنـد كـهبراي سطوح صاف نزديك به 2 و براي سطوح زبر نزديـ ك بـه 3 است. همانطور كه ديده ميشود سيستم در زير نور UV بعد فراكت الي ب الاتري دارد. بن ابراين س طح آس يب بيش تري دي ده و همانطور كه از شكل (2) هم بـر مـيآمـد، خـوردگي آن بيشـتراست. شكل (5) منحنيهاي پلاريزاسيون فـولاد كربنـي را تحـتتابش نور UV براي مدت زمـان تـابش متفـاوت نشـان مـيدهـد .
واضح است كه نمونـه اي كـه بيشـتر تحـت تـابش اسـت چگـاليجريان خوردگي آن نيز بيشتر است.

شكل (5): منحني هاي پلاريزاسيون فولاد كربني در محلول %5/3 تحت مدت زمان متفاوت تابش نور UV پارامترهاي سينتيكي اين منحنيهاي پلاريزاسـيون در جـدول (4) ليست شده است.
NaCl

جدول (3): پارامترهاي مدار معادل در خوردگي فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl
Rct(Ω) Qdl(F) n Rs(Ω) Ds 651 0/018 0/68 4/5 2/47 تابش نور UV
1475 0/004 0/83 5/9 1/2 نور آزمايشگاه
1515 0/006 0/85 6/5 1/17 تاريكي

شكل (6): منحنيهاي پلاريزاسيون فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl تحت
تابش مستقيم و غير مستقيم نور UV

جهت بررسي اينكه اثر نور UV روي نـرخ خـوردگي بـه علـتتابش آن بر سطح فولاد كربني يا خود محلول است، نـور UV از پشت الكترود به آن تابانيده شد، به طوري كه مسـتقيما بـه سـطحالكترود نتابد. شكل (6) منحنيهاي پلاريزاسيون فولاد كربنـي رادر حالت تابش مستقيم و تابش از پشت نشان ميدهد و دادههـاي پلاريزاسيون نظير آن در جدول (5) آمده است.

شكل (7): نمودار نايكويست فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl تحت تابش مستقيم و غير مستقيم نور UV
مشاهده مـ يشـود كـه چگـالي جريـ ان در حالـت تـابش از پشـتكمتر از تابش مستقيم است. بنابراين اثر تـابش نـورUV بـر نـرخخوردگي فولاد كربني هم ناشي از تـابش آن بـه سـطح الكتـروداست و هم تابش آن به محلول. شكل (7) نمودارهاي نايكويست امپدانس را در حالتهاي تابش مستقيم، تابش از پشت و تاريكي همانطور كه در جدول (6) و شكل (7) ديده مـ يشـود مقاومـتانتق ال ب ار در حال ت ت ابش از پش ت ب الاتر از حال ت تاري ك و پايينتر از حالت تابش مستقيم است. اين نتايج نشان ميدهـد كـهاثر UV بيشتر روي سطح فولاد كربني، مخصوصا لايـ ه اكسـ يدي است.
نش ان م يده د. پ ارامتره اي م دار مع ادل بدس ت آم ده از اي ن نمودارها در جدول (6) ليست شده است.
-βc
(mV/dec) βa
(mV/dec) Ecorr (mV) Icorr
(μA) CR
(mpy) Rp (Ω)
1230 79 -613/1 27/3 15/36 1180 1ساعت تابش نور UV
929 58/3 -635/6 14/4 8/10 1654 15 دقيقه تابش نور UV
جدول (4): پارامترهاي پلاريزاسيون در خوردگي فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl : تاثير مدت زمان تابش
-βc
(mV/dec) βa
(mV/dec) Ecorr
(mV) Icorr
(μA) CR
(mpy) Rp (Ω)
854 68/4 -666 22/7 12/78 1211 تابش مستقيم
150 238 -785 7/68 4/32 5202 تابش از پشت
جدول (5): پارامترهاي پلاريزاسيون در خوردگي فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl : تابش مستقيم و غير مسقيم
Rct(Ω) Qdl(F) n Rs(Ω)
651 0/018 0/68 4/5 تابش مستقيم
788 0/01 0/77 5 تابش از پشت
1515 0/006 0/85 6/5 تاريكي
جدول (6): پارامترهاي مدار معادل در خوردگي فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl : تابش مستقيم و غير مسقيم
R1(Ω) Q1(F) n Rs(Ω)
1244 0/018 0/6 4/5 آفتاب روز اول
1594 0/007 0/7 4 سايه روز اول
1613 0/008 0/64 3/9 تاريك روز اول
1286 0/013 0/62 1/2 آفتاب روز دوم
1639 0/01 0/65 3/5 سايه روز دوم
1720 0/016 0/68 3/6 تاريك روز دوم
1357 0/006 0/61 2/8 آفتاب روز چهارم
1878 0/017 0/65 4/5 سايه روز چهارم
1932 0/016 0/65 5/5 تاريك روز چهارم
1520 0/009 0/65 5/3 آفتاب روز هفتم
2715 0/009 0/67 6/2 سايه روز هفتم
2834 0/012 0/75 6/5 تاريك روز هفتم
جدول (7): پارامترهاي مدار معادل در خوردگي فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl : تاثير مدت زمان تابش نور آفتاب

3-3 كرونوآمپرومتري تحت تابش نور UV مشخص، استفاده شد.
براي بدست آوردن جريان آندي فولاد كربني در حضـور تـابشنور UV و نبود آن، از روش كرونو آمپرومتري در پتانسيل آندي

UV
شكل (8): اثر تابش نور بر تغييرات جريان فولاد كربني در محلول %5/3
NaCl. از چپ به راست 1) زمان رسيدن به حالت پاياي اولي، 2) لامپ UV روشن مي شود، 3) زمان رسيدن به حالت پاياي دوم و خاموش شدن لامپ UV

شكل (9): نمودار نايكويست فولاد كربني در محلول %5/3 NaCl در روزهاي اول، دوم، چهارم و هفتم در سه شرايط 1) نور آفتاب 2) سايه 3) تاريكي

نمودار جريان بر حسـب زمـان در پتانسـيل mV 450- نسـبت بـهالكترود مرجع كالومل در شكل (8) نشان داده شده است. لامـپUV در ابتداي آزمايش خاموش است و جريان به طور طبيعي بـهعلت انحلال فلز افزايش مييابد، تا اينكه در ثانيه 500 ام به مقدار ثابت μA 5550 ميرسد. ميتوان نتيجه گرفت كه لايهي

محص ولات خ وردگي ك ه روي س طح الكت رود ف ولاد كربن ي تشكيل شده اسـت از افـزايش جريـ ان جلـوگ يري كـرده و آن را ثابت نگاه ميدارد. پس از 800 ثانيه، لامپ UV روشن ميشود و روي سطح الكترود و محلول ميتابد. مشاهده ميشود كه جريـ ان خوردگي و نرخ خوردگي دوباره افزايش مييابد و پس از 1700 ثانيه به مقدار ثابتμA 7300 ميرسد. بعد از چنـد دق يقـه دوبـارهلامپ UV خاموش مـ يشـود و همـان طـور كـه انتظـار مـيرفـتجريان خوردگي با شيبي كمتر افت ميكند. اين شـ يب كمتـر بـهخــاطر اثــر مانــدگار ي (memory effect) اســت كــه توســطكولوفسكي و همكـارانش معرفـي شـد [16] كـه تـابش نـورUV سبب تغييرات برگشت ناپذير در لايهي اكسيدي تشكيل شـده درمحلولهاي آبي ميشود. شكل (8) به طور واضح اثر نـورUV بـرجريــان خــوردگي و نــرخ خــوردگ ي فــولاد كربنــ ي را نشــان ميدهد. مشخص است كه در حضور نور UV جريان افـزايش، و در نبود آن جريان كاهش مييابد.
3-4 طيف سنجي امپدانس در 7 روز متوالي آزمون EIS در همان سه محيط متفـاوت در 7 روز متـوال ي انجـامشد. سه الكترود فولاد كربنـ ي در محلـول %NaCl 3/5 wt در سـهبش ر مج زا ق رار داده ش د و هرك دام در محيط ي متف اوت ق رار گرفتند: شرايط تاريك، سايه و نور آفتاب. بعد از هـر 24 سـاعتروي هــر كــدام از ايــن نمونــههــا در همــان محلــول و در نــورآزمايشگاه آزمون EIS انجام شد. شكل (9) نمودارهاي امپدانس در ايــن ســه محــ يط از روز اول تــا هفــتم را نشــان مــ يدهــد و پ ارامتره اي بدس ت آم ده از نم ودار ب ا توج ه ب ه م دار مع ادلالكتريكي شكل (4) در جدول (7) ليست شده است.
در تمام هفت روز مقاومت انتقال بار نمونهاي كه درمعـرض نـورآفتاب است به ميزان قابل توجهي از شرايط سايه و تاريك كمتـراست. اين نتايج، نتايج بدست آمـده در آزمايشـگاه بـا اسـتفاده ازلامپ UV را تاييد ميكند. بنابراين فولاد در نور آفتاب شديدتـرخورده ميشود و سطح آن براي فرآيند خوردگي فعالتـر اسـت.
در نتيجه طول موجهاي نور UV در آفتـاب ، اساسـي تـرين عامـلكاهش مقاومت انتقال بار و افزايش جريان خوردگي هستند.
نكتهي قابل توجهي كه در نتايج ذكر شده در جـدول (7) وجـوددارد، افزايش مقدار مقاومت انتقال بار بعد از هر 24 ساعت است.
مي توان استدلال كه محصولات خوردگي روي سطح ضـخ يمتـرشدهاند و مانع پيشرفت خوردگي ميشوند [17].
3-5 مكانيزم خوردگي نوري
با تابش نور UV و نور آفتاب به سطح فولاد كربني و محلول، هر دو مقاومت محلول (Rs) و مقاومت انتقال بار (Rct) كاهش پيـ دا ميكنند. با توجه به دادههايي كـه از تـابش از پشـت الكتـرود بـهدست آمد، مشـخص شـد كـه تـاثير نـورUV بيشـتر رو ي سـطحالكتـرود و در نتيجـه روي مقاوم ت انتقـال بـار اس ت. ايـ ن ب دين معناست كه تاثير اساسي نور UV روي لايهي اكسـيدي يـ ا همـاناكسيد آهن است كه روي سطح الكترود تشكيل شده است، ولي تاثير اندكي نيز بر ويژگيهاي محلول دارد. بنابراين با انرژي نـورUV، رسانش لايهي اكسيدي افزايش مييابد. اكسيدهاي فلـزي، از جمله اكسيد آهـن ، خاصـيت نيمـه هـادي دارنـد و در حضـورنورهاي پـر انـرژي مثـلUV مـيتواننـد در برخـي واكـنش هـاي شيميايي تغيير ايجاد كنند [6، 8- 9، 18- 19].
در اتم مواد نيمه هادي، نه تنها يك لاي ه ي ظرفيـ ت وجـود دارد ، بلكه در بالاي آن با فاصلهاي معادل گاف انرژي (Eg) لايهاي بـ ه نام لايهي رسانش نيز وجود دارد. اگر فوتونهايي با انرژي بيشـتراز Eg به الكترون لاي ه ي ظرفيـ ت بتابـد، ا يـن الكتـرون بـه لا يـهي رس انش م يرود و ب ه ج اي آن ي ك حف رهي مثب ت در لاي هي ظرفيت ايجاد ميشود. تابش ايـ ن نـور پـر انـرژي چگـالي لا يـهي دهندهي الكترون را زياد مـي كنـد. ا يـن الكتـرون هـاي برانگيختـهتحت تاثير ميدان بين آند و كاتد، به سطح مشترك فلـز – اكسـيد ميرود، در حالي كه حفرهي مثبت در جهت مخالف و به سـطح مشترك اسيد-محلول ميرود.
(لاي ه ي رسانش)e- + (لاي ه ي رسانش) hυ → h+

اين حفرات در سطح اكسيد سبب تفكيك آب به مولكولهاي اكسيژن و هيدروژن ميشود.
2H2O + 4h+ → O2 + 4H+

البته تمام اين حفرات در واكنشهاي شيميايي شركت نمـ يكننـدو بقيهي آنها در سطح اكسيد تجمع ميكنند. تجمع اين حفـراتدر سطح اكسيد سبب كاهش در افـت پتانسـيل لا يـهي اكسـيدي ميشود و اين باعث افزايش اختلاف پتانسـ يل در سـطح مشـترك اكسيد-محلول ميشود. از آنجايي كه نرخ انتقال بار كـات يوني در در سطح مشترك اكسيد- محلـول تـابع اخـتلاف پتانسـيل سـطح مش ترك اس ت، بن ابراين ن رخ انتق ال ي ونه اي فل زي از لاي هي اكسيدي به محلول با تابش نور UV و زياد شدن اختلاف پتانسيل سطح افزايش مييابد. هـم چنـين ايـ ن افـزا يش اخـتلاف پتانسـيل،
پيون د فل ز- اكس يژن درون اكس يد را ض عيف م يكن د. تجم ع حفرههاي مثبت در سطح اكسيد ممكن است سبب واكنش آن بـاپيوند –O شود و اين پيوند را بشـكند و راد يكـال اكسـيژن ايجـادشود [6].
ايــن حفــرههــاي مثبــت در لايــهي ظرفيــت باعــث پيشــرفت واكنشهايي ميشوند كه به آنها واكنشهاي پيشرفتهي اكسيژن (AOPs) گفت ه م يش ود. ط ي اي ن واك نشه ا راديك اله اي اكسيژن هـاي بسـيار فعـال تول يـ د مـ يشـوند ، مثـل OH· (راديكـالهيدروكسيل)، ⎯O·2⎯, O (آنيـ ون راديكـال سوپراكسـيد) و 2HO· (راديكال پرهيدروكسيل) [7، 20-21]. اين اكسيژنهاي فعـال بـهتوليد زنگ در سطح فولاد كربنـ ي سـرعت مـيبخشـند، ي عنـي بـاكاهيده شدن اكسيژنهاي فعال كه اكسيد كننده هـاي بـيش فعـالهسـ تند، نـ رخ خـ وردگي افـ زايش مـ ييابـ د[6، 7، 20]. ايـ ن واك نشه اي AOPs در س طح ف ولاد كربنـي، چگ الي جري ان
خوردگي را افـزايش و در نتيجـه مقاومـت انتقـال بـار را كـاهش ميدهد.
بـا ان دازه گ يـري غلظ ت اكسـ يژن در محل ول در حضـور و ع دمحضور نور UV مشاهده شد كه غلظت اكسيژن با تابش نـورUV به محلول از ppm 974/8 به ppm 913/7 كاهش مييابد و بعد از خاموش كردن لامپ UV غلظت اكسيژن دوباره بـه 492/8 ppm افزايش مييابد. اين نشان ميدهـد كـه بـا تـابشUV بـه محلـولاكسيژن محلول ، به راديكالهاي فعال اكسي ژن تبديل ميشود و با خاموش شدن لامپ UV دوباره با هـم ترك يـ ب شـده و مولكـولاكسيژن را توليد ميكنند (⎯2(O2 + e⎯ → O·.

Light on the Dissolution and Passive Behavior of Al”,
Arabian J. Chem. Vol. 6, pp.165-172, 2013.

4- نتيجه گيري
رفتــار خــوردگ ي فــولاد كربنــ ي در ســه محــ يط تاريــك، نــور آزمايشگاه و تابش نور UV توسط آزمايشات الكتروشـ يميايي در محلول %NaCl 3/5wt بررسي شد. همچنين آزمـون غوطـه وري در محلول مشابه و در سه محيط تاريك، سايه و نور آفتاب انجام شد. در آزمونهاي پلاريزاسيون تحت نور UV افـزايش چگـال ي جريان خوردگي و نرخ خـوردگ ي مشـا هده شـد . از آنجـا يي كـهاكسيد آهن رفتاري نيمه هادي گونه دارد، چگالي جريان به علت برانگيختگــي الكتـ ـرون و ايجـ ـاد حفــره در سـ ـطح مشـ ـترك اكسيد- محلول افزايش مييابد. آزمـون هـاي EIS نشـان داد كـهتابش UV تاثير قابل توجهي در كاهش مقاومـت انتقـال بـار داردكه با نتايج حاصل از آزمون هـاي پلاري زاسـيون هـم خـواني دارد. آزم ون غوط ه وري در 7 روز نش ان داد ك ه ك اهش وزن ف ولاد كربني در حضور نور آفتاب بيشتر اسـت، كـه بـه خـاطر سـرعتبيشتر خوردگي و تشكيل زنگ ناشي از ايجاد اكسيژن هـاي فعـالدر واكنشهاي الكتروشيميايي نور تحت نور UV است.
خوردگي نوري با تجمع حفرههاي مثبت در سطح اكسيد شـروعميشود و همين تجمع حفرهها سبب افزايش اختلاف پتانسـ يل در سطح مشـترك اكسـيد- محلـول شـده و پيونـدM-O را ضـع يف ميكند. بنـابراين اثـر افـزايش نـرخ خـوردگي بـه علـت افـزايش الكترونهاي برانگي خته ناشي از حضور نور ماوراء بنفش است.

6- مراجع
P. Kalinauskas, I. Valsiunas, M. Samuleviciene, E.
Juzeliunas, “Zinc Photo-Corrosion in Neutral Solutions”, Corros. Sci., Vol. 43, pp. 2083-2092, 2001.

E. A. Thompson, T. D. Burleigh, “Accelerated Corrosion of Zinc Alloysexposed to Ultraviolet Light”, Corros. Eng., Sci. Technol., Vol. 42, pp. 237-241, 2007.

S. O. Moussa, M. G. Hocking, “the Photo-Inhibition of Localized Corrosion of 304 Stainless Steel in Sodium Chloride Environment”, Corros. Sci., Vol. 43, pp. 20372047, 2001.

M. A. Amin, M. S. Refat, “Study of Complex Formation in Al(III) – Gluconic Acid System and the Influence of UV
A. Benedetti, L Magagnin, F. Passaretti, E. Chelossi, M. Faimali, G. Montesperelli, “Corrosion Protection of Carbon Steel in Natural Seawater: Effect of Sunlight Radiation”, Electrochim. Acta, Vol. 54, pp. 6472-6478, 2009.

T. Ohtsuka, T. otsuki,”Effect of Ultraviolet Light Irradiation on Anodic Oxides Film on Titanium in Sulfuric Acid Solution”, J. Electroanal. Chem., Vol. 473, pp. 272278, 1999.

M. G. Mahmoud, R. Wang, M. Kato, K. Nakasa,
“Influence of Ultraviolet Light Irradiation on Corrosion Behavior of Weathering Steel with and without TiO2 Coating in 3mass% NaCl Solution”, Scr. Mater., Vol. 53, pp. 1303-1308, 2005.

T. Stenberg, P. Vuoristo, J. Keranen, T. Mantyla, M. Buchler, S. Virtanen, P. Schmuki, H. Bohni, “Characterization of r.f.-Sputtered Iron Oxide Films for Modeling Passive Films”, Thin Solid Films, Vol. 312, pp.
46-60, 1998.

M. Buchler, P. Schmuki, H. Bohni, “Comparison of the Semiconductive Properties of Sputter-Deposited Iron Oxides with the Passive Film on Iron”, J. Electrochem.
Soc., Vol. 145, pp. 378-385, 1998.

J.M. Bastidas, J.D. Scantlebury, “Photopotentials and the Corrosion of Mild Steel in Sodium Sulphate Solution” Corros. Sci., Vol. 25, pp. 377-382, 1986.

J. R. Macdonald, ”Note on the Parameterization of the Constant-Phase Admittance Element” Solid State Ionics, Vol. 13, pp. 147-149, 1984.

I. Danaee, M. Jafarian, F. Forouzandeh, F. Gobal, M.G. Mahjani, “kinetic Interpretation of a Negative Time Constant Impedance of Glucose Electrooxidation”, J.
Phys. Chem., Vol, B 112, pp. 15933-15940, 2008.

A. Maritan, F. Toigo, “On skewed ARC plots of Impedance of Electrodes with an Irreversible Electrode Process” Electrochim. Acta, Vol. 35, pp. 141-145, 1990.

K.N. Jung, S.I. Pyun, “Effect of Pore Structure on Anomalous Behaviour of the Lithium Intercalation into Porous V2O5 Film Electrode Using Fractal Geometry Concept” Electrochim. Acta, Vol. 51, pp. 2646-2655, 2006.

G.A. McRae, M.A. Maguire, C.A. Jeffrey, D.A. Guzonas, C.A. Brown, “A Comparison of Fractal Dimensions Determined from Atomic Force Microscopy and Impedance Spectroscopy of Anodic Oxides on Zr–2.5Nb” Appl. Surf. Sci., Vol. 191, pp. 94-105, 2002.

M.R. Kozlowski, P.S. Tyler, W.H. Smyrl, R.T. Atanasoski, “Photoelectrochemical Microscopy of Oxide Films on Metals: Ti/TiO2 Interface” Surf. Sci., Vol. 194, pp. 505-530, 1988.

M. Y. Ghaly, G. Hartel, R. Mayer, R. Haseneder, “Photochemical Oxidation of p-Chlorophenol by UV/H2O2 and Photo-Fenton Process. A Comparative Study” Waste Manage., Vol. 21, pp. 41-47, 2001.

D. Paola, D. Shukla, U. Stimming, “Semiconducting Properties of Passive Films on Stainless Steels” Electrochem. Acta, Vol. 34, pp. 203-210, 1991.

K. Azumi, T. Ohtsuka, N. Sato, “Mott-Schottky Plot of the Passive Film Formed on Iron in Neutral Borate and Phosphate Solutions”, J. Electrochem. Soc., Vol. 134, pp.
1352, 1987.

J. B. De Heredia, J. Torregrosa, J. R. Dominguez, J. A. Peres, “Oxidation of p-Hydroxybenzoic Acid by UV Radiation and by TiO2/UV Radiation: Comparison and Modelling of Reaction Kinetic” J. Hazard. Mater., Vol.
B83, pp. 255-264, 2001.

A. K. De, B. Chaudhuri, S. Bhattacharjee, B. K. Dutta, “Estimation of

OH Radical Reaction Rate Constants for
Phenol and Chlorinated Phenols Using UV/H2O2 PhotoOxidation” J. Hazard. Mater, Vol. B64, pp. 91-104, 1999.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید