6 Nisan 2011 | TEKNİK MAKALE 37. Sayı (Mart - Nisan 2011)

İpek Öztürk / Teknik ve Pazarlama Müdürü BKG Water Solutions
Korozyonun tanımı ve Organik Korozyon İnhibitörleri-Film Yapıcı Aminler
Metal ve alaşımlarının çoğunlukla sulu ve gaz ortamlardan oluşan çevreleri ile girdikleri elektrokimyasal ve kimyasal tepkimeler sonucu uğradıkları hasar, korozyon olarak adlandırılır [1]. Kimyasal korozyon, metalin içinde bulunduğu ortamdaki diğer bir elementle doğrudan elektron alışverişinin söz konusu olduğu bir reaksiyondur (Denklem 1-4). Metal genellikle ortamdaki oksijene elektron verir ve reaksiyon sonucu metal oksit oluşur. Sanayide kullanım bulan metallerin büyük çoğunluğu, atmosferik hava ve zeminin de kapsandığı çok farklı ortamlarda kararlılıklarını kaybederler. Altın ve platin dışındaki metallerin tamamı doğada oksitlenmiş halde bulunurlar. Metalleri oksitlerinden ayırmak zorlu bir süreçtir ve büyük miktarlarda hammadde, enerji ve insangücü kullanımı ile gerçekleşir. Termodinamik anlamda, bu süreç sonunda metaller daha yüksek bir enerji düzeyine taşınırken, entropileri düşer. Metallerin doğadaki durumlarına dönme eğilimi korozyon olayının oluşmasına neden olan itici güçtür [1].

Korozyona dayanıklı alaşımların geliştirilmesi ve kullanımı üzerine çok fazla ilgi gösterilmesine rağmen, metal korozyonunun önlenmesi halen önemli bir konu olarak kalmıştır. Özellikle otomotiv endüstrisindeki soğutma sistemlerinde, ısıtma kazanlarında, petrol kuyularının sondajında, taşınmasında ve depolanmasında korozyonun engellenmesi çok önemlidir. Korozyonun önlenmesi ile tesislerde plânsız duruşlar, bakım ve onarım masrafları azaltılmış ve daha güvenli bir operasyon sağlanmış olur. Bu amaçla korozyonun önlenmesi amacıyla bir ya da fazla bileşenden oluşan inhibitörler kullanılmalıdır.

Geçmişte, karbon çelik malzemenin korozyonunun engellenmesinde kromat, nitrit, polifosfat ve çinko tuzları gibi inorganik inhibitörlerin kullanımı daha geniş yer bulmaktaydı. Günümüzde ise, özellikle kromat ve nitritlerın yüksek toksik özelliklerinden dolayı kullanımlarında bazı kısıtlamalar bulunmaktadır. Çinko tuzlarının ise yüksek miktarda atıksuya deşarjı kabul edilmemektedir [4]. Sıkı çevresel düzenlemeler, yüksek toksik özellikler, atıksuya yüksek miktarda deşarj yapılamaması ve insan sağlığı gibi durumlar dikkate alındığında kromat, nitrit ve çinko tuzları gibi inorganik inhibitörlerin yerini, 1960 yıllarından itibaren toksik olmamalarından dolayı organik ürünler (fosfonatlar, poliakrilatlar, aminler gibi) almıştır.

Film yapıcı aminler, su sistemlerinde uzun yıllardır korozyon inhibitörü olarak kullanılmaktadır. Soğutma suyundaki kullanımlarının yanında, özellikle tamamen uçucu ya da fosfatlarla alkalizasyon gibi standart uygulamaların yetersiz kaldığı ya da beklenen verimi sağlayamadığı durumlarda, film yapıcı aminler ile çok daha iyi sonuçlar elde edilmektedir.

Aynı zamanda poliamin ya da yağ amini olarak da adlandırılan film yapıcı aminler, metal yüzeyine adsorplanan mono-moleküler bir film oluşturarak, korozyona karşı homojen bir koruyucu bariyer oluştururlar. İnhibitör olarak kullanılan poliaminlerin genel kimyasal yapıları Şekil 2’de belirtilmiştir.

Organik korozyon inhibitörler varlığında metal yüzeyinde hem anodik hem de katodik koruma etkileri gözlemlenebilirken, genel olarak yeterli konsantrasyonları sağlandığında, korozyona maruz olan bütün metal yüzeyinde etkin olurlar. Organik inhibitörler (film yapıcı olarak adlandırılan) metal yüzeyinde hidrofobik bir film oluştururlar (Şekil 3). Etkinlikleri, kimyasal yapılarına, molekül yapılarına ve metal yüzeyi ile kurdukları çekim kuvvetine bağlıdır (inhibitörün iyonik yüküne ve metal yüzeyin yüküne bağlı olarak). Film oluşumu bir adsorpsiyon prosesi olduğu için sistem basınç ve sıcaklık değerleri de diğer önemli parametrelerdir.

Organik korozyon inhibitörlerinin avantajları:
•    Film oluşumu sayesinde uniform korozyon oluşumu engellenir.
•    Organik inibitörler, metal yüzeyinin aktivasyon enerjisini arttırırlar (pasivasyon).
•    Organik inhibitörler, geniş bir pH aralığında korozyonun önlenmesini sağlar.
•    Yüzeyde adsorblanarak, ince polimerik bir film oluşumu sağlanır.

Cetamine Teknolojisi
Cetamine, BKG Water Solutions tarafından patentli, kazan suyu ve buhar şartlandırmaları için film yapıcı poliamin teknolojisine dayanan kapsamlı ve yenilikçi bir ürün gamıdır. Besi suyu tanklarında, kazan, buhar ve kondensat sistemlerinde korozyon ve depozit oluşumunu önler.

Şekil 4’te, Cetamine ve klasik şartlandırma sonrasında metal yüzeylerinin görüntüleri verilmektedir. Cetamine şartlandırması ile klasik şartlandırmaya (Na3PO4) kıyasla daha ince oksit tabakası oluşumu ve ortalama kalınlık ve porozite gözönünde bulundurulduğunda daha homojen (Şekil 5) bir yüzey alanı sağlanmaktadır.

Kazan Sistemlerinde Film Yapıcı Aminlerin IsıTransferine Etkileri [7]
Buhar jeneratörlerinde gerçekleşen çelik yüzey ile kaynayan su arasındaki ısı transfer prosesi, hemen hemen bütün endüstri sektörlerinde enerji ihtiyacı bakımından büyük bir önem taşımaktadır. Buhar jeneratörlerinde, en uygun ısı transfer koşulları göz önüne alındığında damlacık halinde kaynamanın gerçekleştiği proseslerden en yüksek verim sağlanmaktadır (Şekil 6).

Isıtma yüzeyinden transfer edilen ısı miktarı (    ), ısı transfer alanı (A), ısı transfer katsayısı (k) ve ısıtma yapan akışkan ile buhar arasındaki sıcaklık farkına (∆T) bağlıdır (Denklem 5). Isı akış yoğunluğu birim yüzey alanında gerçekleşen enerji akışıdır (W/m²).

Isı Transfer Katsayısı Neden Önemlidir?
•    Daha yüksek ısı transfer katsayısı, daha iyi ısı transferi anlamına gelmektedir.
•    Daha iyi enerji transferi, daha az enerji ihtiyacı ile proseslerin daha verimli gerçekleşmesini sağlayacaktır.
•    Neticede, daha iyi enerji transferi, proseslerin ekonomik açıdan daha tasarruflu gerçekleşmesi demektir.

Kaynama prosesi sırasında basınç, sıcaklık ve ısıtma alanı yükü gibi fiziksel parametreler ile ısı transfer katsayısını öngörmek mümkün iken, ilave olarak sistemde kullanılan şartlandırma kimyasallarına bağlı olarak ısıtma yüzeyinin kazandığı özellikler de önemli rol oynamaktadır.

Film yapıcı amin bazlı organik korozyon inhibitörleri, yüzey aktif özelliklerinden dolayı çelik ısıtma yüzeylerinde, damlacık halinde kaynamanın gerçekleşmesini sağlayarak, ısı transferinde verimlilik sağlamaktadırlar. Klasik su şartlandırmasına (Na3PO4) kıyasla, film yapıcı aminler ile, kaynama esnasında yüzey alanında gerçekleşen kabarcık halinde buharlaşma prosesi, uzun süreli testlerle tespit edilmiştir. Analitik metodlar ile sürdürülen test çalışmaları sonucunda film yapıcı aminler ile şartlandırma yapılan borularda, klasik şartlandırma yapılan borulardan daha yüksek ısı transfer katsayıları tespit edilmiştir.

Şekil 7’de ısıtma prosesinin simülasyon görüntüsü verilmektedir. Cetamine şartlandırmasının yapıldığı sistemlerde, ısıtma prosesi sırasında yüzeyde klasik şartlandırmaya kıyasla daha fazla kabarcık oluşumu sağlayarak, ısı transferinin daha verimli olmasını sağlamaktadır. İlave olarak, kabarcıkların oluşma sıklığını arttırarak, yüzeyden ayrılma mesafelerini düşürmektedir.

Şekil 8’de, yapılan çalışma esnasında görüntülenen deney boruları verilmektedir. Daha önce de belirtildiği gibi, Cetamine şartlandırması ile ısıtma yüzeyinde klasik şartlandırmaya kıyasla daha fazla kabarcık oluşumu sağlayarak, ısı transferinin daha verimli olmasını temin etmektedir.

Çizelge 1’de farklı besi suyu şartlandırma şekillerine bağlı olarak boru yüzeylerinde kararlı oksit tabakasının oluşumu için gerekli süreler verilmektedir.

Yapılan testler neticesinde, Cetamine şartlandırması ile klasik şartlandırmaya (PO4, PO4 + N2H4) kıyasla daha kısa sürede kararlı oksit tabakası oluşurken, ısıtma yüzeyi ve akışkan arasındaki ısı transfer katsayısında %90 ila %150 oranında artış gerçekleşmektedir. Ayrıca, klasik şartlandırmaya kıyasla daha homojen bir yüzey alanı elde edilmiştir. Klasik şartlandırmanın yapıldığı bir sistemde sonradan Cetamine şartlandırmasına geçilmesi durumunda dahi ısıtma yüzeyi ve akışkan arasında %50 ila %80 oranında ısı transfer katsayısında iyileşme tespit edilmiştir.