土壤的腐蚀性评估

土壤的腐蚀性评估

Coppe，里约热内卢联邦大学，巴西

化学研究所，里约热内卢联邦大学，巴西

恩普里萨Brasileira德Pesquisa Agropecuária（巴西农业研究公司），里约热内卢，巴西

摘要:把土壤作为腐蚀性环境进行研究变得开始有必要了，这是因为材料和环境之间的物理化学相互作用引起的材料退化已显示出来。在这些工作中，巴西东南部地区土壤的腐蚀性已经被研究了。在这个区域，收集到了位于靠近矿浆管道的不同点的16个样品。为了更好地理解的土壤腐蚀性，下面分析了已经准备好的由土壤样品制备的溶液：离子色谱分析法测定；等离子体放射测定和pH的测量方法。结果表明了目前土壤成分中所包含的的元素数量对这个环境的土壤腐蚀性评估是非常重要的。土壤腐蚀性的评价重要的是选择有效的方法，以保护地下结构和避免由管道故障引起的土壤污染。

关键词：腐蚀；土壤；管道；土壤成分

1．介绍

作为腐蚀性环境对土壤的研究是非常必要的，归因于埋在地下的管道和储油罐，因为它们的恶化可以代表着几年来的一个现实的经济和环境问题。

许多参数可以影响土壤腐蚀性，但较常用的方法是测量具有代表性土壤的腐蚀性。

自从全国腐蚀工程协会成立于1948年,对土壤腐蚀性概念理解的

增加是有目共睹的。

其实，对环境的关注是非常重要的和一个更好的土壤侵蚀剂的理解对地下结构足够的更多的保护，避免泄漏的发生，作为结果，导致土壤的污染，是有必要。

根据Trabanelli等人(1972)，土壤可被视为一种一般极性的胶体毛孔特征的体系。土壤颗粒之间的空间可装满水或气体。

费雷拉（2006）提到，当土壤与大气和海水或其他环境相比时，很难被归类为潜在的腐蚀性，因为它非常复杂。海水，依据腐蚀专家提出明确的特点，以及同样相关的环境，使标准化的分类被用来表示：城市，海洋，工业和农村环境。

土壤的腐蚀性可理解为一种环境下产生和发展腐蚀现象的能力。土壤被定义为一个电解质,这也可以理解为电化学理论。

1.1物理化学特性

由于它最初是观察到的，土壤作为腐蚀性环境的研究必须考虑归因于大量的埋在地下的管道管线，燃气线路和储存燃料与一般储存的罐。管道和含有易燃材料的储存箱材料的腐蚀消耗，使有可能发生穿孔泄漏，以及作为结果，土壤和地下水被污染，也可能引发着火和爆炸，这些可能性已经在一些场合验证。

土壤退化是一个过程,它描述了人类对降低当前和/或未来用于支持人类生活的土壤能力的感应现象。土壤退化是不受欢迎的。这导致我们的土地用处和产量降低。作为蓄水量能力的标准,其中有效养分和生物活性的下降,使土壤变得更不能够支持植物和动物的生长。最

终的退化是削减或丧失其物质组成。酸化、盐化、有机物和营养物质损耗、压实、化学污染物、山体滑坡、侵蚀所有这些土壤退化的形式都是由于不恰当的土地利用惯例所导致的（Oldemanetal., 1991）。

土壤的形成取决于气候，母质，（起源是岩石），生物活性，地形和时间。降水量是较大的气候因素。高pluvio度量指标区使土壤变酸。土壤中的有机物质被微生物降解，产生有机酸。草原土壤是黑色的，含有4～8％的比森林土壤酸性更大的有机物质（0.3-3％的有机物）（布拉德福德，2002年，第23-25页）。

罗宾逊（1993）定义了许多的物理和化学特性，这可以决定土壤腐蚀性、氧浓度、硫酸和硫化物离子的存在、电阻率、总酸度、氧化还原的潜力以及其他特性。

按照上述协议的参数，杰拉德引用（1993）研究了氧含量，溶解盐类，pH值，元素组成酸，氯化物，硫化物，硫酸盐，电阻率，酸的总浓度，氧化还原电位以及其他因素是如何影响土壤腐蚀性的，这取决于具体应用。

根据哈伦等（2005年）的研究，土壤水分的组成取决于例如Ca2+, Mg2+, Na+, Cl?, SO42?, HCO3?, and CO32?这些离子的浓度。

一个易于使用的地下水污染风险评价方法是开发出可作为在一个大范围土壤风险下的首个评估（费尔南德斯-加尔韦斯等，2007）。研究结果指出，低于50厘米存在着丰富的砾石层，因此使得排水及地下水污染的风险增加。

本研究的目的是确定Araxa土壤样品的组成，坐落于巴西Minas

Gerais的Triangulo Mineiro。由于某些参数，如电阻的下降和土壤电阻率的降低，一个水溶液与土壤样品混合以获得其真实的化学成分。这个方案被用来获取API X60极化曲线。

2. 材料和方法

所用的材料一起提交的方法建议。所采用的方法是：

1——收集来自Araxá地区，米纳斯吉拉斯州，巴西东南地区附近的16个不同点，这些土壤样品分别列为A1至A16。

2——制备土壤样品的水溶液旨在获取样品的可溶性物质。

这个解决方案准备的目的是分散可溶于水的物质和可以影响腐蚀性能。

3——极化曲线

获取充氧和脱氧环境下对材料的答案与解决共同作用下的两极分化的阳极和阴极曲线。

4 ——土壤样品的物理化学性能

这个性能可以确定任何存在于土壤样品中金属和阴离子进行研究。

根据API 5 L的标准，只要该材料已被普遍使用在巴西管道中，原料API X60钢即被选中。

通过温纳、氧化还原潜力和pH值(ASTMG57，1995年)这些方法的检验，电阻率被用来原位测量。

图1. 干燥过程中的土壤样品

水溶液，包含了可溶性盐类，被认为是研究土壤特点及腐蚀性具有代表性。这种液相也被用来做实验分析。这个解决方案用来获取由固体样品得出的极化曲线。

在硫酸盐还原菌存在的情况下测定是不可能的，这归因于收集样品的日子和准备水溶液之间的时间多于两天（24小时）的事实，还原菌的生存需要时间。

3.结果和讨论

在如图1所示土壤样品的干燥过程中，18个样品取出，然而，它们中只有16个被用过，因为这两个样与其他取出样的特点相似且被忽略。第一行的两个是没用过的。

3.1 物理化学分析

表1和2分别显示出，在水溶液中通过对金属离子进行液相色谱法、等离子发射光谱法分析阴离子水溶液的结果。

其中阴离子、亚硝酸盐(NO2-)、溴(Br?)和磷酸盐(PO43?)存在于他们的实用价值低于0.05mg/L的小浓度中，这些阴离子能够影响土壤腐蚀行为，然而，在这个区域，影响并不显著，因为阴离子的浓度和环境的导电性两者之间有直接的关系。

氟阴离子(F?)也存在于小浓度的样品中，所有的样品都表现出很大的实用价值(0.18毫克/升)。这个阴离子很小且呈现良好的导电性并能影响电导率，因此影响对环境的腐蚀作用

所分析的其他离子是氯离子（Cl -），硝酸盐（NO3 -）和硫酸盐（SO42 -）。这些离子以很大的的浓度存在。这些阴离子喜欢通过酸的构造增加环境的酸性。

与氯离子（Cl -）相关的样品A1和A16，表现出了更高的浓度，分别为4.83和5.70mg/L。然而，在一般情况下，该离子浓度并不表现出的显著的变化，换句话说；在这一区域这种离子的存在并没有很大的变化，很可能由于样品采集的地区和海之间的巨大距离。

表格1

土壤样品的离子液相色谱结果

样品F-

(mg/L)Cl-

(mg/L)

NO2-

(mg/L)

NO3-

(mg/L)

SO42-

(mg/L)

Br-

(mg/L)

PO43-

(mg/L)

H2S

(mg/L)

A1 0.09 4.83 <0.05 5.58 1.84 <0.05 <0.05 0.03 A2 <0.05 3.04 <0.05 1.52 1.77 <0.05 <0.05 0.02 A3 0.08 2.19 <0.05 3.58 1.89 <0.05 <0.05 0.02 A4 <0.05 2.39 <0.05 3.67 1.59 <0.05 <0.05 0.03 A5 0.07 2.83 <0.05 0.39 1.83 <0.05 <0.05 0.01 A6 0.05 2.52 <0.05 2.13 1.82 <0.05 <0.05 0.05

A7 <0.05 3.18 0.52 6.31 2.00 <0.05 <0.05 <0.01

A8 <0.05 3.33 <0.05 61.50 2.23 <0.05 <0.05 <0.01

A9 0.07 2.61 <0.05 18.62 2.19 <0.05 <0.05 <0.01

A10 0.10 2.02 <0.05 1.45 1.40 <0.05 <0.05 0.04

A11 0.18 1.83 <0.05 3.64 1.36 <0.05 <0.05 0.01

A12 <0.05 2.83 <0.05 4.14 1.94 <0.05 <0.05 0.04

A13 0.10 2.16 <0.05 2.96 1.45 <0.05 <0.05 <0.01

A14 0.14 1.79 <0.05 1.61 2.03 <0.05 <0.05 0.01

A15 <0.05 2.70 <0.05 36.20 2.43 <0.05 <0.05 0.02

A16 0.09 5.70 <0.05 15.40 1.43 <0.05 <0.05 <0.01

表格2

存在于土壤样品中的金属的测定结果

元

素

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16

Ca 1.71 1.72 1.26 1.43 0.996 1.53 1.62 1.71 4.29 1.00 1.63 2.28 1.00 2.50 13.5 5.77 Mg0.10 0.29 0.05 0.15 3.10 0.53 0.05 0.13 0.18 0.09 0.20 1.82 0.51 K 1.16 1.58 1.12 4.18 0.807 1.49 3.14 3.89 2.85 0.69 1.29 1.06 0.75 0.72 1.30 0.91 Na 4.50 3.49 2.69 2.88 3.12 2.45 2.95 3.51 3.34 1.63 2.18 2.60 2.54 2.50 3.18 3.15 B0.02 0.03 0.03 0.06 0.013 0.01 0.01 0.04 0.01 0.02 0.04 0.01 0.03 0.02 Mn0.00 0.01 0.03 0.004 0.01 1.58 0.07 0.01 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.02 Fe0.03 0.02 0.03 13.2 0.448 0.28 0.05 0.02 7.34 0.02 3.80 1.18 0.03 0.36 2.60 0.18 Zn0.04 0.01 0.08 0.05 0.02 0.01 0.04 0.02 Cu0.03 0.03 0.05 0.03 0.03 0.04 0.10 0.01 0.04 0.04 0.03 0.01

Cr0.021 0.10

Co

Ni

Al0.04 16.20 0.557 0.59 5.91 6.02 1.86 0.49 3.77 0.22 Cd

Pb

Mo

0.07 0.61

0.05 0.03

0.18

0.06 0.024 0.03 0.04

0.20

0.25

0.05

0.06

0.01

0.02

0.03

0.04

0.02

0.05

0.01

0.02 0.04

0.09

0.17

0.02

0.05

Ba

Sr

硝酸盐离子随着A5样品实用价值的较低(0.39毫克/升)和A8样品实用价值的增加（61.50 L毫克/升）而呈现出显著的变化。这个差别是61.11毫克/升。该离子的盐有完全溶解在水里的特性。

硫酸根离子，在收集点之间没有呈现出很大的变化，其实用价值在更小浓度的样品A11 （1.36 mg/L) 和更大浓度的样品A15 (2.4mg/L)

中发现。所以这些点之间的差别是1.07 mg/L，这对于腐蚀过程没有意义是因为浓度作用的接近。

从表格1呈现出的金属的测定结果来看，下面的结论是获得该地土壤的特性：

在土壤样品中发现不同的金属，即使在很小的浓度下，也能显示土壤样品的复杂性。这些金属有利于通过水解过程形成酸或者碱环境。

在所研究区域之间的所有收集点，钙（Ca），钠（Na），钾（K），铁（Fe）和锶（Sr）均存在。这些金属是最丰富。

金属铜（Cu），钡（Ba）和锶（Sr）也存在，尽管浓度很小。在这种特性的环境下它们不会引起显著的变化。

重金属也被确定存在。铬(Cr)在一些样品中被发现且锶(Sr) 在所有的样品中被发现，然而，这两种金属浓度都很小。它还可能推断出这个地区污染很小，表1中显示的阴离子测定的离子能证实这一点。

3.2 极化曲线

土壤样品的极化曲线来源于水溶液。下面，样品A1和A16的极化曲线分别在图2和图3中表示出来。

一般情况下，极化曲线显示出了相似的特点，或许，在这个环境中金属和离子的浓度有小小的差别，并且代表了图1的曲线。只有样品A16显示的电流密度高于其他类型的样品。或许，这可以解释为，是大量存在于样品成分中的氯离子形成的。该离子呈现出了高流动性；因此，它增加了传导性同时降低了电导率。

图2 样品A1在通气和排气环境下的阴极和阳极极化曲线

图3 样品A16在通气和排气环境下的阴极和阳极极化曲线

3.3 综述腐蚀性评价参数

针对经常用于腐蚀性评价的各参数之间的对比，所有的参数(电阻率、pH、氯离子、氧化还原电位)显示在一起。由于这些标准是最常用于土壤腐蚀性分析，它将可能被观察到，在某些情况下，使用价

值并不与腐蚀的程度协同。这些准则只是用来确定土壤的侵略性不够这种分类。

这块地方测得的电阻率测量值与在实验室测得的值不一致，大多数的样品，比起现场的测量值，通过测量水溶液呈现出的值较小。水溶液的液体环境有利于离子的移动，从而增加了传导性。

在实地和实验室获得的pH值之间显示出良好的的接近。其中大部分的数值是酸性pH值，介于5和6之间。离子的存在，一般形成了小浓度的酸，使环境呈现出一种缓和的酸性。只有在现场测量的样品A9呈较强的酸性。该地区的pH值与其他地区的样品相比是不相同的。

表3 土壤腐蚀性分类与颜色的关系

在实地与实验室获取的氧化还原电位参数之间有一个很大的相似。

腐蚀性分类的指标关系陈列在表3中。伴随实地和通过实验室的水溶液的测量值，这个指标的比较分别显示在表4 和表5中。应用各种颜色的不同，根据腐蚀性参数的可视化和比较就变得容易。

4 结论

收集的样品的那个地区的环境呈现出污染小，这是因为测得的重

金属的浓度低。

表4 实地土壤腐蚀性评价参数的测定

样品电阻率Eredox pH 意见

A1 930000(A) 291(B) 4.92 电阻率和其平均

水平的标准高

A2 730000(A) 338(B) 3.46 电阻率，平均氧

化还原电位以及

酸性pH高

A3 870000(A) 241(B) 4.20 电阻率高，平均

氧化还原电位以

及酸性pH低

A4 250000(A) 122(C) 4.34 电阻率，平均氧

化还原电位以及

酸性pH低

A5 1300000(A) 122(C) 4.88 低氧化还原电

位，高电阻率和

酸性pH

A6 44000(A) 308(B) 4.34 电阻率，平均氧

化还原电位以及

酸性pH高

A7 2000000(A) 352(B) 3.38 电阻率，平均氧

化还原电位以及

酸性pH

A8 560000(A) 342(B) 3.97 电阻率，氧化还

原电位以及酸性

pH高

A9 420000(A) 304(B) 2.75 高电阻率，低氧

化还原电位以及

强酸性pH

A10 640000(A) 223(B) 4.44 高电阻率，低氧

化还原电位以及

酸性pH

A11 670000(A) 295(B) 4.55 高电阻率，氧化

还原电位以及酸

性pH

A12 120000(A) 357(B) 7.14 高电阻率，低氧

化还原电位以及

酸性pH

A13 370000(A) 467(A) 5.76 高电阻率，酸性

pH以及所有样

品中最高氧化还

原电位

A14 400000(A) 302(B) 6.96 电阻率不是很

高，pH值中性A15 17000(B) 393(B) 5.27 平均电阻率，平

均氧化还原电位

以及酸性pH

A16 7000(C) 362(B) 4.92 低电阻率，平均

氧化还原电位以

及酸性pH

表5 实验室土壤腐蚀性评价参数的测定

A5 71428(A) 81(D) 6.94 14.15 无腐蚀性引

起的抵抗力、

低氧化还原

电位、几乎中

性pH。

A6 58823(A) 274(B) 5.84 12.60 无腐蚀性引

起的抵抗力、

低氧化还原

电位、酸性

pH。

A7 14285(B) 312(B) 5.25 15.90 低腐蚀性引

起的抵抗力、

平均氧化还

原电位、酸性

pH。

A8 21276(B) 305(B) 6.64 16.65 无腐蚀性引

起的抵抗力、

低氧化还原

电位、几乎中

性pH。

A9 19230(B) 258(B) 5.28 13.05 无腐蚀性引

起的抵抗力、

平均氧化还

原电位、酸性

pH。

A10 12500(B) 191(C) 5.30 10.10 无腐蚀性引

起的抵抗力、

低氧化还原

电位、酸性

pH。

A11 43478(A) 254(B) 5.09 9.15 无腐蚀性引

起抵抗力、平

均氧化还原

电位、酸性、

低的氯离子

浓度。

A12 33333(A) 291(B) 5.46 14.15 无腐蚀性引

起抵抗力、平

均氧化还原

电位、酸性

pH、低的氯离

子浓度。

A13 20000(B) 421(A) 5.70 10.80 无腐蚀性引

起抵抗力、平

均氧化还原

电位、酸性

pH。

A14 45454(A) 260(B) 7.13 8.95 低电阻率和

高氧化还原

电位，酸性

pH。

A15 33333(A) 351(B) 5.58 13.50 无腐蚀性引

起抵抗力、平

均氧化还原

电位、酸性

pH。

A16 6846(C) 332(B) 5.90 28.50 低电阻率，平

均氧化还原

电位，酸性

pH。

用于土壤样品收集和保存的这个方法被认为对这个研究的发展是适当的。该方法可以保持土壤样品的理化特性。用于分析水溶液的制备技术揭示了一种实用的方法，具有良好的再生能力。

在这个环境下存在于土壤中的各种各样的元素显示了其复杂性。分析这些元素的组成为这个埋在地下结构的腐蚀性环境选择一种更好的保护方法是很重要的。

在水溶液中获得的电阻率测量值与实地测量获得的值关联不大。这可能归因于当存在于土壤中的元素溶解在有利于流动性的水溶液环境中时，电阻元件受到了抑制。