Biogene Schwefelsäurekorrosion

Prüfstand und Verfahren zur Bewitterung von Werkstoffen

  • Abb. 1: Mechanismus der biogenen Schwefelsäurekorrosion am Beispiel »Abwasserkanal«, nach [1].Abb. 1: Mechanismus der biogenen Schwefelsäurekorrosion am Beispiel »Abwasserkanal«, nach [1].
  • Abb. 1: Mechanismus der biogenen Schwefelsäurekorrosion am Beispiel »Abwasserkanal«, nach [1].
  • Abb. 2: Prüfstand zur Bewitterung von Werkstoffen unter Einfluss von biogener Schwefelsäurekorrosion (BSK).
  • Abb. 3: Beton- und Mörtel­proben vor und nach der ­Bewitterung.

Im Beitrag werden ein Prüfstand und ein Verfahren zur Bewitterung von Werkstoffen unter Einfluss von biogener Schwefelsäurekorrosion (BSK) vorgestellt. Die biogene Schwefelsäurekorrosion ist eine Schadenssituation, in der Werkstoffe durch Schwefelsäure angegriffen werden, die durch mikrobiologische Umsetzungen entsteht und so zu einem kombinierten chemisch-biologischen Angriff der Oberflächen führt.

Um Werkstoffproben einem praxisnahen, zeitgerafften und reproduzierbaren BSK-Angriff auszusetzen, wurden ein Prüfstand und ein Verfahren entwickelt, welche die Einlagerung und Bewitterung von unterschiedlichen Werkstoffproben unter BSK-Angriff ermöglichen. Durch die Analyse und Untersuchung unterschiedlicher Parameter ermöglicht das Verfahren Rückschlüsse im Hinblick auf die Werkstoffeignung bei BSK und liefert Optimierungspotenziale zur Werkstoffweiterentwicklung.

Einführung

Die biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) ist eine Schadenssituation, die häufig in Abwasserkanalsystemen, Gebäudeentwässerungen, Abwasserreinigungsanlagen oder auch Biogasanlagen auftritt. Schwefelsäure (H2SO4), die durch mikrobiologische Umsetzungen entsteht, führt zu einem kombinierten chemisch-biologischen Angriff der Oberflächen. Die Entstehung der Schwefelsäure resultiert aus verschiedenen Stoffwechselprozessen des Schwefelkreislaufs, der durch sulfatreduzierende und schwefeloxidierende Bakterien bestimmt wird. Abbildung 1 zeigt den Mechanismus der biogenen Schwefelsäurekorrosion am Beispiel Abwasserkanal. Aus anorganischen und organischen Schwefelverbindungen im Abwasser bzw. im abgesetzten Schlamm wird durch sulfatreduzierende Bakterien Sulfid gebildet, das zu Schwefelwasserstoff (H2S) umgesetzt wird. H2S-Gas emittiert in den Gasraum und wird auf den Rohoberflächen absorbiert. Dort findet eine Oxidation zu Schwefel (S) statt und Thiobacillen setzen schließlich den Schwefel zu Schwefelsäure um, wodurch der Säureangriff startet.

Am Studium der BSK und an der Entwicklung von Verfahren, die den BSK-Angriff reproduzierbar nachstellen, arbeiten weltweit unterschiedliche Forschergruppen. Bereits in den 1980er Jahren wurden basierend auf Schadenfällen erste Untersuchungen und Testverfahren entwickelt, um für mineralische Werkstoffproben (Mörtel, Beton) Aussagen zur Langzeitbeständigkeit der Werkstoffe bei einem BSK-Angriff zu erhalten [2, 3].

In den letzten Jahren wurden weitere Verfahren vorgestellt, die unter Animpfung von Werkstoffproben mit speziell dafür hergestellten Bakteriensuspensionen [4, 5] oder realem Abwasser arbeiten [6]. Im Rahmen der Arbeiten wird zumeist Schwefelwasserstoff als Schwefelquelle eingesetzt, was der in der Praxis vorliegenden Situation am nächsten kommt. Auch der Einsatz alternativer Schwefelquellen, wie z. B. Thiosulfat (S2O32-), ist möglich, was unter anderem mit dem Ziel der Bilanzierung des Schwefelkreislaufs durchgeführt wird [7].

Die Schwefelsäurebeständigkeit von zementären Werkstoffen, wie Beton oder Mörtel, wird in Deutschland bis zum Erscheinen der im Entwurf befindlichen DIN 19573 [8] nach der Richtlinie für die Prüfung von Mörteln für den Einsatz im Sielbau durchgeführt [9]. Bei diesem Verfahren werden Werkstoffproben in Form von Prismen zunächst durch definierte Lagerung konditioniert, dann für 14 Tage in einer synthetischen Schwefelsäurelösung mit einem pH-Wert von 0 und im Anschluss daran für 70 Tage mit einem pH-Wert von 1 eingelagert. Anschließend werden die Proben hinsichtlich der Korrosionstiefe vermessen und die Druckfestigkeit bewertet.

Prüfstand

Um Werkstoffproben einem praxisnahen, zeitgerafften und reproduzierbaren BSK-Angriff auszusetzen, wurden durch Fraunhofer UMSICHT in Kooperation mit der Universität Duisburg-Essen, ein Prüfstand und ein Verfahren entwickelt, welche die Einlagerung und Bewitterung von unterschiedlichen Werkstoffproben unter BSK-Angriff ermöglichen.

Der Prüfstand ist in Abbildung 2 dargestellt und besteht aus insgesamt drei Prüfbehältern. Behälter 1 hat eine Abmessung (L x B x H) von 1400 x 700 x 900 mm und dient zur Einlagerung von großformatigen Bauteilen unterschiedlicher Werkstofftypen (Metall, Kunststoff, Beton). Die Proben können durch Einsatz von Sprühnebeln oder Flüssigkeitsrinnsalen belastet oder wechselweise im Gasraum und in der Flüssigkeit gelagert werden. Behälter 2 wird speziell zur Einlagerung von Beton- oder Mörtelproben verwendet. In diesem Behälter können bis zu 300 Proben in Würfelform mit Abmessungen von 20 x 20 x 20 mm eingelagert und bewittert werden. Behälter 3 dient zur Einlagerung von polymeren und folienartigen Werkstoffproben. Hier stehen insgesamt 33 Einlagerungsplätze (24 Plätze L x B: 240 x 100 mm, 9 Plätze L x B: 360 x 160 mm) zur Verfügung

Verfahren

Die drei Prüfbehälter sind bis zu einer Höhe von 20 cm mit einer wässerigen Lösung (pH-Wert: 1,0) gefüllt, die Acidithiobacillus thiooxidans enthält. Die Lösung wird temperiert und im Kreislauf durch die Behälter umgepumpt. In den Gasraum der Behälter wird zyklisch Schwefelwasserstoffgas eingeleitet, das in einem externen Reaktor erzeugt wird. Die Werkstoffproben werden im Gasraum der Behälter eingelagert und zu Beginn der Prüfung für sechs Wochen, jeweils 1-mal wöchentlich, mit einem Inoculum angeimpft. Durch die Animpfung wird auf den Proben ein Milieu erzielt, in dem die Mikroorganismen den Schwefelwasserstoff verstoffwechseln und einen pH-Wertbereich von 0 bis 1 einstellen. Nach Abschluss der Animpfung werden die Proben 1-mal wöchentlich mit einer Nährstofflösung (pH-Wert: 7,0) besprüht. Der Prüfzeitraum beträgt für gewöhnlich insgesamt sechs Monate.

Nach festgelegten Intervallen werden aus den Kammern Proben entnommen und charakterisiert. Die Probenentnahme erfolgt alle zwei Monate. Folgende Untersuchungen werden an den Proben, in Kooperation mit dem Institut für Hygiene und Mikrobiologie (Dr. Brill+Partner) durchgeführt:

  • Bestimmung des pH-Werts, kontinuierlich während des Prüfzeitraums, 1-mal wöchentlich.
  • Fotografische Dokumentation der Proben, bei Probenentnahme.
  • Bestimmung des Masseverlusts, 2-fach-Bestimmung, bei Probenentnahme.
  • Bestimmung der Zellzahlen, 2-fach-Bestimmung auf Mikroorganismen.

Ergänzend dazu können weiterführende Untersuchungen erfolgen, beispielsweise im Hinblick auf mechanische Kenndaten (Zugversuch oder Druckfestigkeit). Sollen detaillierte Untersuchungen bezüglich der Wechselwirkungen zwischen Proben und Mikrobiologie/Biofilm erfolgen, sind Analysemethoden wie Mikroskopie oder Kalorimetrie einsetzbar.

Ergebnis

Erste Prüfungen am beschriebenen Prüfstand wurden im Jahr 2006 durchgeführt. Seitdem erfolgen kontinuierlich im Rahmen von Projekten Bewitterungen von unterschiedlichen Werkstoffen. In Abbildung 3 sind exemplarisch Beton- und Mörtelproben im Ursprungszustand und nach sechs Monaten Bewitterung sowie eine Probe vor und nach der Masseverlustbestimmung dargestellt. Diese Probe hat 58 Prozent ihrer Ursprungsmasse verloren und ist in sechs Bruchstücke zerfallen.

Das beschriebene Verfahren ermöglicht, durch die reproduzierbar einstellbaren Bewitterungsparamter, einen zeitgerafften Korrosionsangriff. In Abgleich mit in der Praxis untersuchten BSK-Schäden kann der Beschleunigungsfaktor beispielsweise im Bereich unbeschichteter Beton- und Mörtelproben mit ca. 8 bis 10 angegeben werden. Sechs Monate in der Prüfanlage entsprechen so ca. vier bis fünf Jahren in der Praxisanwendung. Für die Werkstoffprüfung unter Angriff von BSK können so Aussagen zur Werkstoffeignung ermöglicht und Optimierungspotenziale zur Werkstoffweiterentwicklung erhalten werden.

Literatur
[1] Bock, E. et al.: Bedeutung der Mikroorganismen bei der Korrosion von Abwasserkanälen, TIS Tiefbau – Ingenieurbau– Straßenwesen, Sonderdruck zum 4. Statusseminar »Bauforschung und -technik«, 47-49 (1983)
[2] Sand, W. und Bock, E.:Concrete corrosion in the Hamburg Sewer system, Environ. Technol. Lett. 5, 517 – 528 (1984)
[3] Sand, W.: Importance of Hydrogen Sulfide, Thiosulfate, and Methylmercaptan for Growth of Thiobacilli during Simulation of Concrete Corrosion, Appl. Environ. Microbiol. 53, 1645 – 1648 (1987)
[4] Vincke, E. et al.: Biodegradation 10, 421 – 428 (1999)
[5] Bielefeldt, A. et al.: J. Environ. Eng. 136, 731 – 738 (2010), DOI:10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0000215
[6] Vollertsen, J. et al.: Corrosion of concrete sewers—The kinetics of hydrogen sulfide oxidation, Sci. Total Environ. 394, 162 – 170 (2008)
[7] Peyre Lavigne, M. et al.: Part I: Test design, Cement and Concrete research 73, 246 - 256 (2015), doi:10.1016/j.cemconres.2014.10.025[8] Norm-Entwurf DIN 19573, Mörtel für Neubau und Sanierung von Entwässerungssystemen außerhalb von Gebäuden, Beuth-Verlag, Berlin (2013)

Autoren
Holger Wack
(Korrespondenzautor)
F. Papke
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Oberhausen, ­Deutschland
holger.wack@umsicht.fraunhofer.de

Tilman Gehrke
Wolfgang Sand

Universität Duisburg-Essen
Essen, Deutschland
 

Kontaktieren

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.