הגנה על צנרת מנזקי קורוזיה באמצעות ציפוי ביולוגי

האם ניתן היה למנוע את זיהום מי התהום מתחת לתע"ש ברמת השרון? כיצד ניתן להאט את קצב השיתוך (קורוזיה) במערכת צינורות ישנה ולצמצם את הדליפות ממנה?

צנרת היא חלק אינטגרלי מהסביבה שיצר האדם. הצינורות יכולים להיות חלק מהסביבה העירונית ולהוביל מים או ביוב, הם יכולים להיות חלק מהתעשייה בכלל ומהתעשייה הכימית בפרט ולהוביל לעתים חומרים מסוכנים, וגם חלק מתעשיית הנפט והגז ולהעביר משאבי אנרגיה יקרים. דליפה בכל אחת ממערכת צינורות אלה היא אירוע בלתי רצוי, מסוכן למדי (נזילה בצנרת תעשייתית) או יקר ומסוכן מאוד לסביבה (נזילה בצנרת של תעשיית הנפט והגז). אחד התהליכים המרכזיים הגורמים לדליפה מצנרת הוא תהליך השיתוך.

שיתוך ^[4] מוגדר כהרס של מתכות או חומרי מבנה אחרים בסביבה אגרסיבית. שיתוך הוא תהליך אלקטרוכימי של חִמצון, שבמהלכו המתכת מעבירה אלקטרונים לסביבה ומשנה את הערכיות שלה. כתוצאה משיתוך פוחתים האיכות והחוזק של המתכת עד כדי הריסתה.

השיתוך מתחלק לשתי קטגוריות עיקריות:

1. שיתוך אחיד – המשטח החשוף נפגע כולו משיתוך כאשר הוא נמצא בתוך סביבה של אלקטרוליט נוזלי או אלקטרוליט היברידי של נוזל ואדמה. לשיתוך אחיד מספר תתי-קטגוריות: שיתוך אטמוספרי, שיתוך גלווני, שיתוך בטמפרטורות גבוהות, שיתוך נוזל-מוצק ושיתוך ביולוגי.
2. שיתוך מקומי – שיתוך שנוצר בחלקים מסוימים של המשטח שחשוף לאלקטרוליט. סוג זה קשה יותר למניעה מאשר שיתוך כללי.

שיתוך ביולוגי (ביוקורוזיה – Microbiologically Influenced Corrosion) ^[2] הוא סוג של שיתוך אחיד שנגרם בעקבות נוכחות של מיקרואורגניזמים, כגון חיידקים ופטריות, שמאיצים את תהליך השיתוך או גורמים לו להתחיל. שיתוך ביולוגי אובחן כמעט בכל סוגי המתכות, למעט טיטניום וסגסוגות המועשרות בכרומיום-ניקל. הגורמים לשיתוך הביולוגי הם חשיפה למי ים, למי שתייה, למים מזוקקים, לדלקים מזוקקים וטהורים, לכימיקלים תהליכיים, לתוצרי מזון, לקרקעות, לפלזמה, לרוק ולשפכים אנושיים.

מחקר בארה"ב הראה שהנזקים שנגרמים מכלל סוגי השיתוך נאמדים בכ-276 מיליארד דולר בשנה. מחקר דומה בארצות אירופה וביפן הראה שהנזקים שנגרמים עקב שיתוך הם 5%–1 מהתוצר הגולמי של אותן הארצות. האומדן לנזקי שיתוך בשנה אחת בעולם כולו עומד על כ-3.2 טריליון דולר לשנה. על פי דיווחים, שיתוך ביולוגי אחראי לכ-35% מהאבדן הכלכלי שנגרם עקב שיתוך. שיתוך ביולוגי גורם לאבדן הכספי הגבוה ביותר בתעשיית הנפט ובשינוע ובהפצה של מים ^[2]. הוא ייחודי בכך שהוא יכול להתרחש גם בסביבות שבהן שיתוך "קלָסי" לא צפוי להתרחש, כמו למשל ב סביבות אל-אווירניות (עניות בחמצן). כמו כן, קצב השיתוך שנגרם עקב נוכחות חיידקים יכול להיות מהיר באופן משמעותי מקצב השיתוך שנגרם בגלל גורמים אחרים. קשה יותר למנוע שיתוך ביולוגי, מכיוון שהוא יכול להיגרם על-ידי מספר רב של זני חיידקים שפוגעים במתכות באמצעות מנגנונים שונים.

כסף ומאמצים רבים הושקעו במהלך השנים בחקר ובהבנה של תהליכי השיתוך כמו גם במניעתם. פותחו דרכים רבות ומגוונות למניעת השיתוך על גווניו השונים: פיתוח ציפויים למתכות, שינוי החומר והמרקם של המתכות, הכנסת סגסוגות חדשות, שינוי גרעיני המתכת בעזרת חיסום, הגנה חשמלית ועוד. למרות ריבוי השיטות, אף אחת מהן לא מספקת פתרון מוצלח לצנרת קיימת. רעיון אטרקטיבי להגנה על צנרת קיימת יכול להיות שימוש ב"ציפוי ביולוגי" של חיידקים, שיגיעו עם הנוזל הזורם ויצפו את הצינור מבפנים, באופן פעיל. החיידקים ייצרו ביופילְם (שכבה ביולוגית) על פני המשטח הפנימי של הצינור, ויגנו על הצינור באופן דומה להגנה שהאוכלוסייה הטבעית של החיידקים שנמצאים במעיים מספקת לצינור המעי.

מחקר לבדיקת השפעת מיני חיידקים על קצב השיתוך במתכות

במסגרת מחקר שנערך במרכז לקורוזיה במכללה האקדמית סמי שמעון, בדקנו את ההשפעה של חיידקים שונים על קצב השיתוך בסוגי מתכת שונים. בשלב הראשון נטבלו מטילי מתכת לפרקי זמן משתנים בתמיסה עם ריכוז חיידקים גבוה. קצב השיתוך נמדד לאחר זמני הדגרה שונים של המתכות עם החיידקים. איור 1 מראה את השתנות קצב השיתוך במהלך ימי הניסוי. מהאיור ניתן לראות שקצב השיתוך המתפתח יורד בדוגמאות שמכילות חיידקים מהסוגים שהשתמשנו בהם. ההבדלים הגדולים ניכרים לאחר 25 ימים מתחילת הניסוי. מהאיור ניתן לראות שקצב השיתוך בדוגמה ללא חיידקים (קו ירוק) גבוה פי חמישה מפלדה שצופתה בחיידקים מסוג Bacillus thuringiensis או Delftia tsuruhatensis (קו סגול וקו כחול) ופי שלושה מדוגמה שהודגרה עם חיידקי Staphylococcus aureus (קו אדום). 

איור 1

השפעת חיידקים על קצב השיתוך של פלדה

מטילי פלדה הודגרו עם חיידקים שונים. הם הוצאו לאחר 0, 5 ו-25 ימים, וקצב השיתוך שלהם נבדק בעזרת מִכשור מתקדם. לאחר הדגרה של 25 ימים עם חיידקים שונים ירד קצב השיתוך באופן דרמטי.

עד כה נבדקה השפעת חיידקים על שיתוך מתכות בעזרת מטילי מתכת סטנדרטיים הטבולים בתמיסת חיידקים. בשנה האחרונה פיתחנו מערכת המאפשרת לעקוב אחר תהליכי שיתוך המתרחשים בצנרת. אנו מתכננים להתקדם במחקר ולבדוק את השפעת הציפוי החיידקי על מערכת צנרת מורכבת (שמכילה מגוון צינורות במגוון תצורות ופיתולים).

חלק משמעותי בשיתוך ביולוגי מתווך על-ידי חיידקים אל-אווירניים מקבוצת מחזרי הגפרית – SRB. חיידקים אלה משפעלים שיתוך אגרסיבי ומהיר גם בצנרת של מוצרי נפט וגז. השערת העבודה שלנו היא שחיידקים המייצרים שכבת הגנה על פני הצינור, יתפסו את המקום לחיידקי ה-SRB ולא יאפשרו להם לתפוס את פני השטח הפנימיים של הצינור, וכך יספקו הגנה נוספת – גם מפני שיתוך ביולוגי לצינור. גם השערה זו תיבדק במערכת הניסויית שלנו.

תכניות לעתיד

לאור תוצאות המחקר שתואר כאן, נוכל לתכנן בנייה של שכבות הגנה שיורכבו מחיידקים שאינם מזיקים לגוף האדם או לחומרי מבנה הצנרת. שכבת הגנה זו תפחית באופן משמעותי את היווצרות החורים והנקיקים בצנרת כתוצאה מנזקי שיתוך, דבר שיקטין בצורה ניכרת את נזקי הדליפות הן במי שתייה הן בתעשיות הגז והנפט.