Bericht. Prüfung der Beständigkeit von MasterSeal 7000CR gegen biogene Schwefelsäurekorrosion

Transkript

1 Bericht Prüfung der Beständigkeit von MasterSeal 7000CR gegen biogene Schwefelsäurekorrosion für: BASF plc 19 Broad Ground Road Lakeside, Redditch, Worcestershire B98 8YP Vereinigtes Königreich vorgelegt von: Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT Osterfelder Straße Oberhausen Deutschland Dr. Holger Wack Abteilung Materialsysteme und Hochdrucktechniky Telefon +49 (0) 2 08/ Oberhausen, 21. Juli 2016

2 Inhalt 1 Projektinhalt 1 2 Prüfstand 2 3 Bewitterungsprüfung Prüfzeitraum und Parameter Bestimmung des ph-werts 6 4 Anhang 7 5 Kontaktdaten 8 Anhang 1 A1

3 1 Projektinhalt Gegenstand des Projekts war die Durchführung eines Bewitterungsversuchs für MasterSeal 7000CR unter Einfluss von biogener Schwefelsäurekorrosion. Die verwendete Prüfanlage erlaubt eine zeitgeraffte Bewitterung, da den Bakterien optimale Bedingungen in Bezug auf H 2 S-Konzentration, Nährstoffe, Feuchtigkeit und Temperatur angeboten werden. Gemäß den an der Universität Duisburg-Essen (Biofilm Centre, Prof. Dr. Wolfgang Sand) gesammelten Erfahrungswerten kann der Beschleunigungsfaktor bei Betonproben mit ca. 8 bis 10 angegeben werden. Sechs Monate in der Prüfanlage entsprechen demnach ca. 48 bis 60 Monaten in einem realen Abwasserkanalsystem. Biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) ist ein chemischer Angriff der Oberflächen diverser Materialien wie Beton, Metalle und Polymere durch Schwefelsäure bildende Bakterien, wie beispielsweise Thiobazillen. BSK tritt vor allem in Abwasserkanalsystemen auf. Die dort auftretenden Schwefelverbindungen werden durch Mikroorganismen abgebaut. Es entstehen gasförmige Schwefelverbindungen, die sich im Gasraum anreichern. Durch die chemische Oxidation von H 2 S zu Elementarschwefel und die sich anschließende biologische Oxidation zu Thiosulfat und anderen Polythionaten, sinkt der ph-wert (< 7). Die reduzierten Schwefelverbindungen werden zu Schwefelsäure oxidiert. Dadurch werden Wachstumsbedingungen für Thiobazillen (T. neapolitanus, T. intermedia) geschaffen und der ph-wert sinkt weiter ab. Ab einem ph-wert von 5,5 kann auch A. thiooxidans die Oberfläche besiedeln. Im ph-bereich von 2,0-3,0 hat dieser Organismus optimale Wachstumsbedingungen. Es kommt somit zu einer sukzessiven Besiedelung von Oberflächen mit verschiedenen Thiobazillen. Als Stoffwechselprodukt dieser Organismen entsteht Schwefelsäure, die empfindliche Werkstoffe entsprechend angreift. Die Bewitterungsprüfung wurde vom bis zum durchgeführt. Einzelne Proben wurden auf mikrobielles Wachstum untersucht. Diese Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Wolfgang Sand von der Universität Duisburg-Essen (Biofilm Centre, Aquatische Biotechnologie) durchgeführt. Einzelne Proben wurden darüber hinaus auf Anzeichen von Korrosion untersucht, und die physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe wurden soweit möglich von BASF Construction Chemicals im globalen Forschungs- und Entwicklungszentrum am BASF Solutions GmbH, Standort Trostberg, getestet (siehe Anhang 1). Diese Arbeit wurde zusätzlich zum Projekt von und unter der Verantwortung der BASF ausgeführt. BASF 1

4 2 Prüfstand Der für die Bewitterung verwendete Prüfstand befindet sich bei und wird von betrieben. Bild 1 zeigt den Prüfstand und die angeschlossenen Prüfbehälter. Der Bewitterungsversuch im Rahmen dieses Projekts wurde im linken Prüfbehälter durchgeführt. Bild 1 Prüfstand bei. Der Prüfstand simuliert den Angriff durch biogene Schwefelsäure in einem Abwasserkanalsystem. Die Entstehung von Schwefelwasserstoff und die daraus resultierende Schwefelsäurekorrosion in einem Abwasserkanalsystem sind in Bild 2 schematisch dargestellt. Bild 1 Entstehung der biogenen Schwefelsäurekorrosion (Quelle: Bock, E., Sand, W., Pohl, A., Bedeutung der Mikroorganismen bei der Korrosion von Abwasserkanälen, TIS Tiefbau Ingenieurbau Straßenwesen, Sonderdruck zum 4. Statusseminar»Bauforschung und -technik«, 1983, S ). BASF 2

5 Die Bewitterung wird nach dem in Bild 3 beschriebenen Verfahren durchgeführt. Die Bakterienlösung wird temperiert und im Kreislauf durch den Prüfbehälter gepumpt. Auf diese Weise entsteht im Prüfbehälter eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre. In einem Reaktor wird durch Reaktion von HCl mit NaS 2 Schwefelwasserstoffgas erzeugt, das durch einen Druckimpuls mit Luft zyklisch in den Prüfbehälter eingeleitet wird. Das Gas wird über den Proben in den Gasraum des Prüfbehälters eingeleitet. Bild 3 Schematische Darstellung des Prozesses. Die Betonproben wurden auf dem Behälterboden in einem Gestell aus Edelstahl eingelagert. Bild 4 zeigt die Einlagerung der Betonproben. Die Polymerfolien wurden über den Betonproben in zwei PVC-Gestellen eingelagert (s. Bild 4). Um den vollflächigen Kontakt mit dem PVC-Gestell zu verhindern, wurden die Folien auf Unterlagen aus Kunstrasen (Polypropylen) eingelagert und mit schmalen Rahmen aus Polycarbonat bedeckt und fixiert. BASF 3

6 Einlagerung der Betonproben. Betonproben im Prüfbehälter. Gestell mit Polymerproben. Polymerfilme mit Rahmen aus Polycarbonat. Bild 4 Einlagerung der Betonproben und Polymerfolien. Die Position jedes Probekörpers im Behälter wurde dokumentiert. Die Betonproben wurden zwei getrennten Bewitterungszyklen ausgesetzt. Der erste Probensatz ist durchgängig im Gasraum verblieben, während ein zweiter Satz im Wochenrhythmus wechselweise in der Flüssigkeit und im Gasraum gelagert wurde, um den Effekt variierender Wasserstände in Abwasserkanälen zu simulieren. BASF 4

7 3 Bewitterungsprüfung 3.1 Prüfzeitraum und Parameter Die Bewitterung wurde vom bis zum durchgeführt. Am wurden die Betonproben und die Polymerfolien nach einer festgelegten Nomenklatur im Beisein von BASF in den Prüfbehälter eingelagert. Am hat BASF den Versuch inspiziert und die Proben fotografisch dokumentiert. Am wurden die Proben im Beisein von BASF aus dem Prüfbehälter entnommen und an BASF ausgehändigt. Die Bakterienlösung wurde auf 30 ºC erwärmt, und die Temperatur wurde während des Versuchs überwacht. Die H 2 S-Konzentration lag zwischen 30 ppm und 60 ppm. Es wurde kontinuierlich H 2 S erzeugt und alle zehn Minuten durch einen Druckimpuls mit Luft in den Prüfbehälter eingeleitet. Ab dem wurden die Proben mit einem Inoculum angeimpft. Diese Animpfung erfolgte von Hand mit einem Pumpsprühgerät. Die Betonproben wurden für vier Wochen, die Polymerfolien für drei Wochen einmal wöchentlich angeimpft. Begleitend zur Bewitterungsprüfung wurde an der Universität Duisburg-Essen (Biofilm Centre, Prof. Dr. Wolfgang Sand) eine mikrobiologische Analyse durchgeführt, um das Bakterienwachstum zu belegen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Probe Chemoorganotrophe Bakterien [KbE/cm 2 ] Pilze [KbE/cm 2 ] MasterSeal 7000CR + Grundierung 1E+03 u.n. MasterSeal 7000CR u.n. u.n. Unbeschichteter Beton 3E+03 1E+02 Tabelle 1: Zellzahlen der chemoorganotrophen Bakterien und der mikroskopischen Pilze in [KbE/cm 2 ], KbE = koloniebildende Einheit; u. N. = unter der Nachweisgrenze von 3 Zellen/cm 2. Die Prüfung auf neutrophile und acidophile Schwefeloxidierer war qualitativ positiv, sie waren jedoch mit weniger als 1 Zelle pro ml (vergleichbar mit cm 2 ) nicht quantifizierbar. BASF 5

8 Probe MasterSeal 7000CR + Grundierung MasterSeal 7000CR (a) MasterSeal 7000CR (b) Chemoorganotrophe Bakterien [KbE/cm 2 ] Pilze [KbE/cm 2 ] Neutrophile Schwefeloxid. [Zellen/ cm 2 ] Acidophile Schwefeloxid. [Zellen/ cm 2 ] 8E+02 2E+04 5E+01 3E+03 3E+03 3E+03 5E+03 1E+04 3E+02 3E+02 3E+02 3E+02 Unbeschichteter Beton 3E+03 2E+03 3E+02 3E+03 Tabelle 2: Überblick über die Ergebnisse der Probenentnahme nach einer Inkubationszeit von sechs Monaten in der Prüfanlage von, KbE = koloniebildende Einheit, u. N. = unter der Nachweisgrenze von 3 Zellen/cm Bestimmung des ph-werts Zur Bestimmung des ph-werts an den Oberflächen wurden ph-teststreifen verwendet. Der ph- Wert wurde während des Prüfzeitraums an 21 Tagen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Bild 5 dargestellt. Bild 5 ph-werte der Proben während der Bewitterungsprüfung. BASF 6

9 4 Anhang Anhang 1 Ergebnisse nach der Bewitterungsprüfung. BASF 7

10 5 Kontaktdaten BASF Construction Chemicals GmbH 19 Broad Ground Road Lakeside, Redditch Worcestershire, B98 8YP Andrew Tasker Tel. +44 (0) 1527 / andrew.tasker@basf.com UDE Universität Duisburg Essen Campus Essen Biofilm Centre Aquatische Biotechnologie Universitätsstraße Essen Prof. Dr. Wolfgang Sand Tel. +49 (0) 201 / wolfgang.sand@uni.due.de UMSICHT Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Osterfelder Straße Oberhausen Dr. Holger Wack Tel. +49 (0) 208 / holger.wack@umsicht.fraunhofer.de Frank Pape Tel. +49 (0) 208 / frank.pape@umsicht.fraunhofer.de BASF 8

11 A Anhang 1 Ergebnisse nach der Bewitterungsprüfung Die Prüfungen wurden vom globalen Forschungs- und Entwicklungszentrum der BASF Construction Solutions GmbH in Trostberg durchgeführt. Diese Arbeiten wurden zusätzlich zum Projekt von und unter der Verantwortung der BASF ausgeführt. 1. MasterSeal 7000 CR-Proben nach der Bewitterung Probe im Probe nach 6 Mona- Gereinigte Probe Referenzbeton Ursprungszustand ten Bewitterung Bild 1 Bilder der MasterSeal 7000CR Proben nach der Bewitterung. BASF A1

12 2. Haftzugfestigkeitsprüfung gemäß EN 1542:1999 Bild 2 Proben nach Abreissversuch. Der Beton zeigte bei allen Prüfungen keine Minderung der Haftzugfestigkeit und keinen Angriff mit Einfluss auf die Haftzugfestigkeit. 3. Bestimmung der Zugeigenschaften gemäß EN ISO 527-1b:1996 Untersucht wurde das Zugverformungsverhalten der freien Folienproben im Vergleich zum unbewitterten Referenzmaterial. Unbewittertt Bewittert Zugfestigkeit [MPa] 23,1 26,6 Bruchdehnung [%] 17,1 18,7 Die Ergebnisse zeigen keine signifikante Veränderung der Eigenschaften. BASF A2 A

13 A 4. Prüfung der Wasserdampfdurchlässigkeit gemäß ASTM E96 Unbewittertt Bewittert Wasserdampfdurchlässigkeit [US Perms] 0,95 1,22 Wasserdampfdurchlässigkeit [ng/s/m/pa]] 0,013 0,017 Die Ergebnisse zeigen keine signifikante Veränderung der Eigenschaften. BASF A3