Análise de escala de corrosão para amostras de tubos

O chumbo é um metal tóxico prejudicial à saúde humana. A introdução de chumbo na água potável ocorre por meio da corrosão de produtos de encanamento à medida que a água se move através do sistema de distribuição de encanamento, que consiste em linhas de serviço de encanamento de chumbo, solda de chumbo e acessórios. latão contendo chumbo. Por exemplo, devido à água altamente corrosiva em Flint, Michigan, canos envelhecidos corroídos causaram concentrações extremamente altas de chumbo na água e expuseram mais de 100.000 residentes em 2014. (Para mais informações sobre este tópico, leia O papel da corrosão na crise da água de sílex.)

Municípios reagem ao chumbo em seus sistemas de distribuição de água

Os governos nacionais e locais em todo o mundo tomaram medidas para melhorar a qualidade da água introduzindo limites de concentração de chumbo mais rigorosos. Por exemplo, em 2019, a Health Canada reduziu sua concentração máxima permitida (MAC) de chumbo na água potável de 0,010 mg/L para 0,005 mg/L (5 partes por bilhão).

Os limites MAC mais rigorosos requerem um número maior de amostras para testar a contaminação por chumbo. Este artigo descreve os objetivos da análise de escala, uma metodologia para avaliar amostras de tubos de água e procedimentos que podem ser implementados.

O que é análise de escala?

A análise de escala fornece uma compreensão da correlação entre a qualidade da água e as escalas mineralógicas normalmente encontradas nas paredes internas dos tubos de distribuição de água.

Os benefícios da análise de escala são:

  • Caracterizar escalas elementares e mineralógicas de várias fontes de água.
  • Correlacionar escalas elementares e mineralógicas com a qualidade da água.
  • Relacione as camadas minerais com as mudanças anteriores ao tratamento da água

Metodologia para avaliação de chumbo em amostras de tubos de água

Os espécimes do usuário final selecionados para estudo são frequentemente torneiras de cozinha, canos de chumbo, canos galvanizados, canos de latão e medidores de água de latão. Essas amostras devem ser cuidadosamente removidas sem perturbar sua superfície interna. Qualquer água dentro deles deve ser completamente drenada e as extremidades da amostra devem ser seladas para proteger contra contaminação. As amostras são então rotuladas com a direção do fluxo, a localização da fonte e a orientação da instalação.

Figura 1. Configuração típica de encanamento na instalação do usuário final. (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

Os procedimentos analíticos são considerados e determinados com base nas condições da amostra e nas incertezas aceitáveis. Os três procedimentos comumente realizados são inspeção visual, fotografia e análise de escala.

Procedimentos para análise de escala

Existem vários procedimentos adequados disponíveis para analisar incrustações em amostras de tubos; Estes são discutidos nas seções a seguir. (Mais informações em Os 3 estágios da análise de falha por corrosão.)

Inspeção Inicial e Fotografia da Amostra

Após a abertura, as amostras são inspecionadas visualmente quanto à aparência, textura e cor e, em seguida, registradas fotograficamente. Dependendo da resolução fotográfica, existem dois tipos de fotografia: macro e micro (com aumento de até 50x), conforme as imagens a seguir (Figuras 2 e 3).

Figura 2. Macrofotografia de chumbo (esquerda) e latão (direita). (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

Para o chumbo, camadas irregulares de manganês são visíveis. Para o latão, é visível a cobertura incompleta por incrustações de carbonato de cobre (Figura 3).

Figura 3. Fotomicrografia das peças de chumbo (esquerda) e latão (direita) apresentadas nas fotos. (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

Mineralogia por Difração de Raios-X (XRD)

A difração de raios X (XRD) é a ferramenta de caracterização de escala mais importante porque revela a mineralogia principal da escala. A dispersão de raios X de átomos produz um padrão de difração que contém informações sobre o arranjo atômico dentro da amostra. Conforme mostrado abaixo no padrão XRD de uma amostra de chumbo (Figura 4), os picos de difração estão associados a planos específicos de átomos.

Figura 4. Gráfico de um padrão de difração de raios X (XRD) de uma amostra de chumbo. (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

O espectro em branco usando um tubo limpo pode ser subtraído desse padrão para remover o ruído subjacente gerado por picos de chumbo metálico. Ao pico mais alto, neste caso, chumbo-hillita a 25 graus, é atribuído um valor de 100. O pico mais alto de outros minerais é então identificado e relatado como uma porcentagem da altura desse pico.

Mineralogia de espalhamento Raman

O espalhamento Raman é um processo óptico no qual a luz de excitação que entra interagindo com uma amostra produz luz espalhada cuja energia é reduzida devido aos modos vibracionais das ligações químicas na amostra. Os benefícios do espalhamento Raman incluem a capacidade de detectar fases pouco cristalinas e padrões de sobreposição próximos. A curva a seguir (Figura 5) mostra o espectro Raman de incrustações de tubos dominadas por carbonato de chumbo.

Figura 5. Espectro Raman de uma escala de tubulação dominada por carbonato de chumbo. (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

Química de fluorescência de raios X (XRF)

A fluorescência de raios-X (XRF) pode fornecer a química completa da liga, incluindo a porcentagem em peso de chumbo nos metais. XRF usa 2-3 gramas de um material combinado (mostra pó de grau mais espectroscópico). A interferência pode ocorrer com certos elementos, como bário (Ba) e cobre (Cu), enquanto outros elementos têm menos interferência.

Microanálise por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) com Espectroscopia de Dispersão de Energia (EDS)

Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e meuraios-x dispersivos de energia espectrografia (EDX) fornecer muito maior magnificatíon o que Luz do microscópioproporcionando assim detalhes adicionais como ele distribuição espacial dos elementos químicos. quantidades muito pequenas de ele amostra são removido usando um X-PARAct faca, transferido para um toco SEM, então banhado com ouropaládio para evitar o acúmulo de carga.

Imagens digitalizadas de carbonato de Pb (à esquerda) e óxido de Pb (à direita) seguidas pelos padrões de EDS correspondentes são mostradas abaixo (Figuras 6, 7).

Figura 6. Imagens digitalizadas de carbonato de Pb (à esquerda) e óxido de Pb (à direita). (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

Figura 7. padrões ESD de Imagens digitalizadas de carbonato de Pb (à esquerda) e óxido de Pb (à direita). (Fonte: Contribuição da linha de serviço e acessórios de encanamento para questões de conformidade com as regras de chumbo e cobre por Sandvig et al.)

conclusões do estudo

As conclusões das escalas de corrosão interna avaliadas neste artigo são apresentadas a seguir.

torneiras e medidores

  • A deszincificação foi o principal mecanismo de liberação de chumbo para novas torneiras e medidores. Isso foi comprovado pela presença de uma camada porosa desprovida de zinco nas superfícies internas do tubo. Suspeita-se que o chumbo seja liberado na água a partir desta camada.
  • A extensão da escala aumenta com o aumento da idade dos componentes da tubulação. Mas a taxa de dezincificação pode estar inversamente relacionada à quantidade de zinco.
  • As escalas eram quimicamente homogêneas, mas a composição pode ser diferente dependendo da temperatura (por exemplo, linha de água fria vs. linha de água quente).

Tubos de chumbo e latão

  • Uma alta presença de ferro e manganês na água pode potencialmente promover a lixiviação de chumbo, pois o chumbo é absorvido pela incrustação de ferro e manganês na parede do tubo.
  • Foram identificados compostos de chumbo relacionados às condições de tratamento e qualidade da água. Por exemplo, quando fosfato foi usado como inibidor de corrosão, fosfato de chumbo piromorfito foi encontrado.
  • Ao longo do tubo ou encaixe, as escamas eram homogêneas. Mas para tubos de chumbo, as escamas consistiam em várias camadas principalmente de litargírio (PbO), depois carbonatos de chumbo e, em seguida, compostos sem chumbo, como manganês e cálcio.
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