土壤和空气污染物对轨头表面锈蚀的影响外文翻译资料

 2021-12-27 10:12

英语原文共 13 页

土壤和空气污染物对轨头表面锈蚀的影响

国家研究中心空气污染部，开罗，埃及

艾哈迈德阿卜杜勒海角

埃及开罗国家研究中心电化学与腐蚀系

摘要

目的——本文的目的是通过对埃及尼罗河三角洲地区不同地段铁路轨道周围环境的研究，测量大气污染物和表土中存在的腐蚀性离子种类，并研究现有污染物的影响。对铁锈的组成进行了分析，在这些部位形成的铁锈是在钢轨头部表面，然后是钢轨本身的耐久性。

设计/理论/方法——采用振动筛、pH仪、电导率仪和离子法对土壤进行了表征。

运用色谱仪器，扫描电子显微镜，能量色散光谱，傅里叶变换红外光谱和x射线并采用衍射法对钢轨封头表面形成的锈层进行了表征。

发现——结果表明，污染物与锈层组成之间存在一定的关系。以磁铁矿和针铁矿为主，是在锈层中确定的相。在海洋大气中发现了赤云母。测定了硫化铁和氧化铁硝酸根分别在富含H2S和NO2气体的环境中。只有在海洋大气中才会出现像FeCl2和FeOCl这样的相。在表层土壤中氯离子等悬浮颗粒物中的腐蚀性物质对钢轨头部表面的锈蚀成分的影响要大于氯离子等悬浮颗粒物对钢轨头部表面锈蚀成分的影响。

创意/价值——研究了空气和土壤污染物对钢轨封头表面锈层组成的影响，为钢轨的耐久性及其保存提供指导。

关键词 腐蚀、污染

论文类型 研究论文

  1. 简介

埃及铁路是除欧洲和美国外现存最古老的铁路系统之一。它服务于其核心区域中人口密集、地理位置紧凑的区域(尼罗河三角洲地区)。铁路仍然是人口运输以及全国各地货运的最有效的运输方式(Goldfinch, 2010)。其中的一个铁路运输系统的重要组成部分是轨道的例行检查和维护正确的使用条件，因为任何过早的故障轨道都可能导致事故发生。因故障更换钢轨是一个经济问题。此外，还有相关的问题，腐蚀也影响钢轨的安全(Moon et al.， 2010)。

铁路的运行完全暴露在铁轨上对周围环境的影响。钢轨由于腐蚀介质的积累而被腐蚀，这些腐蚀介质是由钢轨上各种自然或人为来源产生的。大气污染物和地表土壤中积累的腐蚀性物质加剧了轨道的腐蚀，特别是大气和土壤的腐蚀。大气腐蚀是相对湿度(RH)、温度和大气污染物协同作用的结果(Cl, SO42, SO2等)。含有氯和/或二氧化硫的大气通常会导致严重得多的腐蚀破坏(Dong et al.2007;张等，2002)。除了大气或表层土壤中的污染物外，排水系统、湖泊、海洋和任何其他水源以及雨水的渗漏也是非常令人担忧的(Hernandez et al.， 2009;Beretta等，2010)。控制腐蚀是非常昂贵的。在这种钢轨投入轨道之前，应估计其腐蚀风险和采取防腐措施的必要性。

众所周知，由车轮/钢轨粘附或摩擦引起的各种现象取决于列车运行和环境条件所产生的界面物质和/或表面氧化层(即所谓的“锈蚀”)。一般情况下，轨道表面常见的红色锈蚀为氢氧化铁，具有不同类型的晶体结构和特征，即beta;-FeOOH和非晶型等(Suzumura et al.， 2011)。因此，许多研究人员对表面氧化层对车轮和铁轨之间的附着及其电导率的影响非常感兴趣(Suzumura et al.， 2011)。为了解释车轮/钢轨因锈蚀而产生的具有不同特征的滚动接触现象，需要了解附着在钢轨运行带上的锈蚀类型。

现在的工作的目的是描述轨道周围的环境在尼罗河三角洲地区的不同站点,埃及,通过测量空气污染物和腐蚀性离子物种存在于地表土壤和描述轨头表面形成的铁氧化物的自然人网站在未来为铁路应用程序非常有用。

  1. 材料和方法

2.1 研究领域

尼罗河三角洲是在埃及北部(下埃及)形成的三角洲，在那里尼罗河向外伸展并排入地中海，如图1所示。三角洲具有地中海气候，可分为两个气候区。在三角洲和开罗地区，夏季气温最高可达37至46℃，最低可达13至21℃月份，冬季月份最高气温为25 ~ 28℃，最低气温为6 ~ 9℃。海拔从平均海平面15米到110米不等。北部海岸地带与地中海海岸线平行，是一条狭长的带状地带(约10公里宽)。夏季最高气温33 ~ 37℃，最低气温18 ~ 23℃，冬季最高气温25 ~ 28℃，最低气温7 ~ 9℃。比例较高(55% - 90%)(Hassaan and Mahmoud, 2011)。尼罗河三角洲的降雨很稀少，而且发生在冬季。地中海沿岸的最大平均降雨量约为180毫米。这一数字下降得非常快，因为一个人进入内陆约26毫米在开罗(Fadlelmawla和达乌德，2006年)。

(EEAA, 2011,2012)三角洲地区和更大开罗地区前几年监测的空气污染环境数据可从隶属于国家环境事务部的全国空气污染物监测网络获得(EEAA, 2011,2012)。

2.2 抽样

选择了尼罗河三角洲地区的10个站点，如图1所示。所选的抽样地点代表了三角洲地区的不同环境(海洋、农村、城市等)和人为活动(住宅、工业、农业等)。在10个研究地点中，每个地点都收集了3个表层土壤样本(深度在0- 15厘米之间)。这些样品混合在一起形成一个单一的复合样品，然后风干。干燥的土壤通过一个2毫米的筛子除去砾石和大圆石。每个样品中砾石的重量被确定并表示为土壤样品总重量的百分比。保留小于2毫米的部分用于土壤的物理和化学分析。土壤质地采用筛网法测定，计算为原始重量的百分比(Allen et al.， 1974)。

从轨头表面刮去粉锈，断面最厚，主要受大气影响，如图2所示。这是在每个选定的地点使用刀片和干燥一个星期后，随后的分析，以确保样品完全干燥。

2.3 土壤特性

进行了各种分析，以确定pH值、电导率、可溶性阴离子和阳离子。使用pH计(JENWAY 3505)测定土壤和水1:1悬浮液的pH值;电导率(EC)采用电导率仪(JENWAY 4510)测定，在土壤溶液比为1:1的去离子水中测定，但为了比较不同部位土壤的电导率，采用土壤溶液比为1:100。土壤含水量测定方法为:称重10 g风干土(2 mm)，在烤箱中105℃烘干过夜，在干燥剂中冷却，再称重。采用离子色谱法对阴离子和阳离子进行定量分析，采用Dionex色谱仪ICS-1100对阴离子和阳离子进行定量分析。在土壤结构分析中，采用筛子对土壤组分进行分离。土壤样品经过一系列筛子，将砂粒(2 mm)、砂粒(2- 0.063mm)、淤泥和粘土(0.063mm)分离。测定了各试样中砂粒、粉砂及粘土粒的重量，并将其表示为土样总重量的百分比。

2.4锈粉分析

采用红外光谱(FTIR)、x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM/EDX)对粉末锈体进行了表征。将锈粉与光谱级KBr混合，压制成透明的圆形片状。本研究使用的FTIR光谱仪为Mattson 5000，测定了锈粉在400 ~ 4000 cm1范围内的红外光谱。采用步进扫描衍射仪和铜k辐射源，采用BRUKER axs D8先进模型(运行于40kv和40ma)的衍射仪对锈粉进行XRD数据采集。采用日本jeol - jxa840a电子探针微量分析仪，利用SEM/EDX对腐蚀产物膜进行了形态研究和定性元素研究。将粉末颗粒固定在显微镜支架上，用导电碳条，然后用爱德华英格兰溅射镀膜机电子显微镜在样品表面溅射一层金薄膜，制备了样品。

  1. 结论

研究结果将分两部分介绍。第一个将说明铁路轨道周围的环境，第二个将侧重于用不同的技术表征铁锈。

3.1轨道周边环境

应认识到周围环境对铁路退化的影响。许多环境因素会加速铁路腐蚀，如空气污染物和存在于表层土壤中的氯离子和硫酸盐等腐蚀性离子，这些离子可以通过风吹或火车运动重新悬浮回大气中，然后沉淀在车头表面。

3.1.1 空气污染物

造成铁路腐蚀的主要空气污染物是腐蚀性气体，包括二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)。此外，还有含有氯化物等腐蚀性物质的颗粒物(PM) (Kumar and Imam, 2013)。

图3说明了三角洲地区和三角洲南部大开罗地区(包括7和8个地点)2007年至2011年SO2、NO2和PM10的年平均浓度与1999年年初相比的情况。

3.1.2 表土理化特性

表一总结了研究土壤的主要理化特性。这些土壤的pH值处于碱性范围(7.46-8.57)。碱性土壤往往具有高钠、钾、镁和钙的含量(Ismail和El-Shamy, 2009)。土壤样品含水率在0.55% ~ 3.84%之间，这些样品含水率较低的原因可能是表层土壤干度较大。这是由于夏季初土壤取样期间受干热天气的影响[2011年6月]。

粒度分布在砾石、砂、粉砂和粘土的含量上有很大的变化，砾石的含量为2.25%至43.93%，砂的含量为51.16%至91.50%，粉砂和粘土的含量均为6.25%至22.45%。6、7号场地表层土壤中粘土和粉土含量较高，而10号场地土壤中粉土和粉土含量最低。2号场地表层土壤由于靠近地中海海滩，沙粒含量最高。

3.1.3 表层土壤中的盐浓度

EC值在很大程度上反映了溶液中的盐浓度(Zhu and Yang, 2010)。土壤样品的水-土溶液(1:1比)EC值在116.14 ~ 1.48 ms/cm之间。靠近海岸的2号地块土壤EC值较高，说明含盐量较高，而9号地块土壤EC值较低，含盐量较低，如表I所示。

总的来说，在所有被测土壤样品中，与土壤的粉砂和粘粒分数相关的EC值都较大，与土壤的砂粒分数相关的EC值较小，如图4所示。这些电导率值表明在所有被测土壤的粉砂和粘土组分中都有高盐含量。这一现象归因于这样一个事实，即沙子的导电性一般较差，而且相对于粘土和淤泥中含有大量水分的部分，沙子的导电性往往较差，含水量也更低(Carroll and Oliver, 2005)。

表土中较细的组分(泥沙和粘土)比较粗的组分(沙子)更容易重新悬浮到大气中，并容易在轨头表面再次沉淀。这些较细组分(如Cl和SO42)在轨头表面析出后，由于参与了轨头表面的腐蚀过程，其离子种类一般具有破坏性。

3.1.4可溶性盐的离子组成

图5和图6显示了测试表层土壤中较细组分(粉土和粘土)的离子结果。主要的阴离子有Cl、SO42和NO3。在这些阴离子中，硫酸盐是主要的阴离子种类。1号点土壤中硫酸盐含量较高，9号点土壤中硫酸盐含量较低。在测定的卤化物离子(Cl、Br、F)中，氯离子含量最高。1号和2号场地土壤中卤化物离子浓度较高。3号场地土壤硝酸盐浓度较高。4号地块土壤磷酸盐浓度较高。

第一个主要阳离子是钠，第二个是钙，而K和Mg2的浓度较低。2号地块土壤中钠、镁含量较高。1号地块土壤中钙、钾含量较高。

3.2锈特性

根据钢轨表面长期暴露的大气类型，确定钢轨锈蚀发生在哪个阶段是一件很有趣的事情。由于暴露条件、鉴定技术和数据解释的不同，锈蚀成分差异很大(de la Fuente et al.， 2011)。锈蚀成分的性质几乎不受暴露时间的影响。时间因素只改变了组成成分的比例，或者至多决定了中间或次要化合物的出现或消失。

3.2.1 x射线衍射

对不同气氛下钢轨头部表面形成的锈层去除后的粉末锈样进行XRD分析。完整的衍射图如图7所示。铁锈中通常存在两种相:磁铁矿(Fe3O4)和针铁矿(beta;-FeOOH)。腐蚀产物中存在的其它相为赤刚玉(-FeOOH)、赤铁矿(-Fe2O3)、氯化铁(FeOCl)、方解石(FeCl2)、硫化铁(FeS)和氧化铁硝酸根(FeO(NO3)x(OH) 1x)。针铁矿(beta;-FeOOH)、氯化铁(FeOCl)和方解石(FeCl2)的结晶相主要分布在1、2、9、10号海区大气中。硫化铁的结晶相仅出现在5号位。在工业大气(Site 3)中检测到了氧化铁硝酸铵(FeO(NO3)x(OH) 1x)的结晶相。同样有趣的是，在Site 2(海洋大气)和Site 3(工业大气)中也发现了氧化铁(-Fe2O3)的存在。

3.2.2傅里叶变换红外光谱

通过对轨道头表面锈蚀的红外光谱分析，发现了表2所列腐蚀产物的某些相。所形成的锈层主要由针铁矿(-FeOOH)、阿卡粗玄岩(-FeOOH)、鳞云母(-FeOOH)、铁素体(-FeOOH)、赤铁矿(-Fe2O3)、马氏体(-Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)组成。890 cm1 (-FeOOH)、1020 cm1 (-FeOOH)、470 cm1峰的出现证实了这些相的存在(-FeOOH)， 580 cm1 (Fe3O4) (Balasubramaniam and Kumar, 2000)， 680 cm1和872 cm1 (-FeOOH) (Labbe等，2008;石川等，2005)，560 cm1 (-Fe2O3) (Murphy等，2010)和1400 cm1 (-Fe2O3) (Bartzas和Komnitsas, 2010)，如图8所示。在3000 -3500 cm1区域出现的宽频带是由于锈蚀的水化作用。众所周知，O-H拉伸导致3000至3700 cm1之间的强峰值，而O-H弯曲导致1200至1500 cm1之间的中等波段(Balasubramaniam和Kumar, 2000)。因此，这意味着水

资料编号：[3371]

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