Roest op staal: Waarom het ontstaat en effectieve manieren om het te verwijderen

Staal is een integraal onderdeel van ons dagelijks leven en onze productie, maar de hoeveelheid staal die elk jaar wereldwijd verloren gaat door roest is immens. Daarom is de bescherming van staal tegen corrosie van groot belang.

Wat is het principe achter het roesten van staal?

We kunnen dit onderzoeken aan de hand van een klein experiment zoals in de figuur hieronder: In de eerste reageerbuis voegen we een kleine hoeveelheid calciumchloride toe (dat waterdamp in de lucht absorbeert en zo een drogende rol speelt) en we steken er een spijker in, waardoor de reageerbuis goed wordt afgesloten.

In de tweede reageerbuis steken we een spijker, dompelen die in gedestilleerd water dat gekookt en snel afgekoeld is en gieten er dan plantaardige olie in om een laagje olie op het wateroppervlak te vormen.

In de derde reageerbuis brengen we een spijker aan en voegen we een kleine hoeveelheid gedestilleerd water toe zodat een deel van de spijker ondergedompeld is. We observeren en registreren de verschijnselen in de drie reageerbuizen regelmatig gedurende een week.

Uit de resultaten van het experiment kunnen we zien dat de spijkers in de eerste en tweede reageerbuis niet roestten, maar de spijker in de derde reageerbuis roestte wel en er verscheen een roodbruine roest op het oppervlak van de spijker. Dit toont aan dat voor het roesten van ijzer water en zuurstof nodig zijn.

Het corrosieproces van ijzer- en staalproducten is een complexe chemische reactie. Roest, dat meestal een roodbruine kleur heeft, neemt onder verschillende omstandigheden verschillende vormen aan. Het bestaat voornamelijk uit gehydrateerd ijzer(III)oxide (Fe2O3-nH2O) en ijzer(III)hydroxide [Fe(OH)3]. De losse structuur van roest op het staaloppervlak voorkomt niet dat het inwendige ijzer wordt blootgesteld aan zuurstof en waterdamp, wat uiteindelijk leidt tot volledige verroesting van het ijzer.

Weet jij hoe je roest verwijdert van een ijzeren oppervlak?

Veelgebruikte roestverwijderingsmethoden vallen uiteen in twee categorieën: fysisch en chemisch. Fysieke methoden omvatten over het algemeen schuurtechnieken, waarbij schuurpapier, slijpschijven, staalborstels en staalwol worden gebruikt om roest te verwijderen. Bij chemische methoden vindt er een reactie plaats tussen een zuur en de roest, met als doel roest te verwijderen.

Sterker nog, door stalen producten geïsoleerd te houden van water en zuurstof kan roestvorming worden voorkomen. Daarom is de eenvoudigste methode om roest te voorkomen het handhaven van een schoon en droog oppervlak op de stalen producten. Roest kan ook worden voorkomen door een beschermende laag op het oppervlak aan te brengen met olie, verf, email of een plastic coating.

In het dagelijks leven worden maatregelen zoals verven vaak toegepast op voorwerpen zoals autocarrosserieën en emmers, terwijl machines een coating van minerale olie nodig hebben.

Bovendien kunnen methoden zoals galvaniseren of hot-dip coating worden gebruikt om een laag roestbestendig metaal, zoals zink, tin, chroom of nikkel, op het stalen oppervlak aan te brengen. Deze metalen creëren een dichte oxidelaag die voorkomt dat het ijzer gaat roesten door het te isoleren van water en lucht.

Daarnaast kan staal worden gelegeerd om de interne structuur te veranderen, bijvoorbeeld door chroom of nikkel toe te voegen aan gewoon staal om roestvrij staal te produceren, waardoor de roestbestendigheid van de staalproducten wordt verbeterd.

Gebruikelijke roestverwijderaars in het dagelijks leven bevatten voornamelijk zoutzuur en verdund zwavelzuur, die kunnen reageren met ijzeroxide. De reactievergelijkingen zijn:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Roestverwijderaars dringen het staaloppervlak binnen via barsten in de roest- en onzuiverheidslagen, waardoor deze lagen oplossen en afschilferen en zo roest, onzuiverheden en oxidehuid van het staaloppervlak verwijderen. Zuren hebben echter corrosieve eigenschappen, dus beschermende kleding is noodzakelijk tijdens het verwijderen van roest.

Bovendien produceert de reactie tussen zuur en ijzer waterstof, dat kan exploderen wanneer het wordt blootgesteld aan open vuur.

Zoutzuur en verdund zwavelzuur kunnen beide reageren met ijzeroxide, maar welke is beter voor industriële roestverwijdering?

De belangrijkste overwegingen zijn roestverwijderingsefficiëntie, productiekosten van het zuur, transport en opslag van het zuur, en veiligheid en milieubescherming.

Wat is efficiënter bij het verwijderen van roest, zoutzuur of zwavelzuur? Door roestige spijkers in gelijke volumes en waterstofionconcentraties zoutzuur en zwavelzuur te plaatsen, ontdekten we dat zoutzuur effectiever is in het verwijderen van roest. Experimenten tonen ook aan dat, als alle andere factoren gelijk blijven, de reactiesnelheid van verdund zwavelzuur met metaaloxiden langzamer is dan die van zoutzuur.

Dus wat is in termen van productie, transport en veilig gebruik in het voordeel, zoutzuur of zwavelzuur? De industriële bereiding van zoutzuur bestaat uit het elektrolyseren van verzadigde pekel om waterstof- en chloorgassen te produceren. De gassen reageren om waterstofchloride te vormen, dat door water wordt geabsorbeerd om zoutzuur te vormen.

Waterstofchloride kan niet onbeperkt oplossen in water, dus geconcentreerd zoutzuur heeft een massafractie van opgeloste stoffen van maximaal ongeveer 37%. Zwavelzuur daarentegen wordt gemaakt door pyriet bij hoge temperaturen te roosteren om zwaveldioxide te produceren, dat met zuurstof reageert tot zwaveltrioxide. Het trioxide wordt geabsorbeerd door geconcentreerd zwavelzuur om oleum te vormen, dat vervolgens wordt omgezet in zwavelzuur door water toe te voegen.

Daarom is zoutzuur qua grondstoffen, bereidingsproces en milieu-impact superieur aan zwavelzuur. Geconcentreerd zoutzuur moet worden opgeslagen in verzegelde glazen flessen of plastic vaten en worden vervoerd in speciaal gemaakte stalen tankwagens die bekleed zijn met rubber.

Geconcentreerd zwavelzuur kan een massafractie tot 98% hebben en de opslag en het transport ervan kan worden vergemakkelijkt door gebruik te maken van stalen of aluminium containers. In dit opzicht is zwavelzuur sterker dan zoutzuur.

Zoutzuur met een grotere fractie opgeloste stof is vluchtig en het verdampte waterstofchloridegas heeft een sterk irriterend en corrosief effect op het menselijk lichaam, terwijl zoutzuur met een lagere fractie opgeloste stof relatief stabiel is.

Geconcentreerd zwavelzuur moet voor gebruik worden verdund. Deze verdunning produceert een aanzienlijke hoeveelheid warmte, die gemakkelijk brandwonden kan veroorzaken. Bovendien is de bijtende werking van geconcentreerd zwavelzuur veel sterker dan die van geconcentreerd zoutzuur. Hieruit kan worden afgeleid dat het gebruik van zoutzuur veiliger is.

Op basis van bovenstaande informatie is het duidelijk dat zoutzuur betere roestverwijderingseffecten, lagere kosten en veiliger gebruik biedt.

Daarnaast kunnen we ook een relatief milieuvriendelijke roestverwijderaar maken in een scheikundelab. De eerste stap is om 18 g citroenzuur, 0,8 g dextrine, 3 g natriummolybdaat, 1,1 g fosforzuur en 60 g water in een mengtank te doen en gelijkmatig te roeren bij kamertemperatuur gedurende 30 minuten.

In de tweede stap wordt 8 g glycerine toegevoegd aan de gemengde oplossing en gelijkmatig geroerd bij kamertemperatuur gedurende 10 minuten bij een roersnelheid van 25 omw/min. In de derde stap wordt 0,06 g natriumjodide toegevoegd aan de gemengde oplossing en gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur gelijkmatig geroerd bij een roersnelheid van 25 omw/min.

Het vervangen van zoutzuur en verdund zwavelzuur door citroenzuur kan het huidige probleem van milieuvervuilende roestverwijderaars oplossen. Glycerine kan de hechting van de roestverwijderaar aan het metalen oppervlak verbeteren. Bovendien verwijdert deze roestverwijderaar niet alleen roest, maar heeft het ook roestwerende eigenschappen.

Hoewel het roesten van staal leidt tot een verlies van metalen grondstoffen, heeft dit proces ook voordelen. IJzerpoeder bijvoorbeeld, een belangrijk ingrediënt in zuurstofabsorbers die vaak worden aangetroffen in gebakverpakkingen, maakt gebruik van het principe van roesten om zuurstof te verbruiken, waardoor voedselbederf wordt voorkomen.

Bovendien is roestend ijzer een exotherme reactie. Dit fenomeen is gebruikt om "verwarmende pleisters" te maken. De hoofdbestanddelen van een verwarmingspleister zijn ijzerpoeder, vermiculiet, actieve kool, anorganische zouten (zoals keukenzout) en water. Onder natuurlijke omstandigheden verloopt de oxidatiereactie in ijzer langzaam.

Om deze reactie te versnellen, wordt fijn ijzerpoeder met een groot oppervlak gebruikt. De rol van actieve kool is het vormen van een primaire cel om de reactie te bevorderen, terwijl de sterke adsorptiecapaciteit water opslaat in de losse structuur. De anorganische zouten werken samen met de actieve kool om een primaire cel te vormen en de reactie te bevorderen. Vermiculiet, een ijzer-magnesium aluminosilicaat mineraal, dient als een thermisch opslagmedium.

In een scheikundelab kunnen we deze verwarmingspleisters zelf maken. Door ijzerpoeder, actieve kool, keukenzout en vermiculiet in een massaverhouding van 5:2:2:2 te mengen. Dit mengsel (vermiculiet is optioneel) wordt in een bekerglas gegoten, een paar druppels water worden toegevoegd en het wordt grondig gemengd met een glazen staaf.

Daarna wordt het verpakt in een non-woven stoffen zak en verzegeld in een zelfsluitende zak (of met een plastic sealer). Wanneer nodig kan het eruit worden gehaald voor gebruik. Opgemerkt moet worden dat hoe fijner de deeltjes van ijzerpoeder en actieve kool (idealiter 100 mesh voor ijzerpoeder en 150 mesh voor actieve kool), hoe sneller de reactie en hoe merkbaarder de temperatuurstijging.