类型

反应过程

全面

腐蚀

铁的阳极氧化过程

$\text{Fe}+{\text{OH}}^{-}\stackrel{}{\to }\text{FeOH}+{\text{e}}^{-}$

$\text{FeOH}\stackrel{}{\to }{\text{FeOH}}^{+}+{\text{e}}^{-}$

${\text{FeOH}}^{+}\stackrel{}{\to }{\text{Fe}}^{2+}+{\text{OH}}^{-}$

非催化的氢离子阴极还原反应

pH < 4: ${\text{H}}_{\text{3}}{\text{O}}^{+}+{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{ad}}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}\stackrel{}{\to }{\text{H}}^{+}+{\text{HCO}}_3^{-}$

${\text{HCO}}_3^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}^{+}+{\text{CO}}_3^{2-}$

4 < pH < 6: ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}+{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{ad}}+{\text{HCO}}_3^{-}$

pH > 6: ${\text{2HCO}}_3^{-}+2{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{2}}+{\text{2CO}}_3^{2-}$

表面吸附的氢离子催化还原反应

${\text{CO}}_{\text{2ad}}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3ad}}$

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3ad}}+{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{\text{ad}}+{\text{HCO}}_{\text{3ad}}^{-}$

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3ad}}^{-}+{\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}^{+}\to {\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3ad}}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$

总的腐蚀反应： ${\text{CO}}_{\text{2}}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}+\text{Fe}\stackrel{}{\to }{\text{FeCO}}_{\text{3}}+{\text{H}}_2$

注：下标ad代表吸附在钢铁表面上的物质，sol代表的溶液中的物质。

局部

腐蚀

二氧化碳的局部腐蚀是由腐蚀电偶作用形成的，这种腐蚀电偶是在含二氧化碳的介质中，腐蚀产物在管道表面不同区域形成的具有很强自催化特性的闭塞电池，这种局部腐蚀的表面不规整。

均相化学反应

${\text{CO}}_2\left(\text{g}\right)\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{CO}}_2\left(\text{aq}\right)$

${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{H}}^{+}+{\text{OH}}^{-}$

${\text{CO}}_2+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_3$

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_{\text{3}}\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{H}}^{+}+{\text{HCO}}_3^{2-}$

${\text{HCO}}_3^{2-}\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{H}}^{+}+{\text{CO}}_3^{2-}$

阴极

反应

直接还原机制

Dewaard和Milliams [14] 提出：

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_3+\text{e}\stackrel{}{\to }\frac{1}{2}{\text{H}}_2+{\text{HCO}}_3^{-}$

水还原机制

Nesic等人 [15] 提出： ${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}+\text{e}\stackrel{}{\to }\frac{1}{2}{\text{H}}_2+{\text{OH}}^{-}$

缓冲作用

H₂CO₃均匀解离，并为还原H⁺提供平行反应 [16] ：

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{CO}}_3\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{H}}^{+}+{\text{HCO}}_3^{-}$

${\text{H}}^{+}+\text{e}\stackrel{}{\to }\frac{1}{2}{\text{H}}_2$

阳极

反应

Bockris和Drazic提出BDD机理 [17] ：

$\text{Fe}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}\stackrel{}{\rightleftharpoons }\text{FeOH}+{\text{H}}^{+}+\text{e}$

$\text{FeOH}\stackrel{}{\to }{\text{FeOH}}^{+}+\text{e}$

${\text{FeOH}}^{+}+{\text{H}}^{+}\stackrel{}{\rightleftharpoons }{\text{Fe}}^{2+}+{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$

传质

过程

因管道内流体发生湍流而产生的对流导致发生腐蚀；因管道内部浓度不同而产生的分子扩散导致发生腐蚀；离子的电迁移。

CO₂腐蚀机理

总反应： ${\text{Fe}}_{\left(\text{s}\right)}+{\text{CO}}_{2\left(\text{aq}\right)}+{\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\left(\text{l}\right)}\stackrel{}{\to }{\text{Fe}}_{\left(\text{aq}\right)}^{2+}+{\text{CO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{2-}+{\text{H}}_{2\left(\text{g}\right)}$

阳极反应： ${\text{Fe}}_{\left(\text{s}\right)}-2{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{Fe}}_{\left(\text{aq}\right)}^{2+}$

阴极反应： $2{\text{H}}_{\left(\text{aq}\right)}^{+}+2{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{2\left(\text{g}\right)}$

$2{\text{HCO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{-}+2{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{2\left(\text{g}\right)}+2{\text{HCO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{-}$

$2{\text{HCO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{-}+2{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{2\left(\text{g}\right)}+2{\text{CO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{2-}$

$2{\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\left(\text{l}\right)}+2{\text{e}}^{-}\stackrel{}{\to }{\text{H}}_{2\left(\text{g}\right)}+2{\text{OH}}_{\left(\text{aq}\right)}^{-}$