Vie metallurgiche della lisciviazione del piombo dall'ottone

npj Materiali Degradazione volume 7, Numero articolo: 69 (2023) Citare questo articolo

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I componenti in ottone al piombo (Pb) utilizzati nelle tubazioni dell'acqua sono soggetti a lisciviazione di piombo in seguito alla saldatura o alla brasatura durante l'installazione. L'imaging a raggi X con radiazione di sincrotrone mostra che nello stato iniziale dei campioni di ottone per acqua potabile, il Pb esiste principalmente come particelle isolate o collegate insieme, di dimensioni da submicron a diversi micron. Riscaldando alla normale temperatura di saldatura di ~200 °C, il contenuto di Pb emerge rapidamente attraverso percorsi di diffusione che coinvolgono una struttura compenetrante Pb-ottone con relazione di orientamento (11\(\bar{1}\))α-ottone//(220 )Pb; [011]α-ottone//[\(\bar{1}\)13]Pb. Durante il riscaldamento alla consueta temperatura di brasatura di 700 °C, le particelle di Pb si fondono e si espandono in volume, con il contenuto di Pb forzato nel reticolo di ottone preferibilmente lungo i piani di ottone α, formando una fase Pb di bassa sfericità o anche fogli di grandi dimensioni . Durante l'immersione in acqua, le particelle di Pb superficiali vengono ossidate per formare aghi di PbO lungo la direzione normale dei piani {\(\bar{2}\bar{2}2\)}PbO, che vengono poi facilmente lavati via provocando la lisciviazione del Pb .

Il piombo (Pb) è un metallo pesante diffuso, regolamentato dalle agenzie di protezione ambientale perché inquina l'ambiente1,2,3,4 e può avere effetti dannosi sulla salute come danni neurologici ed esiti avversi della gravidanza se consumato5,6. L'attuale linea guida Pb, rivista l'ultima volta nel 1993, stabilisce una concentrazione massima accettabile di 10 µg/L, sulla base del livello di assunzione settimanale tollerabile provvisorio dell'Organizzazione Mondiale della Sanità al di sotto del quale non dovrebbe verificarsi alcun aumento dei livelli di piombo nel sangue e quindi nessun aumento previsto dei rischi per la salute. . L'avvelenamento causato da un eccesso di piombo nell'acqua potabile si verifica ancora oggi, principalmente a causa della lisciviazione del piombo dai componenti utilizzati nei sistemi di distribuzione e idraulici. Di conseguenza, le giurisdizioni hanno sviluppato regolamenti e standard tecnici per il piombo nei componenti utilizzati nei sistemi di tubazioni dell'acqua potabile. Ad esempio, gli standard britannici specificano che i raccordi in lega di rame per l'uso di acqua potabile non devono contenere più del 4–6% in peso di Pb per le valvole e dello 0,5–2,5% in peso di Pb per i rubinetti7. Nel frattempo, secondo gli standard statunitensi, le superfici bagnate delle leghe di rame nominalmente prive di piombo per l'uso nell'acqua potabile possono ancora contenere Pb fino allo 0,25% in peso8.

Il cosiddetto ottone senza piombo per applicazioni di acqua potabile (di seguito denominato ottone pw) è destinato a contenere Pb9. Di tanto in tanto, in tutto il mondo viene segnalata la lisciviazione di Pb nell'acqua potabile10,11,12,13,14,15,16,17,18, e una possibile ragione è dovuta al contenuto di Pb nelle tubazioni e nei componenti in ottone pw, soprattutto in condizioni di nuova installazione19. Tradizionalmente, il Pb viene aggiunto al pw-ottone per facilitarne la lavorazione e, data la lunga storia dell'uso dell'ottone per realizzare componenti per l'acqua potabile e le grandi quantità di tubazioni e componenti in ottone già installati, nessuna giurisdizione ha annunciato alcun piano o calendario per vietare l'ottone. utilizzo dell'ottone pw nelle tubazioni. È interessante notare che, nonostante l’importanza del problema, solo la lavorabilità dell’ottone migliorata dal Pb grazie alla superficie di Pb è stata studiata brevemente negli anni ’7020, e la comprensione dei percorsi metallurgici del processo di lisciviazione del Pb dall’ottone pw è rimasta inesistente. In particolare, dato che l'ottone e il Pb non hanno limiti di solubilità reciproca nel diagramma di fase21, non è noto in quali forme il Pb esisterebbe all'interno dell'ottone pw e come migrerebbe sulla superficie del campione causando la lisciviazione nell'acqua a contatto.

Esperimenti recenti19 hanno dimostrato che il trattamento preriscaldato dell'ottone pw può provocare una lisciviazione accelerata del Pb. In questi esperimenti, sono stati effettuati trattamenti di preriscaldamento a 200 o 700 °C prima dei test di lisciviazione del piombo per simulare il processo di giunzione di saldatura (200 °C) o brasatura (700 °C) per l'installazione di tubazioni. A 200 °C il contenuto di Pb nel pw-ottone è ancora allo stato solido, mentre a 700 °C il Pb dovrebbe essere fuso, ma nelle condizioni finali di lisciviazione del Pb nei test di immersione, il Pb dovrebbe essere allo stato solido22. Una spiegazione dettagliata del motivo per cui il trattamento preriscaldato accelera la lisciviazione del Pb richiederebbe una conoscenza dettagliata della distribuzione del Pb nell'ottone iniziale e di quella dopo il pretrattamento. Ad esempio, nella Fig. 1 del presente lavoro (dettagli spiegati più avanti), lo stato pretrattato a 700 °C liscivia all'incirca alla stessa velocità dello stato a 200 °C per tempi di riscaldamento inferiori a circa 20 minuti, ma il tasso di lisciviazione accelera significativamente dopo 20 minuti, il che potrebbe indicare una distribuzione non uniforme del contenuto di Pb all'interno dell'ottone. Pertanto, non è scopo del presente documento discutere in che modo la durata del pretrattamento influenzerebbe quantitativamente il tasso di lisciviazione del piombo: uno studio del genere richiederebbe un controllo sistematico della distribuzione iniziale del Pb nei campioni di ottone, il che sarebbe un compito arduo dato l'elevata metastabilità o instabilità della segregazione del Pb all'interno dell'ottone dovuta alla reciproca immiscibilità delle due fasi.