ऋणाग्री संरक्षण (Cathodic protection)

धातुकपासून (Ore) धातूचे निष्कर्षण करताना म्हणजेच धातू मिळवताना मोठ्या प्रमाणात उर्जा खर्च होते. म्हणून नैसर्गिक वातावरणात सगळेच धातू अस्थिर असतात. संक्षरण (corrosion) किंवा गंजण्यामुळे अस्थिर धातूचे रूपांतर स्थिर संयुगात (compounds)  होते. उदा., लोखंडाच्या अणूचा पाण्याशी संयोग होऊन फेरस हायड्रोऑक्सिइड तयार होते. फेरस हायड्रोऑक्सिइडचे रूपांतर क्रमशः फेरिक हायड्रोऑक्सिइड आणि फेरिक ऑक्सिइडमध्ये होते. हे फेरिक ऑक्सिइड म्हणजेच लोखंडाचा गंज. धातूंचे संक्षरण उष्मागतीशास्त्राच्या नियमानुसार स्वाभाविकरित्या घडत असते. हवेतील आर्द्रता जेव्हा ६०% पेक्षा जास्त असते, तेव्हा धातू गंजायला किंवा संक्षरणास सुरुवात होते. या अभिक्रियेमध्ये धातूंची स्फटीकीय रचना (Crystal structure) विद्युत रासायनिक क्रियेमुळे ढासळते आणि यांत्रिक गुणधर्म कमी होतात. धातूंची  झीज झाल्यामुळे होऊन सामर्थ्य (Mechanical strength) कमी होऊन धातूस तडे जातात, शेवटी त्याचा भुगा होतो आणि उत्पादने निकामी होतात. धातू गंजायची शक्यता त्यांच्या विद्युत रासायनिक गुणधर्मावर किंवा वर्चस् (Potential) यावर अवलंबून असते. विद्युतगामी बलश्रेणी  (Electromotive force  series) धातूंच्या वर्चस् (Potential) प्रमाणे लावता येते (तक्ता):

धातूंच्या विद्युतगामी बलश्रेणी किंवा विदयुत रासायनिक क्रमवारीनुसार सोने, चांदी, प्लॅटिनम यांसारख्या अभिजात धातूंचे (Noble metals) वर्चस् हायड्रोजनपेक्षा जास्त अर्थात धन (+ ve) असते आणि लोखंड, जस्त यांसारख्या क्रियाशील धातूंचे (Base metals) वर्चस् हायड्रोजनपेक्षा कमी अर्थात ॠण (-ve) असते. साहजिकच क्रियाशील धातू संक्षारण प्रवण असतात. दोन भिन्न धातू एकत्र जोडले असता खारट पाण्याच्या किंवा तत्सम माध्यमाच्या सान्निध्यामुळे आणि वर्चसामधील फरकामुळे विद्युत घट तयार होऊन विद्युत प्रवाह वाहू लागतो. यामुळे होणारे कमी वर्चस् असलेला क्रियाशील धातूंचे संक्षारण म्हणजे गॅल्व्हानिक संक्षारण (Galvanic Corrosion). या श्रेणीमधील दोन धातूंमधील वर्चस् फरक जितका जास्त तितकी गंजण्याची क्रिया वेगाने होत जाते. धातूंचे गंजण्यापासून संरक्षण (Corrosion protection) करण्यासाठी एकूण राष्ट्रीय उत्पनांच्या ५ % रक्कम खर्च होते.

धातूंचे गंजणे थांबविणे किंवा कमी करणे हे अभियंत्यांना नेहमीच आव्हान ठरले आहे. अभिजात धातूंचा (Noble metals) वापर करणे अभियांत्रिकी दृष्ट्या शक्य नसते म्हणून यासाठी काही अभियांत्रिकीपद्धती उपयोगात आहेत. उदा., अगंज पोलादासारखे (Stainless steel) मिश्रधातू वापरणे. अगंज पोलादामध्ये क्रोमियमचे प्रमाण १२ % पेक्षा जास्त असल्यास त्यावर क्रोमियम ऑक्साइडचे संरक्षक आवरण तयार होते आणि गंजण्यापासून संरक्षण होते. अगंज पोलादासारखे मिश्रधातू वापरणे व्यावसाईक दृष्ट्या नेहमीच शक्य नसते. गंज प्रतिबंधक रंग वापरणे (Paints and coatings) हा सर्वमान्य उपाय आहे. परंतु रंगामधील क्रोमियमसारख्या काही घटकांमुळे पर्यावरणावर घातक परिणाम होतात. अशा वेळी गॅल्व्हानिक संक्षरण या तत्त्वाचा वापर ऋणाग्री संरक्षण (cathodic Protection) या पद्धतीत केला जातो. क्रियाशील धातूंवर कमी वर्चस् असलेल्या धातूंचे लेपण करून त्यांचे संरक्षण करता येते. उदा., लोखंडावर जस्ताचे लेपण (Galvanizing). जस्ताचे वर्चस् लोखंडापेक्षा कमी असल्याने जस्त अधिमान्यतेने (Preferentially) गंजते आणि लोखंड सुरक्षित राहते (sacrificial cathodic protection). ऋणाग्री संरक्षणच्या दुसऱ्या पद्धतीत धातूंची वस्तू विजेचा प्रवाह पाठवून कृत्रिमरित्या ऋणाग्र केली जाते (Impressed current cathodic protection). ऋणाग्री  संरक्षण ही पद्धत मातीमध्ये असेलेले धातूंचे पाइप, समुद्र सानिध्य असलेले किंवा समुद्रमधे असलेल्या धातूंचे सांगाडे (structures), बोटी इत्यादीसाठी अत्यंत उपयोगी आहे. बोटीच्या तळाशी मॅग्नेशियमचे तुकडे लावलेले असतात ते याचसाठी.

अमेरिकेतील स्वातंत्र्य देवीचा पुतळा १८८६ मध्ये उभारला गेला. पुतळा बनविण्यासाठी तांब्याचा २.४ मिमी. जाडीचा पत्रा आणि आतील भागास आधार देण्यासाठी कार्बनयुक्त पोलादाचा वापर केला गेला. अभियंत्यांना या कामावरील गॅल्व्हानिक संक्षरणाची कल्पना असल्याने त्यांनी काही पदार्थांचा वापर केला होता, परंतु तरीसुद्धा एका शतकात गंज जमा होऊन तांब्याचा रिव्हेट्स निघून आल्या आणि पोलादी सांगाड्याची वजन उचलण्याची क्षमता कमी होत गेलीं. १९८० मध्ये डागडूजी करताना अगंज पोलादाचा (Stainless steel) वापर करून आधार देण्यात आला आणि टेफ्लॉनचा थर देण्यात आला. समुद्र किनारी संक्षरण तीव्रता जास्त असते. म्हणून समुद्र सानिध्य असलेले पुतळे किंवा धातूंचे सांगाडे (structures) यांचे गंजापासून बचाव करण्यासाठी ऋणाग्री  संरक्षणचे आरेखन (Cathodic protection system design) करताना त्या प्रदेशाची भौगोलिक परिस्थिती, तापमान, पर्जन्यमान (Rainfall), पर्यावरण आर्द्रता (Humidity), समुद्र सानिध्य, धनाग्राचे  वजन आणि क्षमता (Anode weight and electrochemical capacity), विद्युत घटाची क्षमता, जोडकामाचे योग्य निकष (welding specifications) इत्यादी बाबी विचारात घ्यावी लागतात. मुंबईतील बांद्रा सी-लिंकबरोबर कोस्टल रोड पोलादी तुळईने जोडताना वरील निकषांचा वापर करण्यात आला आहे.

संदर्भ : Fontana, Mars G., Corrosion Engineering, McGraw Hill Book Campany, Third Edition, 1987.

समीक्षक : महेंद्र मोरे