Caminhos metalúrgicos de lixiviação de chumbo do latão

npj Degradação de materiais volume 7, número do artigo: 69 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Componentes de latão com chumbo (Pb) usados ​​em tubulações de água são propensos à lixiviação de chumbo após soldagem ou brasagem durante a instalação. Imagens de raios X de radiação síncrotron mostram que, no estado inicial de amostras de latão de grau de água potável, o Pb existe principalmente como partículas isoladas ou ligadas entre si, de submícron a vários mícrons de tamanho. Ao aquecer até a temperatura normal de soldagem de ~200 °C, o conteúdo de Pb emerge rapidamente através de vias de difusão envolvendo uma estrutura interpenetrante de Pb-latão com relação de orientação (11\(\bar{1}\))α-latão//(220 )Pb; [011]α-latão//[\(\bar{1}\)13]Pb. Ao aquecer até a temperatura normal de brasagem de 700 °C, as partículas de Pb derretem e expandem em volume, com o conteúdo de Pb forçado para dentro da estrutura de latão preferencialmente ao longo dos planos de latão α, formando a fase de Pb de baixa esfericidade ou até mesmo folhas grandes . Na imersão em água, as partículas de Pb na superfície são oxidadas para formar agulhas de PbO ao longo da direção normal dos planos {\(\bar{2}\bar{2}2\)}PbO, que são então facilmente lavadas para causar lixiviação de Pb .

O chumbo (Pb) é um metal pesado predominante que é regulamentado por agências de proteção ambiental porque polui o meio ambiente1,2,3,4 e pode ter efeitos nocivos à saúde, como danos neurológicos e resultados adversos na gravidez, se consumido5,6. A diretriz atual de Pb, revisada pela última vez em 1993, estipula uma concentração máxima aceitável de 10 µg/L, com base no nível provisório de ingestão semanal tolerável da Organização Mundial da Saúde, abaixo do qual não deve ocorrer aumento nos níveis de chumbo no sangue e, portanto, nenhum aumento previsto nos riscos à saúde. . O envenenamento causado pelo excesso de chumbo na água potável ainda ocorre hoje, principalmente devido à lixiviação do chumbo dos componentes utilizados nos sistemas de distribuição e encanamento. Como resultado, regulamentações e padrões de engenharia foram desenvolvidos pelas jurisdições para chumbo em componentes usados ​​em sistemas de tubulação de água potável. Por exemplo, as Normas Britânicas especificam que as conexões de liga de cobre para uso em água potável não devem conter mais do que 4–6% em peso de Pb para válvulas e 0,5–2,5% em peso de Pb para torneiras7. Entretanto, de acordo com as normas dos EUA, as superfícies molhadas de ligas de cobre nominalmente isentas de chumbo para utilização em água potável ainda podem conter Pb até 0,25% em peso8.

O chamado tipo de latão sem chumbo para aplicações de água potável (doravante denominado latão pw) contém limite para conter Pb9. De tempos em tempos, a lixiviação de Pb na água potável é relatada em todo o mundo10,11,12,13,14,15,16,17,18, e uma possível razão é devido ao teor de Pb em tubulações e componentes de latão pw, especialmente em condições recém-instaladas19. Tradicionalmente, o Pb é adicionado ao latão pw para facilitar a usinagem e, dada a longa história de uso do latão para fabricar componentes para água potável e a grande quantidade de tubulações e componentes de latão já instalados, nenhuma jurisdição anunciou qualquer plano ou cronograma para proibir o uso de latão pw em tubulações. Curiosamente, apesar da importância do problema, apenas a usinabilidade do latão melhorada com Pb devido à superfície de Pb foi estudada brevemente na década de 1970, e uma compreensão das vias metalúrgicas do processo de lixiviação de Pb do latão pw permaneceu inexistente. Em particular, dado que o latão e o Pb não têm limite de solubilidade mútuo no diagrama de fases , não se sabe em que formas o Pb existiria dentro do latão pw e como o Pb migraria para a superfície da amostra para causar lixiviação na água em contato.

Experimentos recentes mostraram que o pré-tratamento térmico do latão pw pode resultar na lixiviação acelerada do Pb. Nestes experimentos, tratamentos pré-térmicos a 200 ou 700 °C foram realizados antes dos testes de lixiviação de Pb para simular o processo de união por soldagem (200 °C) ou brasagem (700 °C) para instalação de tubulações. A 200 °C o teor de Pb no latão pw ainda está no estado sólido, enquanto a 700 °C o Pb deveria estar fundido, mas nas condições finais de lixiviação do Pb em testes de imersão, o Pb deveria estar no estado sólido22. Uma explicação detalhada de por que o pré-tratamento térmico acelera a lixiviação de Pb exigiria um conhecimento detalhado da distribuição de Pb no latão inicial, bem como após o pré-tratamento. Por exemplo, na Figura 1 do presente trabalho (detalhes explicados posteriormente), o estado pré-tratado a 700 °C lixivia aproximadamente na mesma taxa que o estado a 200 °C para tempos de aquecimento inferiores a cerca de 20 minutos, mas a taxa de lixiviação acelera significativamente após 20 minutos, o que possivelmente indica uma distribuição não uniforme do conteúdo de Pb dentro do latão. Portanto, não é o escopo do presente artigo discutir como a duração do pré-tratamento afetaria quantitativamente a taxa de lixiviação de chumbo - tal estudo exigiria um controle sistemático da distribuição inicial de Pb em amostras de latão, o que seria uma tarefa formidável, dada a a alta metaestabilidade ou instabilidade da segregação de Pb dentro do latão devido à imiscibilidade mútua das duas fases.