【正文】 electrochemical impedance spectroscopy in seawater with pseudomonas. Growth curves shows that the growth phase of pseudomonas divide into logy periods, logarithmic periods, steady growth periods, contabescence periods and can be a relatively long period of time in the steady growth periods in seawater and pseudomonas. The open circuit potential shows that full biofilm formation does not change the cathode electrode polarization type and control steps and the metabolism of pseudomonas determines the electrode nature and electrode corrosion rate of the corrosion of 45 steel. Electrochemical impedance spectroscopy shows that the transmission rate of charge and material of cathode reaction in the twophase change interface is the main factors of the corrosion of the steel by product layer and double layer. Keywords: MIC。目前全世界每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失為 7000 億美元，金屬材料在海洋中的損失相當(dāng)嚴(yán)重，因此了解材料 在海洋環(huán)境中的腐蝕行為機(jī)制，加強(qiáng)其腐蝕控制和減少金屬材料的損耗，防止地球上有限資源過早枯竭和避免設(shè)備在海洋環(huán)境中遭到過早的或意外的損壞有著重要的戰(zhàn)略意義。統(tǒng)計(jì)表明，與海洋微生物附著有關(guān)的材料破壞占到涉海材料總量的 70%～ 80%，每年因微生物腐蝕造成的損失約為 30～ 50 億美元，如海上油田氣、水系統(tǒng)，深水泵，循環(huán)冷卻系統(tǒng)，海上采油平臺(tái)，海底輸送管線，海底采礦設(shè)備，海上棧橋，碼頭等一系列裝置都發(fā)現(xiàn)受到 MIC 的危害，因而限制了材料的使用壽命和應(yīng)用范圍。電化學(xué)腐蝕是鋼鐵與外部介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而形成的腐蝕，即在腐蝕過程中不僅有化學(xué)反應(yīng)，畢業(yè)論文 7 同時(shí)還有電流產(chǎn)生。 鋼鐵在大氣環(huán)境中，由于空氣中氧氣和二氧化碳的存在，鋼鐵表面形成以鐵為負(fù)極、 炭為正極、水膜為電解質(zhì)溶液的很多微小原電池 。 腐蝕速率隨時(shí)間變化分為兩個(gè)時(shí) 期：有氧腐蝕過程（階段 0— 2）和厭氧細(xì)菌腐蝕（階段 4），共五個(gè)階段。一般認(rèn)為海水中溶解氧的濃度越大， 進(jìn)入到金屬界面參與陰極還原的溶解氧就越多，腐蝕速率就越大。 階段 3 SRB 的生長過程控制：隨著銹層厚度增加，氧氣到達(dá)金屬界面的速率越來越小，此時(shí)腐蝕界面的環(huán)境成了厭氧環(huán)境， SRB 迅速生長，此階段很短暫，腐蝕速度很大。 碳鋼在海水中的腐蝕形態(tài) （ 1）全面腐蝕 全面腐蝕可視為均勻腐蝕，它是一種常見的腐蝕形態(tài)， 其特征是與腐蝕環(huán)境接觸的整個(gè)金屬表面上幾乎以相同的速度進(jìn)行腐蝕。就碳鋼、低合金鋼而言其局部腐蝕一般是在整個(gè)金屬表面上都有可能發(fā)生的，但腐蝕深度明顯不均勻，而且表現(xiàn)出不同的腐蝕形狀。碳鋼在含有 Cl等活性陰離子的水中容易發(fā)生點(diǎn)蝕?？p隙腐蝕可在多種介質(zhì)中產(chǎn)生，而又以充氣的含活性陰離子的中性介質(zhì)（如海水）最易發(fā)生，所以縫隙腐蝕也是比較嚴(yán)重的 [14]。電偶腐蝕的速率隨陰 /陽極電位差和陰 /陽極面積比的增大而增大；陽極的腐蝕速度與陰 /陽極面積比的關(guān)系則是非線的。鋼鐵海洋腐蝕是海洋環(huán)境中諸多因素的綜合作用結(jié)果，例如，畢業(yè)論文 11 溶解氧、鹽度、溫度、 pH 值、流速以及海洋生物等，而且它們的影響常常是相互關(guān)聯(lián)的。 （ 2）鹽度的影響 海水中溶解有大量 NaCI、 KCI、 Na2SO4等中性鹽，其中， NaCl 占 78％。而，海水中 NaCl 的濃度一般為 3％左右，恰好是腐蝕速度為最大值的范圍，所以對鋼鐵的腐蝕產(chǎn)生巨大的影響 [12,15]。另一方面，海水溫度升高，海水中氧的溶解度降低，減緩了陰極的反應(yīng)過程，同時(shí)促進(jìn)保護(hù)性鈣質(zhì)水垢生成，這又會(huì)緩解金屬在海水中的腐蝕。因此，盡管表層海水的 pH 值比深處海水高，但由于表層海水含氧量比深處海水高，畢業(yè)論文 12 但表層海水對鋼鐵的腐蝕性比深處海水大。 （ 5）海水中微生物的影響 與其它環(huán)境相比，金屬材料在海洋環(huán)境中腐蝕過程的特征是海水的生物活性所引起的微生物腐蝕，包括生物附著和生物污損。在不同的時(shí)間段，腐蝕的受控因素并不相同。天然海水中的微生物能附著到浸入海水的固體表面，在其表面形成致密的粘液膜，從而改變了金屬的表面狀態(tài)，影響金屬的腐蝕行為。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在金屬材料、建筑材料等由微生物引起的腐蝕破壞就占到 20%。當(dāng)時(shí)，他從地下埋設(shè)的鋼管的腐蝕產(chǎn)物中分離出了鐵嘉氏桿菌 (GallinoellaFearrgine)，同時(shí)，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫，這表明有硫酸鹽還原菌的存在 [1]。 20 世紀(jì) 60年代以來，歐洲各國及美國進(jìn)行了一系列研究。 國內(nèi)微生物腐蝕的研究工作起步較晚，但是大量的微生物腐蝕同電化學(xué)腐蝕和純化學(xué)腐蝕一樣影響和破壞著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，問題的嚴(yán)重性正日益受到有關(guān)專家們的高度關(guān)注和極大的重視。我國有關(guān)生物腐蝕造成的損失還沒有受到足夠重視，作為一個(gè)擁有 萬 km 海岸線的世界海洋大國之一，研究國產(chǎn)海洋結(jié)構(gòu)材料在本國海域內(nèi)的微生物腐蝕具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義 [14]。所以，研究微生物腐蝕，關(guān)鍵問題是澄清微生物膜與金屬腐蝕過程相互作用的性質(zhì)、特征和機(jī)制。由此可概括機(jī)理如下 [14,18]： （ 1）濃度差異電池腐蝕機(jī)制 由于微生物附著在金屬表面形成的生物膜內(nèi)微生物的生長、繁殖以及菌落的形成是不均勻的，生物膜的厚度和分布也都不均一的。氧濃度差異的存在滿足了局部腐蝕的初始條件，腐蝕產(chǎn)物及代謝物堆積使得局部腐蝕得以發(fā)生和發(fā)展，氧濃差電池的形成，大大加速了金屬的微生物腐蝕。 Pedersen 和 Hermansson 驗(yàn)證了細(xì)胞濃度、含氧量和腐蝕速度間的關(guān)聯(lián)作用。如果金屬氫氧化物在溶液中是熱力學(xué)穩(wěn)定相，金屬離子會(huì)被水解成 H+。大部分的微生物都固定在菌落周圍，這使得陽極區(qū)固定 [27]。朱素蘭等也認(rèn)為，鐵細(xì)菌生命活動(dòng)的結(jié)果直接或間接的參與了鋼鐵的腐蝕過程。當(dāng)然，由 SRB 產(chǎn)生的硫化氫與次磷酸鹽等作用也可產(chǎn)生磷化鐵。若介質(zhì)給氫不足，不能再提供足夠的 H2S 時(shí)，立即促進(jìn)腐蝕。而硫酸鹽還原菌隨溫度的不同，生長菌種也有差異，一般可分為中溫型、高溫型兩種菌屬。 畢業(yè)論文 17 （ 2） pH 值的影響 pH 值影響微生物的活動(dòng)是由于氫離子與細(xì)胞膜中的酶相互作用的結(jié)果，同時(shí)也影響細(xì)胞壁上的酶活性。假單胞菌和 弧菌一般在堿性環(huán)境下生長，其最適宜 pH 值為 ～ 之間 [27,32]。 （ 4） NaCl 濃度的影響 NaCl 主要 是通過水的滲透壓對微生物產(chǎn)生影響。 （ 5） Fe2+的影響 介質(zhì)中亞鐵濃度對細(xì)菌生長極為重要。 Fe2+不僅是 SRB 的營養(yǎng)元素，而且與 SRB 的代謝產(chǎn)物反應(yīng)，能夠促使鋼鐵腐蝕 [31,33]。紫外線具有殺菌作用，利用紫外線照射可有效殺滅材料中的微生物。 （ 2）化學(xué)防護(hù)法（ 化學(xué)殺菌劑和抑菌劑 ） 人們常為防止金屬或非金 屬構(gòu)件的微生物腐蝕或污損，直接使用殺菌劑。氧化型殺菌劑具有一般不產(chǎn)生殘毒、速效、相對價(jià)廉和無耐藥性的優(yōu)點(diǎn)，但易受還原性物質(zhì)的干擾，持久性差。 非金屬襯里在金屬表面襯以橡膠 、 塑料 、 玻璃鋼 、 耐酸瓷板 、 輝綠巖板 、 玻璃板、石墨等板料以達(dá)到保護(hù)金屬免受介質(zhì)腐蝕的目的 ； 涂料可分為油基漆和樹脂基漆兩類 ， 它是通過一定的涂覆方法涂覆在金屬表面 ， 經(jīng)過固化而形成薄膜 ， 從而保護(hù)金屬免遭腐蝕 ?！?1 犧牲陽極保護(hù)法：用電極電勢比被保護(hù)金屬更低的金屬或合金作陽極，固定在被保護(hù)金屬上，形成腐蝕電池，被保護(hù)金屬作為陰極而得到保護(hù)。因此，陰極保護(hù)和良好涂層一起使用 ，乃是目前可得到的防止或減輕腐蝕的最好手段。通過測量微生物腐蝕過程的腐蝕電位隨時(shí)間的變化關(guān)系，初步判斷微生物腐蝕的發(fā)生過程，但其需要在對某一微生物腐蝕過程較清楚地基礎(chǔ)上，同時(shí)也要注意在長時(shí)間浸泡時(shí)，參比電極可能被微生物 膜覆蓋和污染。穩(wěn)定的氧化 還原電位僅僅在電化學(xué)平衡建立時(shí)才存在，這種條件在無 菌溶液中是存在的，而在微生物存在的體系中由于微生物的新陳代謝作用，溶液成分處于動(dòng)態(tài) 非平衡態(tài)，不能滿足通常測試的電化學(xué)平衡。若微生物新陳代謝過程中 pH 下降，則氧化 還原電位要升高。 極化電阻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是對體系的擾動(dòng)小，不會(huì)改變微生物的腐蝕歷程，并且可以連續(xù)監(jiān)測。目前，穩(wěn)態(tài)極化曲線的測量通常是以動(dòng)電位掃描的方式完成，可通過極化曲線形狀及 Tafel 常數(shù)、腐蝕速率等參數(shù)的變化來快速評(píng)定微生物對金屬腐蝕行為的作用。 電化學(xué)阻抗譜的解析方法可采用等效電路方法和動(dòng)力學(xué)分析方法。 與其他腐蝕實(shí)驗(yàn)一樣，電化學(xué)阻抗譜技術(shù)在 MIC 研究中的難點(diǎn)是同一組 EIS 數(shù)據(jù)可以由多個(gè)等效電路模擬出來，所以選擇合適的等效電路進(jìn)行匹配極為重要，一般需與其他方法相結(jié)合來確定電化學(xué)阻抗譜所反映的腐蝕過程 [41]。微生物對金屬的腐蝕不僅使設(shè)備提早報(bào)廢，浪費(fèi)大量鋼材，而且還會(huì)引起事故及頻繁地停產(chǎn)檢修，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)加大地球資源的消耗速度。 海南是中國唯一的熱帶海島，擁有豐富的自然及礦產(chǎn)資源，近年來受到國家的高度重視，發(fā)展迅速。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： （ 1）采用微生物學(xué)法在?？谑屑偃蘸┑暮Ｋ蟹蛛x、提純出假單胞菌， 用最大可能菌數(shù)法（ MPN）測定海水中假單胞菌的數(shù)量，繪制生長曲線，確定假單胞菌的生長周期，明確海水中假單胞菌的生長規(guī)律。 表 1 45 鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)， %） Table1 Chemical position of 45 steel (wt%) C Mn Si S P Ni Cr Mo Nb Cu W Al 試樣制備 畢業(yè)論文 24 （ 1） 按照 GB577686 選取 45 鋼試樣材料， 為了避免結(jié)構(gòu)的不均勻性和內(nèi)應(yīng)力的存在對 45 鋼腐蝕行為 產(chǎn)生影響，先 進(jìn)行均勻退火。10mm 的圓面作為工作面，其余表面用塑料管和環(huán)氧樹脂涂封。 表 3 實(shí)驗(yàn)試劑 Table 3 Reagent 試劑 純度 產(chǎn)地 牛肉膏 生化試劑 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司 蛋白胨 生化試劑 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司 瓊脂 生化試劑 廣東環(huán)凱微生物科技有限公司 %無水乙醇 分析純試劑 天津市化學(xué)試劑一廠 丙酮 分析純試劑 廣東市東紅化工廠 氫氧化鈉 分析純試劑 廣州化學(xué)試劑廠 環(huán)氧樹脂 廣東市東風(fēng)化工 環(huán)氧樹脂固化 劑 廣東市東風(fēng)化工 腐蝕介質(zhì)的制備 試驗(yàn)菌種的來源 實(shí)驗(yàn)所用的假單胞菌種是從碳鋼海水腐蝕產(chǎn)物菌種中分離和富集得到的。置于 30℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。 （ 3）在潔凈工作臺(tái)中，移取菌液 1mL 逐級(jí)稀釋至 100， 101， 102，103， 104，分別涂于固體培養(yǎng)基上，然后放入盒中置于 30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。重復(fù)此操作，配置成 12 瓶海水培養(yǎng)基。 （ 4）掛樣完成后的實(shí)驗(yàn)樣品從無菌室中移出，放入一個(gè)大的塑料箱中，以備電化學(xué)測試之用。在超凈工作臺(tái)上，用滅菌注射器吸取 的無菌海水注入塑料試管中，換用一支滅菌吸管，吸取 的假單胞菌液注入裝有無菌海水的塑料試管中， 振搖試管混合均勻，制成 1： 10 的稀釋液。 將涼至 46℃ 的廣譜 2216瓊脂培養(yǎng)基 注入平皿 （ 約 15ml/個(gè)）制成平板，以滅菌注射器吸取 的 101稀釋液注入培養(yǎng)基中，并轉(zhuǎn)動(dòng)平皿，使混合均勻。1℃ 恒 溫箱內(nèi)培養(yǎng) 48177。 電化學(xué)測試 電化學(xué)測試儀器為 ZAHNER XPOT 電化學(xué)工作站，采用三電極電解池體系，工作電極為制備的 45 鋼電極，輔助電極為光亮鉑電極，實(shí)驗(yàn)前用蒸餾水沖洗，無水乙醇擦洗，濾紙吸干，參比電極為飽和甘汞電極 (SCE)，使用時(shí)從飽和 KCL 溶液中取出，蒸餾水沖洗，無水乙醇擦洗，電解液為海水，測試軟件為 THALES USB。測定在腐蝕電位下的電化學(xué)阻抗譜（ EIS）。電化學(xué)阻抗譜測量時(shí)在試樣表面施加 10mV 的信號(hào)，掃描頻率范圍為 100kHz— 5mHz。從曲線可以明顯地 看到假單胞菌的生長分為四個(gè) 階段 ：遲緩期、 指數(shù)生長期、穩(wěn)定生長期、衰亡期。 第三階段為衰亡期， 當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)逐漸消耗待盡和有毒代謝產(chǎn)物的大量積累，假單胞菌死亡速率逐步增加，假單胞菌死亡速率大畢業(yè)論文 29 于假單胞菌分裂速率，活菌種數(shù)逐步減少，進(jìn)入衰亡期。假單胞菌在經(jīng)過一個(gè)短暫的延滯期后，菌種數(shù)量開始呈對數(shù)級(jí)增長，生長代謝加快，大量的代謝產(chǎn)物和胞外聚合物在表面沉積，使得電極表面的生物膜增厚，自腐蝕電位在 2d 出現(xiàn)了緩慢正移的