不同溫度下芽孢桿菌對船用Q235碳鋼的緩蝕分析

侯明宇，白秀琴，賀小燕

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

數(shù)據(jù)顯示,全世界每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失約占國民生產(chǎn)總值的3.4%，由海水引起的金屬材料的腐蝕約占金屬材料總腐蝕損失的1/3，我國每年的腐蝕成本占全部GDP的3.34%，總額超過21 000億元人民幣[1]。海水腐蝕不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，它造成的海洋設備失效也給工作人員生命安全帶來了嚴重威脅。

傳統(tǒng)的防護方式如在船舶表面涂防護涂料或者陰極保護技術,存在著不環(huán)保、經(jīng)濟性差等局限性，因而尋找一種環(huán)保的防護方式是形勢所趨。近年來海洋微生物作為一個重要的環(huán)境因素越來越引起人們的關注，由微生物引起的腐蝕叫做微生物腐蝕,其是指微生物能夠在不改變其電化學性質(zhì)的情況下啟動、促進或加速腐蝕反應的任何過程的統(tǒng)稱[2]。目前的研究一般認為微生物會加速金屬的腐蝕[3-4]，然而有研究表明芽孢桿菌會抑制金屬的腐蝕[5]。芽孢桿菌是一種常見的海洋菌種，關于它對金屬緩蝕行為的研究較少，關于不同溫度下芽孢桿菌緩蝕效果的研究幾乎沒有，而溫度是影響海洋腐蝕的一個重要的環(huán)境因素[6-7]，同時溫度對于細菌的代謝有著重要的影響。因此，設計浸泡試驗探究不同溫度下芽孢桿菌的緩蝕效果，最終得出芽孢桿菌緩蝕機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗選用的材料為常見船用鋼材Q235碳鋼，其化學成分如表1所示。

表1 Q235碳鋼化學成分 %

Q235碳鋼試樣均被加工成直徑為10 mm、厚度為3 mm的圓柱體，其圓形工作面積為0.785 cm2，并依次用180#、240#、400#、600#、1 000#、1 200#和2 000#的SiO2金相水砂紙逐級打磨，在更換不同規(guī)格砂紙打磨時，用去離子水沖洗樣品表面，盡量沖掉表面的殘余磨粒以提高打磨效果。使用拋光布與粒度為0.5 μm的氧化鋁懸浮拋光液對打磨后的Q235碳鋼表面進行拋光處理，然后樣品依次經(jīng)過去離子水沖洗，丙酮浸泡脫脂，無水乙醇脫水與超聲清洗。

經(jīng)上述處理后的樣品被放入真空干燥箱中，在37 ℃下干燥24 h后，取出并置于紫外燈下滅菌，保存于無菌工作臺中備用。Q235碳鋼試樣的拋光面作為工作表面，其他非工作面使用環(huán)氧樹脂密封并與銅芯導線相連接以用于電化學試驗。

1.2 菌種來源及培養(yǎng)

試驗所用的芽孢桿菌來源于海洋微生物菌種保藏管理中心，菌種編號為MCCC 1A00791。為了模擬實際情況，采用2216E液體培養(yǎng)基(成分為魚粉蛋白胨5 g/L，酵母粉1 g/L以及人工海水)，加入營養(yǎng)成分后，需要用NaOH溶液將培養(yǎng)基pH值調(diào)節(jié)至7.4～7.6之間，而后將培養(yǎng)基放置在121 ℃、1.1 MPa條件下的高溫滅菌鍋內(nèi)，滅菌20～25 min，取出后放在無菌工作臺內(nèi)自然冷卻至室溫。按無菌操作方法將處于休眠狀態(tài)的芽孢桿菌二次活化后，以10%的比例接種于新鮮的培養(yǎng)基中，置于30℃恒溫震蕩培養(yǎng)箱(HZQ-2型)中進行培養(yǎng)，將培養(yǎng)至對數(shù)生長期的芽孢桿菌轉移到40 mL裝有液體培養(yǎng)基的錐形瓶中，細菌和液體培養(yǎng)基的比例為1∶50左右，試驗期間每隔3天更換一次培養(yǎng)液，每次更換2/3的培養(yǎng)液。

1.3 電化學測試

電化學測試采用傳統(tǒng)的三電極體系，飽和甘汞電極作為參比電極，面積為10 mm×10 mm的鉑片作為輔助電極，電解液為質(zhì)量分數(shù)3.5%的NaCl溶液，在常壓、25 ℃下進行，電化學工作站的型號是CS350型。動電位極化曲線測試電位為-300～300 mV，掃描速度為1 mV/s。交流阻抗譜測試頻率為10-2～105Hz，正弦波交流激勵信號幅值為±10 mV，測得數(shù)據(jù)用Zview軟件擬合處理。

1.4 腐蝕試樣表面分析

取出用于表面分析的腐蝕試樣，浸泡于2.5%的戊二醛溶液中，在4 ℃的冰箱中靜置2 h，依次用不同體積分數(shù)的梯度乙醇溶液進行脫水處理。用型號為TESCANVEGA3的掃描電子顯微鏡(SEM)觀察腐蝕產(chǎn)物的形貌，并配合使用X-stream2 SDD型能譜儀分析腐蝕產(chǎn)物的成分。

2 測試結果與分析

2.1 電化學測試結果

1)開路電位測試。圖1為Q235碳鋼在不同體系下的開路電位圖，從圖1知，不同溫度下浸泡在菌液中的Q235碳鋼腐蝕行為不同，30 ℃菌液下試樣的開路電位在第1 天就達到了最低，而4 ℃試樣的開路電位在第3 天才到達最低，這可能與細菌的代謝以及在Q235碳鋼上的貼附程度相關。此外，不同溫度下Q235碳鋼在海水中的腐蝕行為也不相同，這可能與銹層的致密度以及厚度相關。對比分別浸泡在菌液和海水中試樣的開路電位，可以看出二者的開路電位隨時間變化規(guī)律并不相同，說明在菌液培養(yǎng)環(huán)境下，芽孢桿菌確實起到了作用。

圖1 Q235碳鋼在不同體系下的開路電位圖

2)交流阻抗譜測試。圖2為Q235碳鋼在不同體系下的阻抗Nyquist圖。從圖2知，浸泡在2種介質(zhì)下試樣的阻抗隨時間變化相似，試樣的阻抗值均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且均在第3 天阻抗值達到最大，這表明第3 天的腐蝕速率最小。

為了更好地分析Q235碳鋼的阻抗特性，采用Zview軟件對阻抗譜圖進行擬合，等效電路圖見圖3和圖4，其中Rs表示溶液電阻，Rb表示生物膜電阻，Rc表示腐蝕產(chǎn)物電阻，Qb表示生物膜電容，Qc表示腐蝕產(chǎn)物電容，Qdl表示雙電層電容，Rct表示電荷轉移電阻，擬合參數(shù)見表2。

圖2 Q235碳鋼在不同體系下的阻抗Nyquist圖

圖3 不同溫度下細菌對應的等效電路圖

圖4 不同溫度下海水對應的等效電路圖

表2 不同體系下阻抗譜擬合數(shù)據(jù)

表2給出了對應的等效電路元件參數(shù)。試樣的極化電阻Rp包括生物膜電阻、腐蝕產(chǎn)物電阻和電荷轉移電阻(Rp=Rb+Rc+Rct)，極化電阻的大小與試樣的腐蝕速率成反比。試樣未浸泡時的極化電阻為2 700 Ω·cm2，樣品浸泡在菌液中1 d后，金屬的極化電阻下降為1 925.9 Ω·cm2，此時試樣裸露在海水中，受到大量腐蝕性陰離子以及海水溶解氧的腐蝕，而此時芽孢桿菌主要游離在培養(yǎng)基中，僅有少量附著于金屬表面，起到的保護作用有限。1～3d試樣表面產(chǎn)生銹層，同時芽孢桿菌部分貼附于金屬表面，起到一定的保護作用，試樣極化電阻增加。2種溫度下的不同之處在于，30 ℃時細菌代謝旺盛分泌較多的胞外聚合物(EPS)，比4 ℃時具有更好的強度和黏性，有助于芽孢桿菌在試樣表面的附著成膜。從表2可以看出，30 ℃下試樣的Rb明顯大于4 ℃下試樣的Rb，表明30 ℃下試樣表面的生物膜——腐蝕產(chǎn)物膜所起到的效果更好，但溫度的增加也加速了腐蝕性離子的擴散速度(比較Rct的值)，最終結果使得30 ℃下試樣的極化電阻小于4 ℃下試樣的極化電阻。試樣浸泡第7天時，通過查閱芽孢桿菌的生長曲線可知，芽孢桿菌在第5天的時候已經(jīng)處于生長的衰亡期[8]，此時2種溫度下芽孢桿菌的活性均大幅度下降，試樣的極化電阻減小。

由表2知，同一溫度下均有浸泡在菌液中試樣的極化電阻小于浸泡在海水中試樣的極化電阻，表明芽孢桿菌對金屬的腐蝕起到了緩蝕作用。此外，浸泡在海水中試樣的腐蝕產(chǎn)物電阻明顯小于浸泡在菌液中試樣的生物膜電阻，且不同溫度下試樣的腐蝕產(chǎn)物電阻相差不大，浸泡第7天時，浸泡在海水中試樣的腐蝕產(chǎn)物阻抗均為100 Ω·cm2左右，表明相比于海水中試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，菌液中的芽孢桿菌對于金屬腐蝕的抑制效果更為明顯。

3)極化曲線分析。圖5為Q235碳鋼在不同體系下的極化曲線。由圖5知，1～7 d，不同體系下試樣的自腐蝕電流密度均先減小后增加，這與通過電化學阻抗譜得出的結論一致，通過Tafel外推法可以計算出試樣的自腐蝕電流密度。當溫度由4 ℃升高至30 ℃時，浸泡在海水中1 d的試樣的自腐蝕電流密度由5.22 μA增加至7.89 μA，浸泡在菌液中1 d的試樣的自腐蝕電流密度由2.63 μA增加至6.04 μA，第7天時浸泡在海水中試樣的自腐蝕電流密度已經(jīng)達到了8.81 μA，這表明溫度明顯加速了試樣的腐蝕。對于芽孢桿菌體系，溫度的升高使得芽孢桿菌代謝旺盛，消耗更多的氧氣，同時金屬表面形成的生物膜也起到抑制了金屬腐蝕的作用，然而相比于4 ℃、30 ℃下Cl-等腐蝕性離子更容易到達金屬表面，對金屬造成腐蝕，即試樣的自腐蝕電流密度由芽孢桿菌和海水中腐蝕性離子的活性共同決定。而對于滅菌海水體系，試樣的自腐蝕電流密度只取決于溫度變化所引起的海水中腐蝕性離子的活性變化，4 ℃時浸泡在菌液中3d試樣的自腐蝕電流密度為1.02 μA，要小于4 ℃時浸泡在海水中的4.45 μA，30 ℃時浸泡在菌液中3 d試樣的自腐蝕電流密度為2.54 μA，要小于30 ℃時浸泡在海水中的6.39 μA，可以看出同一溫度下均有浸泡在菌液中試樣的自腐蝕電流密度較小，表明浸泡在菌液中試樣的腐蝕受到了抑制。

2.2 腐蝕產(chǎn)物形貌分析

圖6為Q235碳鋼在不同體系下的SEM圖。從圖6中可以清晰的看出，同溫度下浸泡在菌液中試樣的腐蝕程度明顯要輕于海水中的試樣，這與前面通過電化學阻抗譜和極化曲線分析得出的結論一致。隨著溫度的升高，浸泡在菌液中試樣表面的芽孢桿菌貼附量明顯增多，圖6(d)顯示芽孢桿菌及其代謝生成的EPS與試樣表面腐蝕產(chǎn)物融合，起到比單一的腐蝕產(chǎn)物更好的保護效果。對于浸泡在海水中的試樣，可以看出試樣表面呈現(xiàn)出明顯的均勻腐蝕，30 ℃下試樣表面的腐蝕產(chǎn)物明顯增多，腐蝕程度加深。對比浸泡在不同體系下試樣的SEM圖發(fā)現(xiàn)，浸泡在海水中的試樣在浸泡初期已經(jīng)出現(xiàn)明顯的腐蝕，而浸泡在含芽孢桿菌菌液中的試樣則僅發(fā)生輕微的腐蝕，表明芽孢桿菌對Q235碳鋼的腐蝕起到了緩蝕作用。

2.3 能譜分析

圖7為Q235碳鋼在不同體系下的能譜圖。由圖7知，Q235碳鋼的腐蝕產(chǎn)物主要是鐵和氧的化合物，推測可能為鐵的氧化物或者氫氧化物，少量的Mg元素可能來源于海水中溶解鹽。

表3為Q235碳鋼浸泡在海水中和菌液中各元素質(zhì)量百分數(shù)。由表3知，浸泡在菌液中的腐蝕產(chǎn)物中，除了Fe 、O外，還出現(xiàn)了 C與P，且C和P是細菌所分泌出的EPS主要成分，這也側面證實了生物膜的存在。

3 結束語

1)溫度會影響芽孢桿菌在Q235碳鋼的附著，30 ℃時，芽孢桿菌的附著量明顯多于4 ℃時的附著量。

2)芽孢桿菌一定程度上可以抑制Q235碳鋼腐蝕，隨著溫度的升高，芽孢桿菌對金屬腐蝕的緩蝕作用增強。

圖5 Q235碳鋼在不同體系下的極化曲線

圖6 Q235碳鋼在不同體系浸泡不同時間的SEM圖

圖7 Q235碳鋼在不同體系下的能譜圖

表3 Q235碳鋼浸泡在海水中和菌液中各元素質(zhì)量百分數(shù) %

3)芽孢桿菌分泌的EPS與Q235碳鋼表面的腐蝕產(chǎn)物相互融合，可以起到比單一腐蝕產(chǎn)物更好的防護效果。