Ni-P化学镀层表面黏液形成菌微生物污垢特性

武霖，姚响

（1 广东粤电中山热电厂有限公司，广东 中山 528445；2 东北电力大学能源与动力工程学院， 吉林 吉林 132012）

调查表明，90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题[1]。换热设备污垢问题很大一部分是由循环冷却水中产生的微生物污垢引起的。微生物污垢会显著增大壁面的污垢热阻、流动阻力和腐蚀速率，威胁设备安全，造成能源的不必要浪费和经济损失。Swee 等[2-3]实验证明初试阶段生物污垢层是由于多糖附着形成生物凝胶，其可进一步诱导附着的蛋白质、多糖和生物粒子形成黏性附着物。于大禹[4]、曹生现[5]和王大成[6]等基于模拟循环冷却装置，从松花江水中分离出黏液形成菌，并将各水质参数与微生物污垢生长进行了关联研究。徐志明 等[7]对不同流速、温度及浓度下铁细菌在板式换热器内的污垢特性进行了实验研究。关晓辉等[8]利用污垢热阻动态模拟实验台，动态模拟了3 种致垢菌及其混合菌的微生物污垢形成过程。杨倩鹏等[9]在实验室内配制模拟流体进行混合菌种微生物污垢实验。

如何解决换热设备的腐蚀和污垢的问题，一直以来是研究人员关注的热点之一。国内外学者进行了一些抑制或减轻微生物污垢的研究，如使用杀菌剂[10]、脉动流[11-12]等措施，但这些方法较传统。化学镀技术作为解决换热设备防蚀防垢问题的最直接途径，已逐渐应用于换热表面来进行防蚀防垢。杨倩鹏等[13-14]研究了换热表面镀银对微生物污垢的生长与形态的影响，结果表明镀银抑垢效果良好。刘天庆等[15]针对材料的表面自由能、表面粗糙度以及材料之间的界面能对生物垢的影响做了充分的研究。Bohnet 等[16]对碳钢换热表面进行改性处理，实验表明随着表面能的降低结垢诱导期将延长。Lee等[17]研究了在热交换器的换热表面涂上聚四氟乙烯对换热设备性能的影响。化学镀Ni-P 技术是制备金属基功能性涂层的一种方法，目前它的主要应用在于使材料表面形成一层含有硬度高、耐磨性能优异、自润滑性能好的涂层[18]，然而用于换热器防垢方面的报道却很少[19]。程延海等[20]采用化学镀技术获得了不同磷含量的镀层，污垢沉积实验和电化学实验表明，抗垢性能与耐蚀性能有内在的联系。

目前微生物污垢方面有初步的研究，材料领域对化学镀Ni-P 技术有一定的研究，但国内外对化学镀层换热面上微生物污垢的研究较少。本文选用工业循环冷却水中易形成微生物污垢的黏液形成菌作为研究对象，模拟换热面微生物污垢沉积实验，实验中利用在微生物学研究中的生物技术即光电比浊法，研究Ni-P 镀层表面的微生物污垢特性，为碳钢材质换热器提供一种行之有效地防蚀抑垢对策。

1 实验与方法

1.1 黏液形成菌的分离与培养

本实验使用的菌种为从吉林市临江门段松花江水中分离纯化得到的黏液形成菌（HB）。该菌株革兰氏染色呈阴性，生理生化指标和电镜扫描鉴定其为微球菌属。HB 从水中的醇、糖、酸等有机源中获取能量，是冷却水中数量最多的一类有害细菌，它们在冷却水中产生一种胶状的或黏泥状的、附着力很强的沉积物。虽然其本身不直接腐蚀金属，但会引起沉积物下的腐蚀。

黏液形成菌的培养基：蛋白胨10g/L，牛肉膏3g/L，氯化钠5g/L。

黏液形成菌的培养过程：按照上述配方配置培养基，HCl 或NaOH 调培养基pH 值至7.2±0.2，高压蒸汽灭菌锅（型号为YXQ-SG46-280S）中0.1MPa（表压），121℃灭菌20min。在净化工作台（型号为SW-CJ-2FD）中，紫外线照射灭菌15min，将黏液形成菌接种于培养基中，在恒温培养箱（型号为SPX-250B-Z）中30℃恒温培养3 天。培养3 天的黏液形成菌就可以用于微生物污垢实验。

1.2 化学镀的工艺及配方

本实验所采用的化学镀基体材料为低碳钢（规格为Q235A，尺寸30mm×30mm×0.5mm）。镀液配方及温度和pH 值如表1 所示。工艺流程为：砂纸打磨-碱液除油-水洗-酸洗除锈-水洗-活化-水洗-化学镀。其中除油溶液组成：氢氧化钠为30g/L，碳酸钠为50g/L，磷酸三钠为70g/L，OP-10 为4g/L，除锈液为20%硫酸，活化液为10%硫酸。

1.3 实验原理

实验中在烧杯中加入去离子水和铁细菌，模拟换热设备所处的冷却水环境。低碳钢片和具有Ni-P镀层低碳钢片模拟换热设备的表面材料。静态微生物污垢实验装置如图1 所示，低碳钢片和Ni-P 镀层低碳钢片放入烧杯中组成一个微生物污垢实验的简易装置。此装置放置于恒温培养箱中，因为可以保证恒温环境和相对密闭的环境，避免外界环境条件和温度条件对实验的干扰。

表1 镀液配方及工艺参数

图1 静态微生物污垢实验装置图

1.4 光电比浊法测定细菌数量

利用光电比浊法可以测定细菌数量的相对变化情况。光电比浊法所采用的仪器为分光光度计，其原理为：在分光光度计中，当光线通过微生物菌悬液时，由于菌体的散射及吸收作用使光线的透过量降低。在一定范围内，微生物细胞浓度与光密度成正比；而光密度可以通过光电池准确测出，如图2所示。因此，利用分光光度计测定不同培养时间细菌悬浮液的OD 值（光密度），以时间为横坐标OD值为纵坐标绘制生长曲线，可以知道细菌数量的相对变化情况[21]，即菌悬液OD 值越大细菌数量越多，相反菌悬液OD 值越小细菌数量越少。本实验中就是通过测量烧杯中液体的OD 值来得到细菌数量的变化情况。

图2 光电比浊法测定细菌数量的原理

1.5 实验过程

（1）培养细菌 利用上述黏液形成菌菌种及培养基，培养实验所需的细菌。

（2）准备碳钢试片 切割钢材市场购买的低碳钢板，得到尺寸为30mm×30mm×0.5mm 的试片，准备好后利用扫描电镜（型号为JSM-6510）拍摄电镜图。

（3）配置菌悬液 取出在鼓风干燥箱（型号为GZX-9070MBE）中干热灭菌的烧杯（保证烧杯无菌条件），按一定的比例加入黏液形成菌和去离子水，得到实验所需的菌悬液。

（4）化学镀 利用上述化学镀配方及工艺，对低碳钢片进行施镀得到具有Ni-P 镀层低碳钢片。

（5）静态微生物污垢实验 两个烧杯中装入黏液形成菌菌悬液，低碳钢试片和Ni-P 镀层低碳钢片悬挂于两个烧杯中（低碳钢片上钻有孔），最后两个烧杯放置于30℃的恒温培养箱中5 天。

（6）记录数据 在5 天的静止污垢实验中，每隔12h 利用电子天平（型号为ESJ200-4，精度为0.0001g）对低碳片称重，同时每隔12h 利用分度光度计测菌悬液的OD 值。

两个烧杯中的试样和液体情况：烧杯1 中试样为低碳钢片，烧杯2 中试样为Ni-P 镀层低碳钢片；2 个杯中液体均为黏液形成菌菌悬液。

2 实验结果与分析

2.1 实验后试片表面状况对比

为了避免光洁度对实验的影响，在污垢实验前对无镀层的低碳钢表面进行了研磨抛光处理，使其表面光洁度和具有Ni-P 镀层低碳钢片的表面光洁度一致。

经过5 天的静止污垢实验，低碳钢片和具有Ni-P 镀层低碳钢片表面状况及所在烧杯状况如图3、图4 所示。可以看到，低碳钢表面发生严重的腐蚀，表面有黄色氧化物生成，腐蚀产物均匀的分布在整个表面上。也可以看到5 天污垢实验后的烧杯中液体的颜色由原来的白色变为黄色，而且杯底有黄色和白色沉淀物。液体变为黄色是由于腐蚀产物从碳钢片表面脱落，一部分悬浮于水中一部分沉淀到杯底；杯底的黄色沉淀物是腐蚀产物和白色沉淀物是死菌体和代谢产物。对于图4 中Ni-P 镀层低碳钢表面肉眼几乎观察不到任何的腐蚀现象，但表面有少点的白色微生物污垢附着。也可以看到5 天污垢实验后的烧杯中的液体颜色仍为原来的白色，杯底有白色的沉淀物。液体颜色仍为白色没有变为黄色，与悬挂碳钢片的烧杯对比可进一步说明镀层表面基本没有被腐蚀。由于镀层表面十分洁净而且去离子水中除了溶有少量的可溶性有机物外基本没有杂质，说明杯底的白色沉淀物只能为为死菌体和代谢产物。

图3 低碳钢片表面状况及所在烧杯状况

图4 Ni-P 镀层低碳钢片镀层表面状况及所在烧杯状况

从两图对比可以明显看出，对于由黏液形成菌引起的微生物污垢和腐蚀污垢，镀层表面有很好的抗腐蚀性能；但镀层的抗垢性能还需进一步称量镀层试片，利用质量的变化来说明。

2.2 低碳钢片和Ni-P 镀层低碳钢片表面形貌及质量变化情况对比

通过电子扫描电镜（SEM）观测，低碳钢片施镀前后放大200 倍后的表面形貌分别如图5、图6所示。可以看出，从钢材市场采购的低碳钢片表面有明显的宏观缺陷，粗糙不平、有较多孔隙、有成块的大面积凹陷及锈斑和油污，但图片中所示的划痕是在金属初期加工过程中必然会存在的加工痕迹，并不是金属表面本身的缺陷。而且低碳钢在机械加工过程中表面会形成加工变形层和极薄的氧化膜。低碳钢片表面以上的这些缺点都易于微生物污垢的沉积及腐蚀的发生。施镀后碳钢片表面有明显的镀层生长，且镀层覆盖均匀、完整、致密。

图5 低碳钢片放大200 倍SEM 图

图6 Ni-P 镀层放大200 倍SEM 图

由图6 与图5 对比可以看出，Ni-P 镀层表面比低碳钢表面平整，粗糙度小于低碳钢表面，并且无明显的宏观缺陷和锈斑，只有少许的小颗粒凸起。总体来说，有Ni-P 镀层的低碳钢片在表面形貌上要远好于低碳钢片。

经过5 天的静止污垢实验后，低碳钢和具有Ni-P 镀层低碳钢片的质量变化情况如图7 所示。图7 中曲线a 为低碳钢片质量随时间的变化规律，可以看到质量是下降的，这和上文中的低碳钢片和烧杯的照片所看到的现象是吻合的，曲线和图片共同说明了碳钢片表面有腐蚀现象产生。图7 中曲线b为Ni-P 镀层低碳钢片质量随时间的变化曲线，可以看到质量是上升的，质量的上升进一步说明了Ni-P镀层表面无腐蚀现象发生，而是其表面有微生物污垢附着。增加的质量为附着在镀层表面的污垢，质量上升的缓慢而且很少，最多时仅为0.002g，为结垢前镀层试片质量的0.049%，因此Ni-P 镀层低碳钢片具有抗微生物污垢特性。Ni-P 镀层具有抗垢性是因为：污垢组分粒子被输运到壁面后，首先是粒子与壁面的附着，到达壁面的微生物粒子通常不会全部附着于表面而形成污垢，而是少部分附着于表面。但是固体表面的突出或凹陷的部分可以用于成核，在表面成核后才会有大面积的微生物污垢附着。而且附着在壁面上的污垢会重新脱离壁面或污垢层被流动流体带走而发生污垢剥蚀。如果微生物污垢附着于凹陷的部分还会免受主流冲刷，更能稳固地附着于表面[15]。Ni-P 镀层表面是光滑平整，因此不利于黏液形成菌微生物污垢的附着和利于污垢的 剥蚀。

2.3 低碳钢片的质量变化及菌液OD 值变化情况

图7 低碳钢片和Ni-P 镀层低碳钢片质量随时间的变化 曲线

经过5 天的静止污垢实验后，得到低碳钢片质 量随时间的变化曲线和烧杯中液体的OD 值随时间的变化规律如图8。图8 中曲线a 为低碳钢片所在烧杯液体OD 值随时间的变化曲线。从图中可以看出，曲线起初一直处于上升的趋势到最后趋于平稳。前期曲线一直处于上升的趋势起初是由于黏液形成菌的生长繁殖使OD 值上升，后来是黏液形成菌的生长繁殖和腐蚀产物剥落进入溶液共同导致OD 值上升，因而在低碳钢片上产生腐蚀污垢后曲线就不能反应黏液形成菌的生长繁殖规律，所以此曲线就不完全是黏液形成菌的生长曲线。最后曲线趋于平稳是由于死菌体和腐蚀产物沉淀到烧杯底的速度与腐蚀产物从碳钢表面剥落的速度相等。

图8 低碳钢片的质量和菌液OD 值随时间的变化曲线

图8 中低碳钢片质量随时间的变化曲线分为两部分，0～36h 是微生物污垢沉积阶段，36～120h主要是微生物腐蚀阶段。从图中可以看出，0～12h碳钢片的质量减小，因为碳钢片的表面的一些油脂、灰尘等杂质脱离表面导致质量减小。12～36h 是一个质量先缓慢上升然后快速上升的过程，质量上升是因为有微生物污垢沉积于表面，而且从曲线a 中知道24～36h OD 值上升要比12～24h 快，说明24～36h 黏液形成菌生长繁殖速度快于12～24h，生长繁殖快、细菌数量多污垢沉积的相应也就快。36～120h质量一直是下降的，此阶段质量下降是由于黏液形成菌沉积于表面形成微生物污垢后产生了垢下腐蚀，腐蚀产物会剥落导致质量下降。微生物引起低碳钢表面腐蚀有以下两个原因[1]。①浓差电池作用：微生物在金属表面形成黏膜后，微生物繁殖消耗掉氧和其他养分后而导致黏膜厚度方向的浓度差异，形成了浓差腐蚀电池，加速了金属的腐蚀。不仅如此，微生物还会通过代谢产物或作用破坏形成的保护膜，形成局部的活化-钝化电池，被黏膜覆盖区域的金属一般便作为活化区而被腐蚀。②代谢产物的腐蚀作用：微生物的代谢产物多种多样，其中有些代谢产物可直接或间接引起金属的腐蚀。在这一阶段中72～96h 质量下降得比较快，可能是因为此阶段黏液形成菌处于其生命周期的稳定期，细菌数量最多、活性最高和代谢产物最多，所以腐蚀严重。96～120h 质量下降得相对缓慢，可能是因为此阶段黏液形成菌处于衰亡期，细菌的数量减少和活性降低，因而腐蚀速度下降。

2.4 Ni-P 镀层低碳钢片的质量变化及菌液OD 值变化情况

经过5 天的静止污垢实验后，得到具有Ni-P 镀层碳钢片质量随时间的变化曲线和烧杯中液体的OD 值随时间的变化曲线如图9。图9 中曲线a 为Ni-P 镀层低碳钢片所在烧杯液体OD 值随时间的变化曲线，此曲线为黏液形成菌的生长曲线。从图中可以看出，0～24h 黏液形成菌处于调整期，此时期细菌生长缓慢，细胞形态会变大或增长。出现调整期是由于刚接种到去离子水中的种子细胞中，一时还缺乏分解或催化有关底物的酶或辅酶，或是缺乏充足的中间代谢产物，因此为产生诱导酶和合成有关的中间代谢产物需要一段适应的时间。24～60h黏液形成菌处于指数期，此时期细菌生长快速，菌体中酶系活跃，代谢旺盛，核糖体、酶类和ATP 被大量合成。60～96h 黏液形成菌处于稳定期，此时期细菌数量趋于稳定，新繁殖的细菌数与衰亡的细菌数相等。出现稳定期是由于营养物质的耗尽和营养物的比例失调，酸、醇或毒素等有害代谢产物的累积，pH 值、氧化还原势等物理化学条件越来越不适。96～120h 黏液形成菌进入衰亡期，此阶段细菌数量减少，外界环境对生长越来越不利，从而引起细胞内的分解代谢明显超过合成代谢，继而导致大量菌体死亡[22]。

图9 Ni-P 镀层低碳钢片质量和菌液OD 值随时间变化曲线

图9 中曲线b 为具有Ni-P 镀层低碳钢片质量随 时间的变化曲线。在分析中，将曲线a 和曲线b 一起分析，以曲线a 的分析结果为基础对曲线b 进行分析。从曲线b 中可以看出，实验初期质量下降，然后一直上升，最后有一小段趋于稳定然后下降。0～12h 质量下降，因为镀层的表面同样存在一些油脂、灰尘等杂质脱离表面导致质量减小。12～96h质量上升，说明此时镀层表面不断有微生物污垢沉积。其中12～36h 质量上升缓慢，因为此时细菌处于调整期，菌体数量和代谢产物较少，在镀层表面沉积的微生物污垢较少。36～60h 质量上升较快，因为此时菌体处于指数期，菌体数量和代谢产物增加的很快，在镀层表面沉积的微生物污垢就会很多。60～96h 质量上升最快，因为此时细菌处于稳定期，菌体数量和代谢产物是最多的，在镀层表面沉积的微生物污垢较前阶段都快。96～120h 质量趋于稳定并有下降的趋势，因为此时处于衰亡期，菌体数量因死亡会减少。而且由于微生物的死亡而不再黏附于表面，导致微生物污垢从表面剥落。

2.5 污垢实验后试片微观形貌对比

经过5 天的微生物污垢实验，利用扫描电镜拍摄得到低碳钢片和Ni-P 镀层放大500 倍的SEM 图如图10、图11 所示。从图10 中可以看到试片表面有白色物质，此白色物质为黏液形成菌微生物污垢。从图3 中已经可以看出试片表面有腐蚀产物，从此SEM 图可进一步得出表面的腐蚀产物已经发生断裂现象，有的腐蚀产物即将从基体上脱落下来。

从图11 中可以看到表面只有少许的白色物质，此白色物质也为黏液形成菌微生物污垢。还看到试样表面只是由原来的银白色变成黑色，变黑是由于试片表面发生轻微的微生物腐蚀，而且镀层表面无裂纹与剥落。

从两SEM 图的对比得知，碳钢表面有裂纹与剥落现象而镀层没有，说明镀层有较好的抗微生物腐蚀特性; 碳钢表面有大量的白色物质即黏液形成菌微生物污垢而镀层表面只有少量，说明镀层有较好的抗微生物污垢特性。

图10 低碳钢片污垢实验后的SEM 图

图11 Ni-P 镀层低污垢实验后的SEM 图

3 结 论

（1）对于由黏液形成菌引起的腐蚀，Ni-P 镀层相比于碳钢表面具有很好的耐蚀性。

（2）Ni-P 镀层有较好的抗黏液形成菌微生物污垢的特性。

（3）黏液形成菌的生长繁殖状况、细菌数量及代谢产物数量与微生物污垢的形成有一定的内在联系。菌体生长繁殖旺盛和细菌代谢产物多时，微生物污垢形成得快。相反，微生物污垢形成得慢。

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