不同温度下芽孢杆菌对船用Q235碳钢的缓蚀分析

2021-01-05侯明宇白秀琴贺小燕

中国修船 2020年6期

侯明宇，白秀琴，贺小燕

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430063)

数据显示,全世界每年因腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的3.4%，由海水引起的金属材料的腐蚀约占金属材料总腐蚀损失的1/3，我国每年的腐蚀成本占全部GDP的3.34%，总额超过21 000亿元人民币[1]。海水腐蚀不仅造成了巨大的经济损失，它造成的海洋设备失效也给工作人员生命安全带来了严重威胁。

传统的防护方式如在船舶表面涂防护涂料或者阴极保护技术,存在着不环保、经济性差等局限性，因而寻找一种环保的防护方式是形势所趋。近年来海洋微生物作为一个重要的环境因素越来越引起人们的关注，由微生物引起的腐蚀叫做微生物腐蚀,其是指微生物能够在不改变其电化学性质的情况下启动、促进或加速腐蚀反应的任何过程的统称[2]。目前的研究一般认为微生物会加速金属的腐蚀[3-4]，然而有研究表明芽孢杆菌会抑制金属的腐蚀[5]。芽孢杆菌是一种常见的海洋菌种，关于它对金属缓蚀行为的研究较少，关于不同温度下芽孢杆菌缓蚀效果的研究几乎没有，而温度是影响海洋腐蚀的一个重要的环境因素[6-7]，同时温度对于细菌的代谢有着重要的影响。因此，设计浸泡试验探究不同温度下芽孢杆菌的缓蚀效果，最终得出芽孢杆菌缓蚀机理。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验选用的材料为常见船用钢材Q235碳钢，其化学成分如表1所示。

表1 Q235碳钢化学成分 %

Q235碳钢试样均被加工成直径为10 mm、厚度为3 mm的圆柱体，其圆形工作面积为0.785 cm2，并依次用180#、240#、400#、600#、1 000#、1 200#和2 000#的SiO2金相水砂纸逐级打磨，在更换不同规格砂纸打磨时，用去离子水冲洗样品表面，尽量冲掉表面的残余磨粒以提高打磨效果。使用抛光布与粒度为0.5 μm的氧化铝悬浮抛光液对打磨后的Q235碳钢表面进行抛光处理，然后样品依次经过去离子水冲洗，丙酮浸泡脱脂，无水乙醇脱水与超声清洗。

经上述处理后的样品被放入真空干燥箱中，在37 ℃下干燥24 h后，取出并置于紫外灯下灭菌，保存于无菌工作台中备用。Q235碳钢试样的抛光面作为工作表面，其他非工作面使用环氧树脂密封并与铜芯导线相连接以用于电化学试验。

1.2 菌种来源及培养

试验所用的芽孢杆菌来源于海洋微生物菌种保藏管理中心，菌种编号为MCCC 1A00791。为了模拟实际情况，采用2216E液体培养基(成分为鱼粉蛋白胨5 g/L，酵母粉1 g/L以及人工海水)，加入营养成分后，需要用NaOH溶液将培养基pH值调节至7.4～7.6之间，而后将培养基放置在121 ℃、1.1 MPa条件下的高温灭菌锅内，灭菌20～25 min，取出后放在无菌工作台内自然冷却至室温。按无菌操作方法将处于休眠状态的芽孢杆菌二次活化后，以10%的比例接种于新鲜的培养基中，置于30℃恒温震荡培养箱(HZQ-2型)中进行培养，将培养至对数生长期的芽孢杆菌转移到40 mL装有液体培养基的锥形瓶中，细菌和液体培养基的比例为1∶50左右，试验期间每隔3天更换一次培养液，每次更换2/3的培养液。

1.3 电化学测试

电化学测试采用传统的三电极体系，饱和甘汞电极作为参比电极，面积为10 mm×10 mm的铂片作为辅助电极，电解液为质量分数3.5%的NaCl溶液，在常压、25 ℃下进行，电化学工作站的型号是CS350型。动电位极化曲线测试电位为-300～300 mV，扫描速度为1 mV/s。交流阻抗谱测试频率为10-2～105Hz，正弦波交流激励信号幅值为±10 mV，测得数据用Zview软件拟合处理。

1.4 腐蚀试样表面分析

取出用于表面分析的腐蚀试样，浸泡于2.5%的戊二醛溶液中，在4 ℃的冰箱中静置2 h，依次用不同体积分数的梯度乙醇溶液进行脱水处理。用型号为TESCANVEGA3的扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀产物的形貌，并配合使用X-stream2 SDD型能谱仪分析腐蚀产物的成分。

2 测试结果与分析

2.1 电化学测试结果

1)开路电位测试。图1为Q235碳钢在不同体系下的开路电位图，从图1知，不同温度下浸泡在菌液中的Q235碳钢腐蚀行为不同，30 ℃菌液下试样的开路电位在第1 天就达到了最低，而4 ℃试样的开路电位在第3 天才到达最低，这可能与细菌的代谢以及在Q235碳钢上的贴附程度相关。此外，不同温度下Q235碳钢在海水中的腐蚀行为也不相同，这可能与锈层的致密度以及厚度相关。对比分别浸泡在菌液和海水中试样的开路电位，可以看出二者的开路电位随时间变化规律并不相同，说明在菌液培养环境下，芽孢杆菌确实起到了作用。

图1 Q235碳钢在不同体系下的开路电位图

2)交流阻抗谱测试。图2为Q235碳钢在不同体系下的阻抗Nyquist图。从图2知，浸泡在2种介质下试样的阻抗随时间变化相似，试样的阻抗值均呈现先增大后减小的变化趋势，且均在第3 天阻抗值达到最大，这表明第3 天的腐蚀速率最小。

为了更好地分析Q235碳钢的阻抗特性，采用Zview软件对阻抗谱图进行拟合，等效电路图见图3和图4，其中Rs表示溶液电阻，Rb表示生物膜电阻，Rc表示腐蚀产物电阻，Qb表示生物膜电容，Qc表示腐蚀产物电容，Qdl表示双电层电容，Rct表示电荷转移电阻，拟合参数见表2。

图2 Q235碳钢在不同体系下的阻抗Nyquist图

图3 不同温度下细菌对应的等效电路图

图4 不同温度下海水对应的等效电路图

表2 不同体系下阻抗谱拟合数据

表2给出了对应的等效电路元件参数。试样的极化电阻Rp包括生物膜电阻、腐蚀产物电阻和电荷转移电阻(Rp=Rb+Rc+Rct)，极化电阻的大小与试样的腐蚀速率成反比。试样未浸泡时的极化电阻为2 700 Ω·cm2，样品浸泡在菌液中1 d后，金属的极化电阻下降为1 925.9 Ω·cm2，此时试样裸露在海水中，受到大量腐蚀性阴离子以及海水溶解氧的腐蚀，而此时芽孢杆菌主要游离在培养基中，仅有少量附着于金属表面，起到的保护作用有限。1～3d试样表面产生锈层，同时芽孢杆菌部分贴附于金属表面，起到一定的保护作用，试样极化电阻增加。2种温度下的不同之处在于，30 ℃时细菌代谢旺盛分泌较多的胞外聚合物(EPS)，比4 ℃时具有更好的强度和黏性，有助于芽孢杆菌在试样表面的附着成膜。从表2可以看出，30 ℃下试样的Rb明显大于4 ℃下试样的Rb，表明30 ℃下试样表面的生物膜——腐蚀产物膜所起到的效果更好，但温度的增加也加速了腐蚀性离子的扩散速度(比较Rct的值)，最终结果使得30 ℃下试样的极化电阻小于4 ℃下试样的极化电阻。试样浸泡第7天时，通过查阅芽孢杆菌的生长曲线可知，芽孢杆菌在第5天的时候已经处于生长的衰亡期[8]，此时2种温度下芽孢杆菌的活性均大幅度下降，试样的极化电阻减小。

由表2知，同一温度下均有浸泡在菌液中试样的极化电阻小于浸泡在海水中试样的极化电阻，表明芽孢杆菌对金属的腐蚀起到了缓蚀作用。此外，浸泡在海水中试样的腐蚀产物电阻明显小于浸泡在菌液中试样的生物膜电阻，且不同温度下试样的腐蚀产物电阻相差不大，浸泡第7天时，浸泡在海水中试样的腐蚀产物阻抗均为100 Ω·cm2左右，表明相比于海水中试样表面的腐蚀产物，菌液中的芽孢杆菌对于金属腐蚀的抑制效果更为明显。

3)极化曲线分析。图5为Q235碳钢在不同体系下的极化曲线。由图5知，1～7 d，不同体系下试样的自腐蚀电流密度均先减小后增加，这与通过电化学阻抗谱得出的结论一致，通过Tafel外推法可以计算出试样的自腐蚀电流密度。当温度由4 ℃升高至30 ℃时，浸泡在海水中1 d的试样的自腐蚀电流密度由5.22 μA增加至7.89 μA，浸泡在菌液中1 d的试样的自腐蚀电流密度由2.63 μA增加至6.04 μA，第7天时浸泡在海水中试样的自腐蚀电流密度已经达到了8.81 μA，这表明温度明显加速了试样的腐蚀。对于芽孢杆菌体系，温度的升高使得芽孢杆菌代谢旺盛，消耗更多的氧气，同时金属表面形成的生物膜也起到抑制了金属腐蚀的作用，然而相比于4 ℃、30 ℃下Cl-等腐蚀性离子更容易到达金属表面，对金属造成腐蚀，即试样的自腐蚀电流密度由芽孢杆菌和海水中腐蚀性离子的活性共同决定。而对于灭菌海水体系，试样的自腐蚀电流密度只取决于温度变化所引起的海水中腐蚀性离子的活性变化，4 ℃时浸泡在菌液中3d试样的自腐蚀电流密度为1.02 μA，要小于4 ℃时浸泡在海水中的4.45 μA，30 ℃时浸泡在菌液中3 d试样的自腐蚀电流密度为2.54 μA，要小于30 ℃时浸泡在海水中的6.39 μA，可以看出同一温度下均有浸泡在菌液中试样的自腐蚀电流密度较小，表明浸泡在菌液中试样的腐蚀受到了抑制。

2.2 腐蚀产物形貌分析

图6为Q235碳钢在不同体系下的SEM图。从图6中可以清晰的看出，同温度下浸泡在菌液中试样的腐蚀程度明显要轻于海水中的试样，这与前面通过电化学阻抗谱和极化曲线分析得出的结论一致。随着温度的升高，浸泡在菌液中试样表面的芽孢杆菌贴附量明显增多，图6(d)显示芽孢杆菌及其代谢生成的EPS与试样表面腐蚀产物融合，起到比单一的腐蚀产物更好的保护效果。对于浸泡在海水中的试样，可以看出试样表面呈现出明显的均匀腐蚀，30 ℃下试样表面的腐蚀产物明显增多，腐蚀程度加深。对比浸泡在不同体系下试样的SEM图发现，浸泡在海水中的试样在浸泡初期已经出现明显的腐蚀，而浸泡在含芽孢杆菌菌液中的试样则仅发生轻微的腐蚀，表明芽孢杆菌对Q235碳钢的腐蚀起到了缓蚀作用。