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热带海洋气候下钢在一种硫氧化菌海水中的长期腐蚀行为及其机理研究

张伟雄  
【摘要】:随着人类对海洋资源需求的不断增加,对海洋的开发与探索已成为必然的发展趋势,因此海洋环境中金属材料的腐蚀与防护越来越被人们所重视。碳钢由于其优异的力学性能和高性价比被广泛应用于码头、海上钻井平台、海底管道等海洋设施中,但在海洋环境中其仍面临微生物腐蚀所造成的威胁。在实验室的前期工作中,我们发现浸泡于自然海水中的碳钢样品腐蚀产物中有大量硫氧化菌的存在,而硫氧化菌引起微生物腐蚀的机理尚不清楚,关于硫氧化菌对碳钢腐蚀行为的影响也鲜有报道。因此研究硫氧化菌对碳钢长期腐蚀行为的影响具有实际与重要意义。本研究通过对浸泡在自然海水中3个月的碳钢样品腐蚀产物中的微生物进行富集、筛选培养,分离得到一株单菌WP1,通过鉴定、比对、构建发育树,确认菌株WP1为反硝化盐单胞菌(Halomonas denitrificans),将细菌培养在含有10 g/L的Na_2S_2O_3海水中,14天时有菌海水中的SO_4~(2-)浓度较Na_2S_2O_3无菌海水中高出141%,证明了Halomonas denitrificans可以氧化Na_2S_2O_3,为硫氧化菌。为了研究Halomonas denitrificans作为硫氧化菌对45钢腐蚀行为的影响及其腐蚀机理,我们利用失重法、电化学阻抗谱(EIS)、极化曲线、扫描电子显微镜测试(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)等方法研究了其在Na_2S_2O_3海水中及不同碳源含量培养基中对碳钢腐蚀过程的影响,并研究了从菌液中分离得到的胞外聚合物(EPS)对45钢腐蚀行为的影响。结果表明在有菌海水中,总阻抗值在1-14天时增加,在14-21天时减小,21-120天时再次增加,且总阻抗在21-120天时小于含Na_2S_2O_3无菌海水中的,而其极化曲线中的I_(corr)在1-14天时减小,14-21天时增加,在21-120天时持续减小,有菌海水中的I_(corr)在21-120天时大于含Na_2S_2O_3无菌海水中的,这些结果与平均腐蚀速率相一致,说明Halomonas denitrificans的存在促进了45钢在Na_2S_2O_3海水中的长期腐蚀。去除腐蚀产物后,在有菌海水中浸泡的样品表面可以观察到比含Na_2S_2O_3无菌海水中更严重的局部腐蚀,表明在长期腐蚀过程中Halomonas denitrificans使45钢的局部腐蚀变得更加严重。无论在Na_2S_2O_3无菌海水还是有菌海水中,腐蚀产物的主要成分均为Fe S与Fe_3O_4,表明Halomonas denitrificans的存在并不改变45钢在Na_2S_2O_3海水中浸泡产生的腐蚀产物。经过3天的预培养和7天在不同含碳量培养基中的浸泡,在20%含碳量的培养基中浸泡的45钢腐蚀速率最高,且受到的局部腐蚀最严重,增加培养基中的含碳量,浸泡在其中的样品腐蚀速率降低,其表面的局部腐蚀情况相较于含碳量为0%和20%的培养基中也较为轻微。45钢在低含碳量培养基中受到的腐蚀更加严重表明Halomonas denitrificans引起的45钢在Na_2S_2O_3海水中的腐蚀为胞外电子运输引起的微生物腐蚀(EET-MIC)。提取培养后菌液中的EPS,45钢样品在不同浓度EPS含Na_2S_2O_3无菌海水中腐蚀速率的大小关系为:0.06 g/L0.6 g/L0.006 g/L0 g/L,表明Halomonas denitrificans代谢产生的EPS抑制了45钢在含Na_2S_2O_3无菌海水的腐蚀,当浓度为0.06 g/L时,EPS对45钢腐蚀的抑制效果最好。


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