金属材料的微生物腐蚀机理及防护

金属材料的微生物腐蚀机理及防护

董建峰

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摘要：机械行业作为我国社会发展中的重要行业之一，其发展程度与我国社会经济发展有着一定联系。金属材料作为机械制造业中非常重要的原材料之一，其质量高低将直接影响机械制造的生产质量。笔者了解到在金属材料的使用过程中，影响金属材料使用质量的关键因素之一就是腐蚀程度。因此，在机械制造行业的不断发展过程中，不断有研究学者就金属材料的抗腐蚀性进行研究、探讨，主要目的在于提高金属抗腐蚀性，保证机械制造正常生产。

关键词：金属材料；微生物；腐蚀机理；防护

描述微生物腐蚀的发展情况，微生物腐蚀所带来的危害，微生物腐蚀发生的条件和反应机理，阐述因微生物腐蚀而造成的金属材料失效的案例。依据因微生物的存在而造成金属材料发生腐蚀的案例进行分析，结合微生物的生命活动和产生的生物膜等因素，分析造成金属材料失效的原因。综合微生物腐蚀反应的机理，从传统微生物腐蚀防治的角度和新的形式微生物腐蚀防治手段，阐述微生物腐蚀的防护研究情况。结合此情况，对微生物腐蚀防护方法和防护材料发展的方向进行展望。

1微生物腐蚀反应机理

微生物腐蚀（MIC）的种类繁多，且反应机理复杂，在自然界中，含有很多种类的微生物，其中微生物腐蚀主要以细菌腐蚀为主，因为细菌引起的微生物腐蚀最为严重，并且由于细菌能在金属表面生成生物膜，生物膜的存在会使金属的电化学性能发生改变，改变金属表面状态，由此对腐蚀速度产生影响。

1.1微生物腐蚀传统机理

腐蚀发生的本质实际上就是一种电化学过程，但微生物腐蚀的机理相比于普通的腐蚀的机理更为复杂，因为材料所处的环境不同，微生物的种类不同，发生的机理也不相同。

1.1.1阴极去极化理论

此理论认为硫酸盐还原菌（SRB）体内存在一种氢化酶在把SO42-转换为H2S时，将金属阴极表面生成的电化学意义上的H消除而导致局部分压的降低，从而在阴极起到了去极化的作用。SRB消耗了金属表面的阴极氢来进行生长，Fe转化为Fe2+在SRB的帮助下更容易进入到溶液中，之后Fe2+和S2-，OH-分别生成二次腐蚀产物FeS和Fe（OH）2，最终导致形成内外氧浓差电池，加速腐蚀。

1.1.2代谢产物去极化理论

SRB进行生命活动生成H2S，H2S与Fe快速反应生成二次腐蚀产物FeS，导致腐蚀速度加快。H2S为SRB的代谢产物导致金属加速腐蚀，H2S与水反应生成HS-也会加速腐蚀。所以由于二次腐蚀产物FeS和SRB的代谢产物H2S的共同作用导致腐蚀速度加快。

1.1.3氧浓差电池理论

微生物生成的生物膜分布不均的覆盖在金属表面，导致氧的扩散不均匀，造成内外产生氧浓度差，生成氧浓差电池，导致局部腐蚀加快。

1.2生物阴极催化硫酸盐还原机理

生物阴极催化硫酸盐还原机理（BCSR）和传统理论角度不同，从生物能量学角度，提出胞外电子传递的概念，来对微生物引起的腐蚀从另一个角度重新进行阐述。根据此理论，好氧细菌对金属的腐蚀具有正向作用，因为好氧细菌的生物膜可以阻碍氧的扩散，致使氧气到达金属的表面极为困难，从而降低了金属腐蚀的速度，但对于厌氧细菌，在相对于较为底层的生物膜附着在金属上在溶液中很难获取到碳源，所以为了维持生命活动，厌氧菌只能通过腐蚀金属来获取生命活动所必要的能量。

2微生物生物膜与腐蚀的关系

生物膜是由凝胶相和一种或几种细菌本体和胞外聚合物（EPS）等所组成的复杂的混合物。生物膜对金属的腐蚀产生起到了至关重要的作用。传统理论认为当生物膜在金属表面呈现出不完整的状态，则会在表面形成氧浓差电池，当存在较为活跃的微生物时，电位较负作为阳极，而不存在或很少量存在微生物时，电位较正作为阴极。根据生物电化学研究成果表明，生物膜导致金属发生腐蚀是因为生物膜上所附着的细菌通过直接或间接的方式从金属材料中获得电子，通过电子的交换导致腐蚀速度加快。但生物膜的腐蚀特性是具有两面性的，当胞外聚合物浓度较低时会抑制腐蚀，当生物膜作为组织腐蚀产物接触金属基体时也会阻碍腐蚀。但生物膜的存在会导致形成浓差电池则会加速腐蚀，并且当胞外聚合物浓度较高时也会加速腐蚀。

3金属材料对微生物腐蚀的防治

3.1微生物腐蚀基本防治的方法

目前金属材料对微生物腐蚀基本防治的几个方法。化学方法，化学杀菌方法是目前金属材料对微生物腐蚀防治最常用的方式，常用的化学杀菌剂包含为氧化性杀菌剂和非氧化性杀菌剂两种。物理方法，通过用紫外线照射杀菌或超声波杀菌的办法。生物防治通过与其他种类微生物之间的竞争关系来进行杀死微生物。防护性涂层，通过对金属表面涂上一层疏水涂层，使金属表面足够光滑，来防止微生物附着。或使用抗菌涂层杀灭细菌。

3.2新型微生物防治方法

新型方法是向金属中添加Cu合金元素，将管线钢中添加1.0%Cu合金元素在经过500℃时效处理1h后，析出富Cu相，使得细菌的细胞壁细胞膜破裂，杀死细菌。将常规的L245NCS管线钢中添加Cu元素来应对页岩气田环境中的微生物腐蚀，也起到了明显的效果。

3.2.1加入Cu合金对材料力学性能的影响

在管线钢中添加Cu合金元素再经过时效处理后，可以增加新型管线钢中的典型针状铁素体结构，这种结构中包含大量高密度位错和混乱分布的铁素体，更能提高钢的韧性，经轧制时效处理后，新管线钢的抗拉强度和屈服强度均有不同程度的提高，但延伸率略有降低。

3.2.2加入Cu合金对材料耐蚀性能的影响

将新型钢和传统钢分别放入接菌土壤中进行极化电阻和腐蚀电流密度的测量。从线性极化电阻图中可以明显地看到添加了1.0Cu的材料中线性极化电阻明显高于原始材料，腐蚀速度小于原始材料。从腐蚀电流密度曲线可以清楚地看出，随着时间的增加，添加1.0Cu的材料的腐蚀电流密度明显低于原材料，经过分析得出结论由于细菌的减少导致腐蚀速度明显降低，Cu在材料中经过时效处理析出富Cu相对杀死细菌起到了至关重要的作用，并且对材料力学性能没有很大负面影响。这也为未来发展新型抗微生物腐蚀开辟一条新的途径。

4结论

腐蚀在日常生活中是一个常见的过程。微生物导致的腐蚀问题日益突出，但我们对微生物腐蚀的认识和了解程度还远远不够。微生物腐蚀还有很多机理尚未清楚，探究生物膜与腐蚀速度之间的明确关系，从而找到控制或者利用生物膜来减轻微生物腐蚀的方式。当然也应该突破传统的微生物腐蚀的防治方式，因为传统的微生物腐蚀防治方式会对环境造成不良影响和其他一些危害，所以应该探索一些新的防治方式例如向金属中添加Cu合金元素来进行微生物防治。就此种方式来说有几种设想：1）Ag也具有一定的杀菌作用，是否可以向金属中添加Ag来起到更好的抗菌性，2）添加Cu合金元素具体杀菌过程的分析，3）同时添加Cu和其他元素是否会有更好的效果。此种方案为微生物腐蚀的防治提供了一个很好的研究案例，为未来我们探究新型的抗菌方式提供了新的方向。

参考文献

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