海洋微生物腐蚀316不锈钢行为的研究

论文摘要

海洋环境中金属材料的微生物腐蚀(MIC)是一个严重的问题,涉及到巨大的安全隐患和经济效益。随着人们对海洋的广泛开发和利用,海洋环境海底输送管线、海上采油平台、海底采矿设备等金属材料构建物的MIC引起了人们广泛的关注。海洋环境下金属材料的MIC是一个复杂的过程,其腐蚀发生机制及对金属材料腐蚀的影响程度仍然不确定,因而,研究涉海材料表面微生物膜的成膜规律、结构特点以及生物膜和电化学行为之间的关系,对于理解微生物腐蚀特殊机制,发展金属材料在海洋环境中的应用至关重要。本文采用微生物学方法、表面分析技术和电化学方法对316不锈钢材料在海洋混合微生物培养基介质和无微生物培养基介质中不同培养周期的腐蚀行为进行对比实验,研究了316不锈钢表面附着微生物膜的形成规律、微生物膜和膜内微生物的生理活动对金属电化学行为的影响。用最大可能菌数法(MPN)测定了培养基中细菌数量,绘制细菌生长曲线,得到了海水混合微生物的生长规律(分为四个生长周期:迟缓期、对数生长期、稳定生长期、衰亡期)。TEM结果显示培养基中的微生物以二元式分裂法生长繁殖,得到四种形态细菌。AFM研究了在有菌介质中浸泡不同时间的不锈钢表面生物膜的形成及分布,随着时间的增加,微生物膜增厚但分布不均且不完整,易形成腐蚀微电池,裸露金属作为阳极而发生严重的局部腐蚀。SEM观察到316不锈钢在有菌培养基介质中浸泡60d后形成疏松的生物膜,生物膜下出现了局部腐蚀坑且向纵深发展。金属表面生物膜产生的生物膜/金属之间的环境和溶液介质中的环境是根本上不同的,用自腐蚀电位,极化曲线和电化学阻抗谱的电化学特征有效的评测了316不锈钢海洋微生物作用下的腐蚀行为和腐蚀机制的变化。自腐蚀电位表明,不锈钢在有菌和无菌情况下的自腐蚀电位变化规律不同,有菌介质中的自腐蚀电位经历了先负移后正移最后趋于稳定的变化趋势。极化曲线表明了微生物膜没有改变电极阴极的极化类型和控制步骤,氧扩散控制阴极过程。对比无菌环境,有菌环境中不锈钢电极阴极电流密度增大,阴极去极化作用明显,腐蚀电位负移。微生物的存在使钝化膜破裂和孔蚀发生,有菌的阳极极化曲线的钝化区内出现了强电流峰值,且钝化电流大,腐蚀电位低,钝化区负移。有微生物膜电极的交流阻抗谱比无微生物膜的容抗弧直径减小,电极电荷转移电阻变小,阻抗谱向低频移动并出现了两个时间常数,生物膜促进了金属表面电荷转移过程而加速了局部腐蚀。材料表面的钝化膜和微生物膜构成了特殊的双层表面膜结构,采用基于双层表面膜的等效电路拟合能够较好的解释微生物对材料的特殊腐蚀行为和机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 微生物腐蚀研究
• 1.1.1 微生物腐蚀研究概况及进展
• 1.1.2 微生物膜形成
• 1.1.3 微生物腐蚀机制
• 1.1.3.1 形成氧浓差电池腐蚀机制
• 1.1.3.2 微生物产酸腐蚀机制
• 1.1.3.3 硫酸盐还原菌的腐蚀机制
• 1.2 微生物腐蚀研究方法
• 1.2.1 现代生物学技术
• 1.2.2 现代表面分析技术
• 1.2.2.1 原子力显微镜（AFM）
• 1.2.2.2 扫描电镜或环境扫描电镜（SEM/ESEM）
• 1.2.2.3 傅立叶红外光谱（FTIR Spectroscopy）
• 1.2.3 电化学分析技术
• 1.2.3.1 腐蚀电位（ECIRR）
• 1.2.3.2 极化曲线（PC）
• 1.2.3.3 电化学交流阻抗谱（EIS）
• 1.2.3.4 极化电阻（Rp）
• 1.2.3.5 电化学噪声技术（ENA）
• 1.2.4 化学分析方法
• 1.3 不锈钢微生物腐蚀破坏形式
• 1.3.1 不锈钢海水腐蚀特性
• 1.3.2 不锈钢微生物腐蚀形态
• 1.3.2.1 点蚀
• 1.3.2.2 缝隙腐蚀
• 1.4 不锈钢微生物腐蚀的防护方法
• 1.4.1 清洗
• 1.4.2 杀菌剂
• 1.4.3 阴极保护
• 1.5 课题来源、研究内容及方法
• 2 微生物腐蚀实验
• 2.1 实验
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验设备
• 2.1.3 实验试剂
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 培养基的制备及菌种接种实验
• 2.2.2 细菌生长曲线的测定
• 2.2.3 不锈钢表面附着微生物及生物膜形貌观察
• 2.2.4 不锈钢表面的生物膜和腐蚀形貌SEM 观察及EDS 分析
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 细菌生长曲线分析
• 2.3.2 不锈钢表面附着微生物和生物膜形貌观察
• 2.4 本章小结
• 3 不锈钢微生物腐蚀行为及影响
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验材料和设备
• 3.1.2 实验试剂见2.2.2
• 3.1.3 试样的处理
• 3.1.4 电化学实验介质
• 3.1.5 电化学测试
• 3.1.5.1 自腐蚀电位
• 3.1.5.2 动电位极化曲线
• 3.1.5.3 交流阻抗谱
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 自腐蚀电位
• 3.2.2 动电位极化曲线
• 3.2.3 交流阻抗谱
• 3.2.4 交流阻抗谱等效电路模拟
• 3.3 本章小节
• 4 总结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文