铁锰氧化菌及硫酸盐还原菌在典型水环境中对金属腐蚀的影响研究
摘要
铁细菌和硫酸盐还原菌（SRB）是最常见的导致金属材料腐蚀失效的两种微生物，它们在金属基体表面的附着、生长、新陈代谢及死亡等生命活动导致了金属表面状态、金属/介质界面结构及附近化学成分的改变，由此引起材料的腐蚀。而另一方面，水环境中铁细菌的存在使钝态金属的腐蚀电位出现正移也预示着铁细菌应用到微生物燃料电池的生物阴极成为可能。
本文对舟山实海暴露的Q235试片进行了为期3年连续的电化学检测，同时对其锈层中铁细菌，SRB及异养菌的含量进行测定，并进行了实验室研究，分析了细菌含量对暴露于海水中Q235试样的腐蚀速度的影响。研究结果表明Q235试样在实海暴露初期，由于金属裸露在海水中，腐蚀速度较快，然而随着暴露时间的延长，Q235钢表面生成的锈层对金属起到了一定保护作用，腐蚀速度减缓。在实海暴露2个月后，Q235钢的腐蚀速度主要受温度和锈层等因素的共同影响，但温度仍为影响腐蚀的主要因素。分析表明，Q235在海水中生成锈层的内锈层的主要由黑色的Fe_3O_4构成，而外锈层主要成分则是红色的Fe_2O_3，这是由于内外锈层发生的腐蚀分别由SRB和铁细菌控制的缘故。
论文在实验室条件下就铁细菌，SRB对自来水中304不锈钢的腐蚀影响进行了电化学研究。研究结果表明，304SS在除氯的无菌自来水中处于钝态，自来水中铁细菌的接种导致不锈钢表面形成微生物膜，对不锈钢基体起到了保护作用，在一定程度上提高了不锈钢的耐蚀性。在接种了SRB的自来水中浸泡初期，由于SRB在不锈钢表面附着并将溶液中的SO_4~(2-)还原成S~(2-)，导致不锈钢腐蚀的加剧。浸泡中期不锈钢表面生物膜及腐蚀产物的加厚在一定程度上阻碍了SRB酸性代谢产物侵蚀金属基体，腐蚀有所减缓。而在浸泡后期，外部侵蚀性物质向生物膜及腐蚀产物覆盖下的金属表面扩散，导致基体腐蚀的加剧。利用电化学噪声技术可以有效地判断微生物膜及腐蚀产物覆盖下金属基体的腐蚀状况。
论文还对接种了铁锰氧化菌L. discophora SP6的ATCC MSVP1917培养基中，玻璃碳及304不锈钢电极腐蚀电位正移的影响因素进行了分析。研究结果表明，在铁锰氧化菌量一定的条件下，电极材料、电极表面粗糙度、溶液中溶氧量等因素对被研究材料的腐蚀电位正移均有不同程度影响。对电极施加不同程度的极化，以及对电极表面进行聚赖胺（PLL）预涂，也会改变电极腐蚀电位的正移幅度。这对采用L. discophora SP6或者其它微生物作为生物阴极的生物燃料电池的设计，尤其是如何提高电池效率具有启发性意义。
Iron oxidizing bacteria (IOB) and sulfate reducing bacteria (SRB) are well known fortheir attaching, growing and metabolizing on the metal surface and introducingcorrosion to the metal thereby by changing the surface status of metal, altering themetal/medium interface and chemical composition of the medium nearby. On theother hand, iron oxidizing bacteria in water environment will ennoble the corrosionpotential of passivated metal, which could be utilized in bio cathode of microbial fuelcell (MFC).
In this study, Q235carbon steel samples have been exposed in Zhoushan corrosiontesting base for3years for continuous dynamic electrochemical tests. In the meantime, the bacteria amount within the rust layer of Q235samples were measured atdifferent time point during the exposion. The influence of bacteria amount oncorrosion speed was studied. Result shows that the initial corrosion speed of Q235steel was relatively high, however the corrosion speed decreased with exposing timebecause of the out rust layer coming into being on the metal surface which protectedinner metal from corroding. After exposing for2months, the corrosion speed of thesample was mutually controlled by temperature and rust layer and temperature wasthe crucial factor. XRD shows the inner rust layer is mainly composed of black Fe_3O_4,and outer layer of red Fe_2O_3due to SRB and iron oxidizing bacteria controlling thecorrosion process in inner and outer rust layer respectively.
In this dissertation, the corrosion electrochemical behavior of304stainless steel wasstudied in sterilized tap water with and without inoculation of iron oxidizing bacteriaand SRB. Results showed that304stainless steel was passivated in dechlorinatedsterilized tap water. The microbial film developed on the substrate after iron bacteriawere inoculated in the tap water and protects substrate from corroding in some extent.In tap water system with SRB inoculation, SRB attached on the surface of304stainless steel and reduced SO_4~(2-)to S~(2-)after inoculation, which led to corrosion. Ascorrosion proceeded, the microbial films formed by SRB and the corrosion productsacted as protective layer for the inner substrate, therefore the corrosion slowed down.Later when corrosive substance spread inside the layer, corrosion was sped up again. Electrochemical noise (EN) analysis could be used to effectively detect corrosionunderneath outside layer.
In ATCC MSVP1917medium, the factors influenced the ennoblement of glassycarbon and304stainless steel by L. discophora SP6were analyzed. Results showthat factors such as substrate material, initial roughness of substrate, oxygenconcentration and so on place different influence on substrate potential ennoblementwhen L. discophora SP6was inoculated. Varied external polarization to the substrateand prepainting certain biological activated matter like PLL on the substrate will alsochange the ennoblement range, which is instructive for utilizing L. discophora SP6orother bacteria biocathode in microbial fuel cell.
本文对舟山实海暴露的Q235试片进行了为期3年连续的电化学检测，同时对其锈层中铁细菌，SRB及异养菌的含量进行测定，并进行了实验室研究，分析了细菌含量对暴露于海水中Q235试样的腐蚀速度的影响。研究结果表明Q235试样在实海暴露初期，由于金属裸露在海水中，腐蚀速度较快，然而随着暴露时间的延长，Q235钢表面生成的锈层对金属起到了一定保护作用，腐蚀速度减缓。在实海暴露2个月后，Q235钢的腐蚀速度主要受温度和锈层等因素的共同影响，但温度仍为影响腐蚀的主要因素。分析表明，Q235在海水中生成锈层的内锈层的主要由黑色的Fe_3O_4构成，而外锈层主要成分则是红色的Fe_2O_3，这是由于内外锈层发生的腐蚀分别由SRB和铁细菌控制的缘故。
论文在实验室条件下就铁细菌，SRB对自来水中304不锈钢的腐蚀影响进行了电化学研究。研究结果表明，304SS在除氯的无菌自来水中处于钝态，自来水中铁细菌的接种导致不锈钢表面形成微生物膜，对不锈钢基体起到了保护作用，在一定程度上提高了不锈钢的耐蚀性。在接种了SRB的自来水中浸泡初期，由于SRB在不锈钢表面附着并将溶液中的SO_4~(2-)还原成S~(2-)，导致不锈钢腐蚀的加剧。浸泡中期不锈钢表面生物膜及腐蚀产物的加厚在一定程度上阻碍了SRB酸性代谢产物侵蚀金属基体，腐蚀有所减缓。而在浸泡后期，外部侵蚀性物质向生物膜及腐蚀产物覆盖下的金属表面扩散，导致基体腐蚀的加剧。利用电化学噪声技术可以有效地判断微生物膜及腐蚀产物覆盖下金属基体的腐蚀状况。
论文还对接种了铁锰氧化菌L. discophora SP6的ATCC MSVP1917培养基中，玻璃碳及304不锈钢电极腐蚀电位正移的影响因素进行了分析。研究结果表明，在铁锰氧化菌量一定的条件下，电极材料、电极表面粗糙度、溶液中溶氧量等因素对被研究材料的腐蚀电位正移均有不同程度影响。对电极施加不同程度的极化，以及对电极表面进行聚赖胺（PLL）预涂，也会改变电极腐蚀电位的正移幅度。这对采用L. discophora SP6或者其它微生物作为生物阴极的生物燃料电池的设计，尤其是如何提高电池效率具有启发性意义。
Iron oxidizing bacteria (IOB) and sulfate reducing bacteria (SRB) are well known fortheir attaching, growing and metabolizing on the metal surface and introducingcorrosion to the metal thereby by changing the surface status of metal, altering themetal/medium interface and chemical composition of the medium nearby. On theother hand, iron oxidizing bacteria in water environment will ennoble the corrosionpotential of passivated metal, which could be utilized in bio cathode of microbial fuelcell (MFC).
In this study, Q235carbon steel samples have been exposed in Zhoushan corrosiontesting base for3years for continuous dynamic electrochemical tests. In the meantime, the bacteria amount within the rust layer of Q235samples were measured atdifferent time point during the exposion. The influence of bacteria amount oncorrosion speed was studied. Result shows that the initial corrosion speed of Q235steel was relatively high, however the corrosion speed decreased with exposing timebecause of the out rust layer coming into being on the metal surface which protectedinner metal from corroding. After exposing for2months, the corrosion speed of thesample was mutually controlled by temperature and rust layer and temperature wasthe crucial factor. XRD shows the inner rust layer is mainly composed of black Fe_3O_4,and outer layer of red Fe_2O_3due to SRB and iron oxidizing bacteria controlling thecorrosion process in inner and outer rust layer respectively.
In this dissertation, the corrosion electrochemical behavior of304stainless steel wasstudied in sterilized tap water with and without inoculation of iron oxidizing bacteriaand SRB. Results showed that304stainless steel was passivated in dechlorinatedsterilized tap water. The microbial film developed on the substrate after iron bacteriawere inoculated in the tap water and protects substrate from corroding in some extent.In tap water system with SRB inoculation, SRB attached on the surface of304stainless steel and reduced SO_4~(2-)to S~(2-)after inoculation, which led to corrosion. Ascorrosion proceeded, the microbial films formed by SRB and the corrosion productsacted as protective layer for the inner substrate, therefore the corrosion slowed down.Later when corrosive substance spread inside the layer, corrosion was sped up again. Electrochemical noise (EN) analysis could be used to effectively detect corrosionunderneath outside layer.
In ATCC MSVP1917medium, the factors influenced the ennoblement of glassycarbon and304stainless steel by L. discophora SP6were analyzed. Results showthat factors such as substrate material, initial roughness of substrate, oxygenconcentration and so on place different influence on substrate potential ennoblementwhen L. discophora SP6was inoculated. Varied external polarization to the substrateand prepainting certain biological activated matter like PLL on the substrate will alsochange the ennoblement range, which is instructive for utilizing L. discophora SP6orother bacteria biocathode in microbial fuel cell.
引文
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