1、 材料腐蚀与防护读书报告材料的微生物腐蚀与防护二一四年六月目录姓名：许芝学号：1151489 专业：2011 级金属材料方向1 引言2 材料的微生物腐蚀2.1 微生物腐蚀概念2.2 主要参与腐蚀微生物2.3 腐蚀机制3 微生物腐蚀的研究方法3.1 现代生物学技术3.2 电化学方法3.3 现代表面分析技术3.4 模拟生物膜的方法4 材料微生物腐蚀的防护与控制4.1 物理方法4.2 化学方法4.3 防护涂层+阴极保护法4.4 生物方法4.5 其他方法5 结语参考文献材料腐蚀与防护（许芝 1151489 金属方向）摘要：金属微生物腐蚀(MIC) 的危害性已越来越受到人们的重视。尽管材料表面一般会根据
2、保护需要进行预处理形成保护膜，但是仍然经常会由于微生物的影响而导致发生严重的腐蚀。世界各国地下金属构件的损坏微生物腐蚀约占80%，可见其危害性甚大。本文主要介绍了微生物腐蚀及其防护与控制。关键词：微生物腐蚀；机制；防护1 引言微生物对金属的腐蚀早在 1891 年就为人们所认识，微生物造成的腐蚀损失是惊人的。1985 年在华盛顿召开的国际生物腐蚀会议上，Kammer 指出，美国现在每年因腐蚀而损失约 1670 亿美元，其中 80%是由微生物腐蚀造成的。凡是土壤或水介质相接触的金属构件都可能出现微生物的腐蚀问题。已频繁出现的除地下输水、输油、输气管线外、电缆、采油、注水套管、深水泵、水电站、热电站
3、、化工、化肥工业、石油炼制等冷却系统；海上船舶、喷气飞机油箱等各个领域。都有一个金属在水介质中微生物危害的问题。2 材料的微生物腐蚀2.1 微生物腐蚀概念由材料表面生物膜内的微生物生命活动引起或促进材料的腐蚀和破坏称为微生物腐蚀（MIC） 。微生物腐蚀并非其本身对金属的侵蚀作用，而是微生物生命活动的结果。微生物附着在金属表面一段时间后会形成一层生物膜，生物膜内微生物的新陈代谢活动使得生物膜内的环境与本体溶液不同，包括电解质的的组成、浓度、温度、pH 值、溶解氧等，从而影响了材料表面的阴、阳极分布和阴、阳极反应过程，导致材料腐蚀速度的变化和局部腐蚀的产生。微生物是一群个体微小，结构简单的生物。由
4、于个体小，许多是肉眼看不见的，借助于显微镜放大几百倍、上千倍才能观察到。因许多菌本身是无色、半透明的，即使是在显微镜下观察也不清楚，还需要染色才能在显微镜下看到。虽然如此，人们在日常生活中还是能感觉到它的存在。如夏天牛奶变酸，凝固，食物腐败 发臭，潮湿炎热天物品长霉，发面和用曲做甜酒都是微生物生命活动引起的。微生物从广义上来说，包括细菌、放线菌、霉菌、酵母菌、立克次氏体病毒、单细胞藻类和原生动物。但一般说来微生物主要是指细菌、放线菌、霉菌、酵母菌和病毒五大类。2.2 参与腐蚀微生物其中比较重要的是直接参与自然界硫、铁和氮循环的微生物。参与硫循环的有硫氧化细菌和硫酸盐还原菌，这类菌能氧化元素硫、
5、硫代硫酸盐和亚硫酸盐等，产生代谢产物硫酸。硫氧化菌在酸性土壤及含黄铁矿的矿区中，能使土壤或矿水变酸导致腐蚀。参与铁循环的有铁氧化细菌和铁细菌，该类菌形态多样（有杆状、球状、丝状等），分布广泛，在富含铁的水中尤为普遍，铁细菌能把水中溶解的亚铁氧化成高铁形式，沉积于菌体鞘内或菌体周围，并从中取得能量同化 CO2进行自养生活。参与氮循环的主要有硝化细菌和反硝化细菌等。硝化细菌，如亚硝化单胞菌属和硝化杆菌属等能把氨氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸，同时获取能量供自身生活。反硝化细菌，如脱氨假单胞菌、施氏假单胞菌、紫色色杆菌等，在通气不良的环境中，能把硝酸还原成亚硝酸。因此这类菌能在环境中积累一定量的硝
6、酸和亚硝酸，从而对金属造成腐蚀。这些细菌按其生长发育中对氧的要求，又可分为好氧腐蚀菌和厌氧腐蚀菌两类。2.3 腐蚀机制微生物的腐蚀主要是由其生命活动中产生腐蚀性物质而造成的。微生物的代谢过程可分为好氧和厌氧两种。好氧代谢主要发生在供氧充分的区域，如曝气池、沉淀池的水面表层等处，厌氧代谢主要发生在贫氧的环境，如地下管网、沉淀池的水下部位等。两种代谢过程的产物不同，腐蚀机理也不一样。2.3.1 好氧菌腐蚀机制微生物产酸腐蚀：氧化铁杆菌是铁细菌中的一种, 它能使Fe2+氧化成Fe3+,而Fe3+有很强的氧化性能, 它可把硫化物氧化成硫酸而加速钢铁腐蚀。即使无硫化物存在, 也可加速电化学腐蚀的阳极过程
7、, 使钢铁腐蚀加速。氧化硫杆菌和排硫杆菌都属于硫氧化细菌, 这类细菌都能氧化硫和低价硫的盐, 其结果是产生硫酸, 使细菌周围环境的pH值降低。形成氧浓差电池腐蚀：通过在金属表面产生氧浓差电池促进腐蚀, 是嗜氧菌腐蚀的重要途径之一。铁细菌氧化水中或微电池腐蚀出来的亚铁, 以氧化铁沉积于鞘内后, 连同菌体一起沉积于金属表面, 逐渐形成锈瘤, 这种锈瘤成为氧进入的栅栏, 结瘤下氧浓度低, 成为缺氧阳极区, 其氧浓度高的周围成阴极区。氧浓差电池的形成, 大大加速了金属的腐蚀。2.3.2 厌氧菌腐蚀机制硫酸盐还原菌(SRB) 是微生物腐蚀中最重要的菌。SRB在自然界分布很广, 是典型的专性厌氧菌, 宜在
8、厌气条件下生长,有关这类细菌对钢铁腐蚀的影响目前存在以下两种机制。(1)阴极氢去极化作用在缺氧的条件下,含有氢化酶的硫酸盐还原菌可以从铁的阴极表面除掉氢原子并利用它使硫酸盐还原, 从而使阴极反应加快, 促使阳极溶解, 加速了钢铁的腐蚀过程。(2)硫化物促进腐蚀作用细菌的作用在于提供了硫化物,而硫化物加速了钢铁的腐蚀。3 微生物腐蚀的研究方法3.1 现代生物学技术目前已报道了多种用于微生物快速检测的新技术, 主要包括气相色谱技术、放射测量法、阻抗测量法、微量量热法和生物发光法等物理化学方法, 以及放射免疫测定法和酶联免疫吸附测定法等免疫学方法, 并将这些技术与计算机结合而发展了多种微生物自动化检
9、测仪器和简易检测系统。这些技术主要应用于微生物分类学、临床医学、食品科学和环境检测等领域。这些方法快速、高效, 但仍存在一些不足, 如显微镜直接计数法无法分辨细菌的死活。3.2 电化学方法微生物腐蚀本质上是电化学过程, 微生物的附着可以改变金属表面的电化学状态, 因此可用电化学方法研究微生物腐蚀的详细过程及其腐蚀机制、监测微生物腐蚀的发生和发展。从腐蚀电化学的角度来研究、记录各种腐蚀参数的变化, 包括通过电位、电流、电阻等信号的变化来反映材料、环境的相互作用机制和特征, 统称为腐蚀信号学。3.3 现代表面分析技术结合表面原位或非原位的观察来实证表面的腐蚀形貌和腐蚀特征, 称为腐蚀图像学。由于具
10、有直观性和实证性, 甚至具有获取信息的唯一性, 腐蚀图像学对腐蚀研究也是极其重要的, 并且变得越来越重要。用于腐蚀表观形貌分析的方法包括金相分析、扫描电镜或环境扫描电镜(SEM或ESEM)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜( TEM)等, 用于腐蚀产物和表面膜特征分析的有X-射线衍射( X-Ray)、X-射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、傅立叶转换红外光谱(FTIR) 等, 而荧光显微镜、扫描共聚焦显微镜(CSLM)在微生物研究中发挥着重要作用。3.4 模拟微生物膜的方法为了很好地理解微生物膜的特性和微生物的活动对材料腐蚀的影响规律, 学者们在实验室通过制备特种凝胶建立模拟微生
11、物膜, 利用人工生物培养方法增加电极表面细菌数量, 开展了各种研究。可以通过建立海洋微生物膜来研究微生物对材料的腐蚀。4材料微生物腐蚀的防护与控制4.1 物理方法利用电离射线（包括紫外线、射线和X射线）或超声波处理。一般紫外线在260nm波长附近有很强的辐射,而这个波长恰好能为核酸所吸收，因而延长照射时间就能杀死SRB；和X射线则能使细菌细胞的DNA 链中两个相连的胸腺嘧啶发生共价连接，使其复制发生错误，从而致死。另外，用超声波或放射线处理也可杀死SRB。4.2 化学方法4.2.1 杀菌剂目前常用的杀菌剂按其功能和组成可分为氧化型和非氧化型两类：前者主要通过与细菌体内的代谢酶发生氧化作用，将细
12、菌完全分解为二氧化碳和水；后者根据作用基团及作用机理，又分为季铵盐类、季磷盐类、醛类、酚类、杂环化合物类、含氰基化合物类、金属盐类和复配型。冷却水系统中SRB的控制常用氯气或者其它形式的氯离子，氯化作用能够有效的控制SRB。4.2.2 缓蚀剂近年来研究人员多致力于新型环境友好缓蚀剂的开发。稀土金属在各种腐蚀系统中具有较高作用效率。3-茴香叉胺基-1,2,4-三唑磷酸盐(AATP)对于水溶液中的碳钢是一种较好的缓蚀剂。另外，氨基酸类绿色缓蚀剂目前也有研究。4.3 防护涂层+阴极保护法4.3.1 涂层防护涂层大体上分为非金属涂层和金属涂层：非金属涂层一般为耐盐耐酸的环氧漆、环氧煤沥青等；金属涂层一
13、般热喷涂锌、铝或锌铝合金。目前，普遍采用的涂层主要有：石油沥青、聚乙烯涂层、熔结环氧涂层、煤焦油瓷漆涂层、煤焦油环氧涂层、聚氨酯涂层、富锌涂层等及复合覆盖层。我国使用的水性金属防腐涂料主要包括水性无机富锌涂料、水性环氧防腐涂料、水性丙烯酸防腐涂料和水性聚氨酯防腐涂料四大类。一些新型的涂层也逐渐被研制出来：光催化TiO2 涂层理论上可作为永久性的光催化防腐蚀涂层，Ni-P-Cr/TiO2 非晶复合镀层对SRB 有抗菌作用一些新型的涂层也逐渐被研制出来：光催化TiO2 涂层理论上可作为永久性的光催化防腐蚀涂层，Ni-P-Cr/TiO2非晶复合镀层对SRB有抗菌作用。4.3.2 阴极保护用电极电势比
14、被保护金属更低的金属或合金作阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。外加电流法：将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护。阴极保护和良好涂层一起使用，是防止或减轻腐蚀的有效手段。4.4 生物方法微生物控制法是利用微生物之间的共生、竞争以及拮抗的关系来防止微生物对金属的腐蚀。有些菌可以产生类似于抗生素类的物质直接杀死SRB；或与原先存在的SRB竞争养分，降低SRB的数量，从而减少硫化物的产生。4.5 其他方法其它防腐方法包括改变介质环境、限制营养源、采用耐腐蚀材料
15、、电化学杀菌等。利用微生物对pH值、温度、耐氧量及盐浓度的耐受性范围的大小，改变条件以抑制其生长。限制金属构件周围的可供微生物生长的营养物，或是除去微生物的腐蚀产物等。处理材料的表面，或在基体材料中添加耐微生物腐蚀的元素，或在金属表面涂敷抗MIC的纳米氧化物。电化学杀菌能有效控制SRB。在生物酶的作用下，生物植酸盐能形成一种很少见的正负电极的反应能，对两价以上金属离子产生螯合作用，在金属表面形成致密的单分子保护层，阻止侵蚀因子渗入金属表面，控制了原腐蚀电池的进行。另外，真空氮化可以使金属的抗腐蚀性能提高45倍。5 结语在微生物腐蚀的过程中，通常是多种微生物共同作用。因而各种防腐措施应该综合应用，才能达到控制腐蚀的目的。对微生物腐蚀机制的研究只是获得了一些微生物影响腐蚀过程的共同特征,尚未发现更完善的微生物腐蚀作用机理。研究方法上也还存在一些局限性需要更深入的系统研究。探索、分离、提纯更高效的防腐菌种并研究其防腐机理和最佳防腐条件也是未来的研究重点。参考文献1 杨 慧, 薛小平, 傅增祥 等. 海洋环境中微生物腐蚀及其防护研究进展 J. 化学与生物工程，2010 年.2 樊友军,皮振邦,华萍等 .微生物腐蚀的作用机制与研究方法现状 J. Materials Protection，2001年.No.53郎序菲,邱丽娜,弓爱君 等. 微生物腐蚀及防腐技术的研究现状 A.
