淺談微生物腐蝕的機(jī)理與防護(hù)
2020,庚子年春冬交替之際,一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的“戰(zhàn)爭(zhēng)”在武漢爆發(fā),隨即全國(guó)人民都投入了這場(chǎng)戰(zhàn)斗中。我們的敵人是新型冠狀病毒,它十分狡猾,即看不見(jiàn)也摸不著,但卻無(wú)孔不入,通過(guò)空氣傳播對(duì)人類(lèi)進(jìn)行攻擊。冠狀病毒體積微小但破壞力巨大,嚴(yán)重威脅著人們的生命安全,同時(shí)也給社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而,對(duì)于金屬材料而言,不同環(huán)境中的微生物如同病毒一般,不斷腐蝕著金屬材料,破壞它們的性能。如果不對(duì)金屬材料加以保護(hù),它們也會(huì)“生病”,逐漸喪失功能,最終導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失甚至引發(fā)安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì),微生物腐蝕每年在美國(guó)造成600億美元的經(jīng)濟(jì)損失,在我國(guó)造成的經(jīng)濟(jì)損失也超過(guò)4000億元[1]。而這罪魁禍?zhǔn)?,就要從毫不起眼的微生物談起?

圖1 生活中常見(jiàn)的微生物腐蝕現(xiàn)象
一、微生物腐蝕機(jī)理
在我們固有的印象中,金屬材料(如銅、鐵等)質(zhì)地都是十分堅(jiān)硬的,小小的微生物怎么會(huì)對(duì)它們?cè)斐蓢?yán)重的破壞呢?首先,需要說(shuō)明的是,不是所有的微生物都會(huì)對(duì)金屬材料造成腐蝕,有些微生物甚至起到保護(hù)材料的作用。在日常生產(chǎn)生活中,常見(jiàn)的腐蝕微生物包括細(xì)菌、古菌、真菌和藻類(lèi)[2]。其中腐蝕性最強(qiáng)的微生物是細(xì)菌,包括硫酸鹽還原菌、硫氧化菌、鐵氧化菌和硝酸鹽還原菌等。這些微生物的整個(gè)生命過(guò)程,都在不斷影響著環(huán)境中的金屬材料,加速或者抑制腐蝕的發(fā)生。然而,這些“還原菌”和“氧化菌”是如何對(duì)金屬進(jìn)行腐蝕破壞的呢?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),這些細(xì)菌通常會(huì)共同生存于金屬材料表面,形成生物膜,最終通過(guò)改變生物膜與金屬表面的物理化學(xué)性質(zhì),從而導(dǎo)致局部腐蝕(點(diǎn)蝕)發(fā)生。下面例舉這兩種菌種的典型代表進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 硫酸鹽還原菌腐蝕機(jī)理圖和微生物腐蝕引起管道堵塞示意圖
首先是硫酸鹽還原菌,它是誘發(fā)微生物腐蝕的主要細(xì)菌,幾乎可以引起所有金屬材料及其合金的腐蝕。在厭氧的環(huán)境中,硫酸鹽還原菌通過(guò)將硫酸鹽還原成S2-或H2S,并在此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中獲得能量,從而導(dǎo)致金屬腐蝕加速。然而,當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)硫酸鹽還原菌誘導(dǎo)的腐蝕機(jī)制并沒(méi)有一個(gè)明確的、統(tǒng)一的理論去解釋它。

圖3 硫酸鹽還原菌通過(guò)菌絲吸附在金屬表面
其次是鐵氧化菌,正是它們的存在,推動(dòng)了地球鐵元素的循環(huán)(Fe2+氧化成Fe3+)。但是,在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中,原本可溶的亞鐵化合物轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶的三價(jià)鐵化合物(如Fe(OH)3),逐漸沉積。在鐵制品金屬表面,大量的沉積物會(huì)聚集結(jié)痂,從而加速金屬腐蝕發(fā)生。生活中我們常見(jiàn)的鐵制品上面的斑斑銹跡,通常都是這樣產(chǎn)生的。然而鐵氧化菌十分奇特,它們對(duì)金屬的腐蝕行為并非一直表現(xiàn)為加速腐蝕,當(dāng)生物膜和腐蝕產(chǎn)物膜形成致密保護(hù)層時(shí),會(huì)對(duì)金屬基底起到一定保護(hù)作用。然而這種保護(hù)并不可靠,當(dāng)生物膜附著到一定厚度之后會(huì)逐漸脫落,金屬材料所在環(huán)境中的腐蝕性離子會(huì)繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行腐蝕。

圖4 鋼試樣在含有鐵氧化菌及空白腐蝕體系中浸泡20d后的生物膜形貌圖[3]
二、不同領(lǐng)域的微生物腐蝕與防護(hù)
對(duì)在海洋中航行的船舶、軍艦而言,微生物腐蝕是一大威脅。當(dāng)船體在海洋中航行時(shí),不僅僅會(huì)受到海水的侵蝕,也會(huì)受到海洋中生物污損的影響。這些海洋生物通過(guò)大量附著在船底、螺旋槳以及船舶管路上面,不斷生長(zhǎng)繁殖,破壞金屬表面涂層[4]。2007年,澳大利亞皇家海軍7艘軍艦在不到一年時(shí)間內(nèi),10mm船體板便發(fā)生了腐蝕穿孔。經(jīng)查明,微生物腐蝕是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。通常來(lái)說(shuō),船舶微生物防腐措施可分為物理方法、化學(xué)方法以及表面改性法。
物理方法主要包括殺菌法和機(jī)械清除法。通過(guò)紫外線、超聲波以及電離輻射可以有效清除水上環(huán)境中的腐蝕微生物。針對(duì)處于水下環(huán)境中的船舶部分,可采用機(jī)械清除方法,即用高壓水槍或刷子等設(shè)備對(duì)船體進(jìn)行機(jī)械清洗,直接清除船舶表面腐蝕產(chǎn)物?;瘜W(xué)方法是通過(guò)在船舶中投加殺菌劑或者抑菌劑,從而保護(hù)船體免受微生物腐蝕。但是這種防護(hù)措施有個(gè)缺陷,因?yàn)檫@些殺菌劑或抑菌劑本身也是化學(xué)藥物,對(duì)船體也會(huì)產(chǎn)生傷害,殺敵一千自損八百,不是非常友好的防護(hù)措施。相反,電化學(xué)防護(hù)方法就沒(méi)有這種困擾,通過(guò)在船舶中使用電解防污防腐蝕裝置,可以有效抑制微生物生長(zhǎng)。這種防護(hù)措施是當(dāng)前船舶防腐最有效的應(yīng)用手段之一。表面改性方法是通過(guò)在船體表面添加防護(hù)涂層,包括鍍鉻、鍍鋅等。這種防護(hù)措施十分常見(jiàn),效果顯著,被廣泛應(yīng)用于造船業(yè)。
隨著我國(guó)民航業(yè)越來(lái)越發(fā)達(dá),逢年過(guò)節(jié)很多人們會(huì)選擇乘坐民航飛機(jī)出行,這是最安全的公共交通方式。然而,飛機(jī)在飛行途中如果發(fā)生了故障,后果不堪設(shè)想。1996年,我國(guó)某機(jī)場(chǎng)發(fā)生了多架飛機(jī)的整體燃油箱腐蝕事件,這是我國(guó)民航界有史以來(lái)最為嚴(yán)重的飛機(jī)燃油箱微生物腐蝕。飛機(jī)燃油箱中的腐蝕微生物以硫酸鹽還原菌和樹(shù)脂芽枝霉菌為主,它們通過(guò)破壞飛機(jī)油箱涂層及堵塞燃油系統(tǒng)管路,從而影響飛機(jī)飛行安全[5]。

圖5 飛機(jī)燃油箱微生物腐蝕
航空燃油微生物腐蝕的主要防治措施主要包括以下幾種。首先,可通過(guò)控制燃油箱中的水分,抑制微生物的生長(zhǎng)。水是萬(wàn)物之源,沒(méi)有充足的水分,燃油箱中的微生物就不能很好的生長(zhǎng)。其次,可采用飛機(jī)燃料殺菌劑防治油箱中微生物腐蝕。但目前航空界沒(méi)有太多有效的燃油微生物殺菌劑,這種方法仍存在一些缺陷。有趣的是,研究人員發(fā)現(xiàn)不同種群微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)可抑制燃油微生物的生長(zhǎng)。有些細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似抗生素的物質(zhì)直接殺死引起金屬腐蝕的細(xì)菌。同時(shí),引入其他微生物與原有的腐蝕微生物競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分和生存空間,從而抑制后者的生長(zhǎng)。
“西氣東輸”是我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的標(biāo)志性工程,全長(zhǎng)4200米,惠及萬(wàn)家。然而,該工程中多數(shù)石油管道是埋在地下的,潮濕的土壤中含有大量微生物,容易造成石油運(yùn)輸管道腐蝕。運(yùn)輸管道一旦被微生物腐蝕,不僅對(duì)石油運(yùn)輸?shù)陌踩栽斐捎绊?,更?huì)造成土壤環(huán)境污染。此時(shí),腐蝕界的明星產(chǎn)品——緩蝕劑,便發(fā)揮出它的作用。多種緩蝕劑同時(shí)運(yùn)用,不僅可以抑制微生物腐蝕反應(yīng)發(fā)生,還可以清理腐蝕產(chǎn)物。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)的石油管道運(yùn)用最多的防腐措施是涂層外保護(hù)。這些涂層以無(wú)機(jī)非金屬材料為主,如陶瓷、玻璃等。通過(guò)外加涂層隔絕了微生物與管道的直接接觸,增加其抗腐蝕性,如同給運(yùn)輸管道穿上一套堅(jiān)實(shí)的“鎧甲”。

圖6 油氣運(yùn)輸管道的腐蝕與防護(hù)
三、結(jié)語(yǔ)
此時(shí),國(guó)內(nèi)的疫情雖然得到了有效控制,但新冠肺炎在其他國(guó)家仍在肆虐,無(wú)數(shù)的人被籠罩在新冠病毒的陰影中。我相信,中國(guó)定會(huì)和世界各國(guó)攜手共進(jìn),共同抗擊新冠病毒,遏制全球疫情蔓延終會(huì)迎來(lái)勝利的曙光。同樣的,微生物腐蝕在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,涉及到環(huán)境、物理、化學(xué)及材料學(xué)等多種學(xué)科。當(dāng)前社會(huì)對(duì)微生物腐蝕機(jī)理尚未有清晰認(rèn)識(shí)。在這種形勢(shì)下,就更需要全世界科研人員與工程師聯(lián)合起來(lái),共同解決這一困擾學(xué)術(shù)界與工業(yè)界已久的難題,造福人類(lèi)。
四、夢(mèng)能服務(wù)與支持
1、免費(fèi)樣品
如果您對(duì)我公司的工業(yè)重防腐油漆產(chǎn)品有需要或者申請(qǐng)樣品試用,請(qǐng)與我們的客服人員取得聯(lián)系。400-878-0506
油漆樣品適用范圍:
用于新建項(xiàng)目:驗(yàn)證油漆配套的可行性、檢驗(yàn)附著力、效果圖與實(shí)際顏色的色差。
用于維修項(xiàng)目:驗(yàn)證與舊涂層的兼容性。
用于日常修補(bǔ):提供少量樣品用于修補(bǔ)破損處。
申請(qǐng)用量:在1KG以?xún)?nèi)免費(fèi)送貨上門(mén)。
2、免費(fèi)打樣
如果您想看到工業(yè)重防腐油漆在產(chǎn)品上的實(shí)際應(yīng)用、外觀、性能測(cè)試,請(qǐng)與我們客服人員聯(lián)系,將樣板寄往夢(mèng)能科技營(yíng)銷(xiāo)部,由專(zhuān)業(yè)噴涂人員為樣板提供油漆打樣。
3、服務(wù)團(tuán)隊(duì)
夢(mèng)能對(duì)技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)始終進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化管理,從專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)到日常報(bào)告的管理都有一整套完善的體系。夢(mèng)能公司每年都會(huì)對(duì)技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)和能力審計(jì),以使每一位技術(shù)服務(wù)人員保持高水準(zhǔn)的專(zhuān)業(yè)素質(zhì),每一位技術(shù)服務(wù)人員都配備先進(jìn)的涂裝檢驗(yàn)儀器,儀器設(shè)備均按規(guī)定的時(shí)間期限進(jìn)行定期校驗(yàn),以保證每套儀器設(shè)備工作狀況良好。
4、購(gòu)買(mǎi)通道
零售:購(gòu)買(mǎi)50kg以?xún)?nèi),線上購(gòu)買(mǎi),抖店直接下單購(gòu)買(mǎi)。
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貿(mào)易、代理:提供代工業(yè)務(wù)支持,項(xiàng)目保護(hù)。
業(yè)主、總包、設(shè)計(jì)院:提供防腐方案設(shè)計(jì)、性能檢測(cè)、施工方案、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)。
涂裝施工:提供解決方案、現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)指導(dǎo)。
