硫酸鹽還原菌對熱鍍鋅鋼材氫滲透行為的影響

張玉志, 張大磊, 李 焰

（1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島266071; 2. 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100049）

硫酸鹽還原菌對熱鍍鋅鋼材氫滲透行為的影響

張玉志1,2, 張大磊1,2, 李 焰1

（1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島266071; 2. 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100049）

采用 Devanathan-Stachurski雙面電解池檢測氫滲透電流技術(shù)和掃描電鏡分析, 研究了熱鍍鋅鋼材在滅菌海水、滅菌培養(yǎng)基和接種了硫酸鹽還原菌（SRB）的培養(yǎng)基等 3種介質(zhì)中的氫滲透行為。氫滲透電流檢測結(jié)果表明, 培養(yǎng)基的部分組分對熱鍍鋅鋼材的氫滲透行為有促進(jìn)作用, 試樣在滅菌培養(yǎng)基中的氫滲透電流密度的平均值比在滅菌海水中提高了約6倍。盡管活性SRB代謝產(chǎn)生的S2?和HS?能夠促進(jìn)熱鍍鋅鋼材的氫滲透行為, 但是, 由SRB及其代謝產(chǎn)物和它們所黏附的腐蝕產(chǎn)物所形成的致密微生物膜減少了氫的析出和試樣對氫的吸收量, 導(dǎo)致熱鍍鋅鋼材氫滲透行為最終被抑制, 因此, 試樣在接菌培養(yǎng)基中的氫滲透電流密度的平均值比其在滅菌培養(yǎng)基中降低 77%。掃描電鏡分析表明, 熱鍍鋅鋼材在滅菌海水中能夠形成腐蝕產(chǎn)物膜, 而暴露于滅菌培養(yǎng)基中的試樣表面未形成明顯的腐蝕產(chǎn)物膜, 但在接菌培養(yǎng)基中試樣表面能形成黏附了腐蝕產(chǎn)物的致密微生物膜的附著, 表明熱鍍鋅鋼材表面的微生物膜與其氫滲透行為之間存在明顯的相關(guān)性。

硫酸鹽還原菌; 氫滲透; 鍍鋅層; 陰極保護(hù)

熱鍍鋅鋼材在海洋環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用, 如海底通信電纜、電力光纜的鎧裝護(hù)層和加強(qiáng)芯, 跨海和近海懸索大橋的斜拉索使用的鋼絲和鋼絞線等[1]。一方面, 鍍鋅層對鋼材基體和環(huán)境介質(zhì)之間的隔離作用對鋼材基體的腐蝕起到了很好的防護(hù)作用; 另一方面, 在鍍層發(fā)生破損或因腐蝕而暴露出鋼材基體時, 鋼材基體與周圍的鍍鋅層構(gòu)成一個電偶對,鍍鋅層能夠作為犧牲陽極對鋼材基體提供保護(hù), 此時熱鍍鋅鋼材在海水中的腐蝕反應(yīng)為[2]:

陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫將有一部分滲透進(jìn)入鋼材基體[3], 給鋼結(jié)構(gòu)的安全帶來隱患。因此, 研究熱鍍鋅鋼材在海水中的氫滲透問題是十分必要的。

硫酸鹽還原菌（SRB）在自然環(huán)境中是廣泛存在的, 大量的研究證明, SRB的生長及代謝活動對裸鋼的腐蝕與氫滲透行為有著重要的影響[4-11], 而對有鍍鋅層保護(hù)的鋼材而言, SRB對其腐蝕與氫滲透行為的影響如何, 目前尚不十分清楚。因此, 本文采用改進(jìn)的 D-S雙面電解池研究了熱鍍鋅鋼材在滅菌海水、滅菌培養(yǎng)基和接種SRB的培養(yǎng)基等3種介質(zhì)中的氫滲透行為。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料及試樣制備

市售 1.5 mm厚熱浸鍍鋅鋼板樣品（鍍層厚度10～15 μm）, 經(jīng)線切割獲得直徑2.0 cm的圓片形氫滲透試樣。試樣其中一側(cè)保持鍍層完好, 另一側(cè)則將鍍層去除并用金相砂紙磨光至 600#, 經(jīng)去離子水和丙酮進(jìn)行超聲清洗、冷風(fēng)吹干備用。

1.2 SRB菌種及培養(yǎng)和計數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用SRB來源于渤海灣海泥, 并經(jīng)SRB專性培養(yǎng)基培養(yǎng), 定期更換培養(yǎng)基以保持 SRB活性。本文所用 SRB 的培養(yǎng)基成分如下: 0.50 g K2HPO4·3H2O, 1.00 g NH4Cl, 0.50 g Na2SO4, 0.10 g CaCl2, 2.00 g MgSO4, 3.50 g乳酸鈉, 1.00 g酵母膏。將上述試劑溶解在 1L陳海水中, 于 121℃滅菌 20 min。在培養(yǎng)基使用的當(dāng)天, 稱取 0.50 g Fe（NH4）2（SO4）2·7H2O和0.10 g抗壞血酸, 在潔凈工作臺上均勻攤開, 紫外滅菌30min, 然后加入到上述培養(yǎng)基溶液中。使用MPN法進(jìn)行SRB的計數(shù), 以測定SRB在培養(yǎng)基中的生長曲線。

1.3 腐蝕形貌觀察

使用面積為2.0 cm×2.0 cm的正方形試樣分別浸入滅菌海水、滅菌培養(yǎng)基和接種SRB的培養(yǎng)基等3種腐蝕介質(zhì)中, 7d后取出。對于在前兩種介質(zhì)中浸泡的試樣, 分別使用蒸餾水、乙醇和丙酮進(jìn)行清洗,晾干后進(jìn)行腐蝕形貌觀察; 對于在接種 SRB的培養(yǎng)基中浸泡的試樣, 使用乙醇分級提取, 經(jīng) 2.5%戊二醛液固定、表面噴金處理后進(jìn)行微觀形貌觀察。SEM為KYKY-2800型掃描電鏡, 加速電壓為20 kV。

1.4 氫滲透電流檢測

將上述氫滲透試樣安裝在改進(jìn)的 Devanathan-Stachurski雙面電解池（圖 1）上, 于檢測室中對無鍍層一側(cè)工作面進(jìn)行鍍鎳處理, 鍍液為瓦特?。蛩徭?300 g/L; 氯化鎳, 60 g/L; 硼酸, 37.5 g/L; pH 3.0）, 在電流密度0.90 mA/cm2下電鍍5 min; 隨后將鍍液更換為0.20 mol/L NaOH溶液, 在+200 mV（相對于汞-氧化汞電極）下將鍍鎳層鈍化至背景電流小于 0.20 μA/cm2,然后在腐蝕充氫室中加入腐蝕介質(zhì), 進(jìn)行氫滲透電流檢測。

腐蝕介質(zhì)為滅菌海水或培養(yǎng)基時, 電解池的腐蝕充氫室加入的是500 mL經(jīng)氮?dú)獬?h后的腐蝕介質(zhì), 另需加入紫外滅菌30 min的潤滑油20 mL進(jìn)行覆蓋, 并用錫箔紙對整個裝置進(jìn)行密封, 以避免引入空氣。腐蝕介質(zhì)為接種 SRB的培養(yǎng)基時, 先在電解池的腐蝕充氫室內(nèi)加入495 mL滅菌培養(yǎng)基, 而后用無菌注射器加注5 mL SRB菌種溶液, 并進(jìn)行如前所述的油封和密封操作。

圖1 氫滲透電流檢測試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of equipment for hydrogen permeation current measurement

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 SRB的生長曲線

圖2為SRB在實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基中的生長曲線?？梢钥闯? SRB的生長過程可以分為三個階段。第1階段（0～4 d）為指數(shù)生長期, 由于此階段的培養(yǎng)基中營養(yǎng)豐富, SRB數(shù)量呈幾何級數(shù)增加; 第2階段（4～6 d）為穩(wěn)定期, 細(xì)菌在這一階段的生長和死亡數(shù)量大致相當(dāng), SRB數(shù)量在同一數(shù)量級上變化; 第 3階段（第7天起）為衰亡期, 由于培養(yǎng)基大量消耗, SRB死亡數(shù)量遠(yuǎn)多于新生數(shù)量, 進(jìn)入快速衰亡階段。此結(jié)果與 Kuang等[12]獲得的 SRB生長曲線變化規(guī)律相同。

圖2 SRB生長曲線Fig. 2 SRB growing process in the culture medium

2.2 熱鍍鋅鋼材在腐蝕介質(zhì)中的氫滲透曲線

圖3是熱鍍鋅鋼材分別在3種腐蝕介質(zhì)中的氫滲透曲線。在滅菌海水和滅菌培養(yǎng)基中, 熱鍍鋅鋼材的滲氫曲線都經(jīng)歷了增大—減小—增大的過程。在滅菌海水中, 第8天之前, 滲氫電流密度均在50 μA/cm2以下, 而在滅菌培養(yǎng)基中, 從第2天開始, 滲氫電流密度均在 150 μA/cm2以上。在接菌培養(yǎng)基中, 試樣的滲氫曲線與前 2種介質(zhì)中的規(guī)律不同: 滲氫電流密度剛開始時隨時間逐漸增長, 從第3天起至第6天則處于相對穩(wěn)定階段, 然后逐漸下降, 第7天后又處于相對穩(wěn)定階段。

2.3 熱鍍鋅鋼材在腐蝕介質(zhì)中的表面微觀形貌

圖4所示為熱鍍鋅鋼材在3種腐蝕介質(zhì)中浸泡7d后的表面形貌。試樣在滅菌海水中因腐蝕生成的腐蝕產(chǎn)物較為致密、牢固地附著在試樣的表面, 形成了較完整的腐蝕產(chǎn)物膜（圖4（a））; 在滅菌培養(yǎng)基中試樣表面沒有形成明顯的腐蝕產(chǎn)物膜, 局部腐蝕較嚴(yán)重（圖4（b））; 而在接菌培養(yǎng)基中, 除形成腐蝕產(chǎn)物外,試樣表面還分布著活性 SRB及其代謝產(chǎn)物, 即形成了微生物膜（圖4（c））。

3 討論

3.1 培養(yǎng)基組分對熱鍍鋅鋼材氫滲透的影響

由圖3可知, 在本文的測試時間內(nèi), 熱鍍鋅鋼材在滅菌海水和滅菌培養(yǎng)基中的平均氫滲透電流密度分別為 39.7 μA/cm2和 288.5 μA/cm2, 后者比前者高出627%。由圖4中的腐蝕形貌可知, 在滅菌海水中試樣表面可形成保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜, 從而通過抑制其腐蝕而減少氫的析出和吸收。而在滅菌培養(yǎng)基中, 作為指示劑加入的 Fe2+能夠促使鋅-鐵置換反應(yīng)的發(fā)生, 由于增加了有效陰極的數(shù)量, 使鍍鋅層的腐蝕加速; 較高的 Cl-濃度, 也能促進(jìn)腐蝕反應(yīng)向陽極溶解方向移動[13]; 作為抗氧化劑加入的抗壞血酸能夠使溶液的pH向酸性方向移動, 也可導(dǎo)致試樣腐蝕速度增大。這些因素中應(yīng)以Fe2+的影響最為嚴(yán)重。試樣的腐蝕速度增大, 不僅使得陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子增多, 增加氫的析出量, 而且使熱鍍鋅鋼材試樣表面的鍍層更容易形成局部缺陷, 而存在鍍層缺陷的熱鍍鋅鋼材試樣顯然比鍍層完好時的試樣具有更大的滲氫電流密度[3]。

圖3 熱鍍鋅鋼材在滅菌海水、滅菌培養(yǎng)基和接種培養(yǎng)基中的氫滲透電流密度變化曲線Fig. 3 Hydrogen permeation current density curves for hot-dip galvanized steel in sterilized seawater, sterilized midium and medium inoculated with SRB

圖4 熱鍍鋅鋼材在腐蝕介質(zhì)中浸泡7天后的形貌（a） 滅菌海水; （b） 滅菌培養(yǎng)基; （c） 接菌培養(yǎng)基Fig. 4 wSEitMh S iRmBag（ce）s foofr h7odt-dip galvanized steel immersed in sterilized seawate（a）, sterilized medium（b） and medium inoculated

劉猛等[3]的研究表明, 當(dāng)熱鍍鋅鋼材存在一定比例的鍍層缺陷時, 它在海水中自腐蝕時的氫滲透電流密度會達(dá)到一個階段性的極大值。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在密閉體系下獲得的熱浸鍍鋅鋼在滅菌海水和滅菌培養(yǎng)基中也存在類似的規(guī)律, 而氫滲透電流密度階段極大值出現(xiàn)的時間, 即特定的鍍層-缺陷面積比出現(xiàn)的時間, 與腐蝕介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

3.2 SRB對熱鍍鋅鋼材氫滲透行為的影響

鍍層完整的試樣在滅菌培養(yǎng)基中的氫滲透電流密度在檢測過程中絕大多數(shù)時間內(nèi)比其在接菌培養(yǎng)基中的氫滲透電流密度大（圖 3）。從第 2天開始, 試樣在滅菌培養(yǎng)基中的滲氫電流密度比在接菌培養(yǎng)基中的滲氫電流密度大 2～8倍; 在本文的測試時間內(nèi),滅菌培養(yǎng)基中的平均氫滲透電流密度為 288.5μA/cm2, 而在接菌培養(yǎng)基中的平均氫滲透電流密度為65.9 μA/cm2, 后者比前者低77%, 表明SRB及其代謝產(chǎn)物和它們黏附的腐蝕產(chǎn)物所形成的微生物膜（圖4）抑制了試樣的氫滲透行為。

在微生物腐蝕研究領(lǐng)域, 不少科學(xué)家曾研究了SRB對不同種類鋼材氫滲透行為的影響。朱永艷等[5-6]研究了16Mn鋼和API X56管線鋼在海泥中的氫滲透行為, 結(jié)果表明, SRB的存在能夠極大促進(jìn)鋼材在海泥中的氫滲透行為。Javaherdashtia等[14]的慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)同樣表明, SRB對碳鋼在3.5%NaCl溶液（模擬海水環(huán)境）中的氫致開裂有較大促進(jìn)作用。Vigdorovich等[7]證實(shí), St3鋼片在含有6 mmol/LH2S的接種SRB的培養(yǎng)基中的氫擴(kuò)散電流比在滅菌培養(yǎng)基條件下增加 1倍以上。這些研究均表明, 在所述鋼材試樣和設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下, SRB對裸鋼試樣的氫滲透行為起促進(jìn)作用。而本文的研究結(jié)果表明, 對于表面帶有陽極性鍍層的熱鍍鋅鋼材而言, SRB能夠在較長的時間范圍內(nèi)（10 d）抑制氫的進(jìn)入。

盡管對微生物引起的鋼鐵腐蝕目前已研究較多,也提出了不少腐蝕機(jī)理, 但得到廣泛認(rèn)可的仍為KüHr等[15]提出的陰極去極化理論, 整個腐蝕反應(yīng)為:

對于熱鍍鋅鋼材試樣, 在腐蝕初期以表面鍍鋅層腐蝕為主; 在腐蝕后期當(dāng)鍍層破損、暴露出鋼材基體后, 發(fā)生鋅-鐵電偶對的電偶腐蝕, 故熱鍍鋅鋼材在除氧、含 SRB的環(huán)境中發(fā)生腐蝕時, 除鋅表面發(fā)生的式（1）和鋼材表面發(fā)生的式（3）之外還會發(fā)生以下反應(yīng):

所以, 腐蝕產(chǎn)物中除了式（4）中的 FeS、Fe（OH）2外,還有ZnS、Zn（OH）2等。另外, 在此過程中有兩個重要反應(yīng)也不可忽略:

在以上腐蝕反應(yīng)過程中產(chǎn)生的H2S、HS-以及S2-均能對氫滲透行為起促進(jìn)作用[6], 而它們的數(shù)量與活性SRB的數(shù)量密切相關(guān)。因此, 圖3所示試樣在接菌培養(yǎng)基中的滲氫電流密度的經(jīng)時變化與圖 2所示SRB的生長曲線有著很好的依存性。在活性SRB數(shù)量較多的 4～6 d, 試樣的滲氫電流密度也較大, 并且變化相對穩(wěn)定。從第7天起, SRB進(jìn)入衰亡期, 活性SRB急劇減少, 新產(chǎn)生的H2S、HS-以及S2-大幅減少, 而原有的H2S、HS-以及S2-大部分已經(jīng)和Zn2+和Fe2+形成腐蝕產(chǎn)物, 所以試樣的滲氫電流密度變小,處于另外一個穩(wěn)定期。

在氫滲透電流檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)束后, 可觀察到試樣在滅菌培養(yǎng)基中形成的腐蝕產(chǎn)物較疏松且極易脫落;而在接菌培養(yǎng)基中, 試樣表面形成的微生物膜致密、附著牢固。如圖4所示, 試樣表面的微生物膜由鍍層腐蝕產(chǎn)物和微生物及其代謝產(chǎn)物組成, 這層膜的存在不僅能夠阻礙腐蝕反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行, 減少氫的析出, 而且能夠在 SRB引起的陰極去極化過程中大量消耗氫原子, 從而減少已析出并吸附在暴露的鋼材表面的氫進(jìn)入鋼材基體。所以, 相對于滅菌培養(yǎng)基,試樣在接菌培養(yǎng)基中的滲氫電流密度大幅降低。而在氫滲透電流檢測的開始階段, 由于僅形成少量菌膜, 對試樣的氫滲透行為無明顯的抑制作用, 因此熱鍍鋅鋼材在滅菌培養(yǎng)基中的氫滲透電流較在接菌培養(yǎng)基中的氫滲透電流略小。總之, 雖然促進(jìn)和抑制熱鍍鋅鋼材的氫滲透過程的因素都存在, 但是在相當(dāng)長的時間內(nèi), 活性 SRB及其代謝產(chǎn)物對氫滲透的抑制作用占主導(dǎo)地位。

由于研究SRB對熱鍍鋅鋼材在海水中氫滲透行為的影響需要一個較長的測試周期, 但為了保證SRB在較長時間內(nèi)維持一定活性, 需要在海水中加入適量的營養(yǎng)鹽, 而本文的研究結(jié)果表明, 營養(yǎng)鹽的加入可通過促進(jìn)試樣的腐蝕對其氫滲透行為產(chǎn)生干擾, 因?yàn)殄儗油暾臒徨冧\鋼材在海水腐蝕初期的氫滲透電流密度相對較小。因此, 為進(jìn)一步深入研究這一問題, 建議在熱鍍鋅鋼材試樣上預(yù)制一定比例的鍍層缺陷, 使其在海水腐蝕初期即可產(chǎn)生較大的氫滲透電流, 然后在海水中分別加入適量具有不同菌齡SRB的菌液, 再考察活性SRB的數(shù)量對熱鍍鋅鋼材在海水中氫滲透行為的影響, 即可排除培養(yǎng)基中的營養(yǎng)鹽對試樣氫滲透行為的干擾。

3 結(jié)論

盡管活性SRB本身能夠促進(jìn)熱鍍鋅鋼材的氫滲透, 但 SRB及其代謝產(chǎn)物和它們黏附的腐蝕產(chǎn)物形成的微生物膜阻礙了熱鍍鋅鋼材的進(jìn)一步腐蝕, 降低了氫的析出量, 并在 SRB引起的陰極去極化過程中大量消耗氫原子而減少氫的進(jìn)入, 熱鍍鋅鋼材在以海水為主要成分的培養(yǎng)基中的氫滲透在總體上還是被抑制。

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Received: Oct., 12, 2009

Key words:sulphate reducing bacteria, hydrogen permeation, zinc coating, cathodic protection

Abstract:Hydrogen permeation testing with Devanathan-Stachurski cell and SEM analytical method were used to study the hydrogen permeation behavior of hot-dip galvanized steel in sterilized seawater, sterilized medium and medium inoculated with SRB. The results showed hydrogen permeation behavior of galvanized steel was promoted by some components of the medium. The average hydrogen permeation current density of the sample in sterilized medium was 6 times higher than which in sterilized seawater. The compact film formed by SRB, metabolites of SRB and corrosion products decreased the hydrogen adsorption of the sample although S2-and HS-produced by active SRB could promote the hydrogen peameation behavior, which resulted in the average hydrogen permeation current density of galvanized steel in medium inoculated with SRB 77% lower than which in sterilized medium.SEM results showed few products adhered on the sample immersed in sterilized medium, but a film of corrosion products was formed on the sample immersed in sterilized seawater, and a biofilm of SRB and its metabolites together with the film of corrosion products was formed on the the sample immersed in medium inoculated with SRB,indicating a obvious relation between the biofilm and hydrogen permeation of galvanized steel.

（本文編輯:張培新）

Effect of SRB on hydrogen permeation of hot-dip galvanized steel

ZHANG Yu-zhi1,2, ZHANG Da-lei1,2, LI Yan1
（1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

TG172.2; TG172.5

A

1000-3096（2011）01-0048-06

2009-10-12;

2009-12-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40576038）, 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y2008E09）

張玉志（1983-）, 男, 河南南陽人, 碩士, 主要從事海洋腐蝕與防護(hù)研究; 李焰, 通信作者, 電話: 0532-82898832, E-mail:yanlee@ms.qdio.ac.cn