再生水中芽孢桿菌對304不銹鋼腐蝕行為的研究

魏　群，黃美慧，張萬友

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林　132012)

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再生水中芽孢桿菌對304不銹鋼腐蝕行為的研究

魏群，黃美慧，張萬友

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林132012)

研究了以再生水為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水的某熱電廠冷卻塔底粘泥中分離的芽孢桿菌的生長特性。采用微生物學(xué)方法、化學(xué)分析方法、電化學(xué)分析方法研究了再生水中芽孢桿菌對304不銹鋼的腐蝕特征。結(jié)果表明，與空白體系相比，芽孢桿菌代謝在電極表面形成致密的生物膜，使304不銹鋼的腐蝕速率明顯降低。

芽孢桿菌； 腐蝕； 微生物學(xué)； 電化學(xué)分析

1　引　言

我國工業(yè)循環(huán)冷卻水用量占城市總用水量的80%左右[1]。作為用水量如此之大的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，將城市再生水回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，是緩解我國水資源短缺的關(guān)鍵。但再生水的懸浮物、氨氮、有機(jī)物等水質(zhì)指標(biāo)均較高，將加劇循環(huán)冷卻水系統(tǒng)凝汽器的腐蝕、結(jié)垢等問題[2]。因此國內(nèi)許多新建電廠的凝汽器管材多選用不銹鋼材料，以減緩設(shè)備的失效[3]。

芽孢桿菌為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的好氧菌，對加速金屬腐蝕的研究較多[4]。而關(guān)于芽孢桿菌屬減緩腐蝕的報道，一些觀點(diǎn)認(rèn)為微生物代謝活動消耗介質(zhì)中溶氧，降低陰極還原速率；另一些觀點(diǎn)認(rèn)為在金屬表面形成較為均勻分布的生物膜，產(chǎn)生界面?zhèn)髻|(zhì)障礙，從而減輕介質(zhì)中的微生物對金屬的腐蝕作用[5-7]。也有專家認(rèn)為芽孢桿菌屬形成的生物膜在微生物腐蝕中意義重大，并極為可能成為一種潛在替代微生物殺生劑的良好選擇[8]。而關(guān)于芽孢桿菌引起的不銹鋼腐蝕的報道甚少，因此本文以城市再生水中分離得到的芽孢桿菌為對象，研究芽孢桿菌對304不銹鋼腐蝕行為，旨在為微生物腐蝕控制方法提供一定的參考。

2　實(shí)　驗

2.1實(shí)驗原料及儀器

芽孢桿菌取自吉化城市再生水為循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水的某熱電廠冷卻塔底粘泥，經(jīng)分離純化得到，此處命名為BS。

試驗用水為城市再生水，其水質(zhì)見表1。

表1　再生水水質(zhì)指標(biāo)

試驗材料選用304 不銹鋼管材，將304不銹鋼管材加工成φ10mm×10mm圓柱形電極, 頂端焊接導(dǎo)線，用環(huán)氧樹脂密封在塑料圓環(huán)內(nèi)，制成工作電極。工作面用耐水砂紙打磨至1200#, 丙酮或酒精除油，用于電化學(xué)測試?；瘜W(xué)成分見表2。

表2　304不銹鋼的化學(xué)成分

SW-CJ-1F單人雙面凈化工作臺，YXQ-SG46-280S不銹鋼手提式壓力蒸汽滅菌鍋，HYG-Ⅱa轉(zhuǎn)式恒溫調(diào)速搖瓶柜，CHI600C電化學(xué)工作站，721可見分光光度計。

2.2實(shí)驗過程

2.2.1菌種的培養(yǎng)

將處于對數(shù)生長期的BS，以1%的接種量接入滅菌處理(121 ℃，0.14MPa)的再生水中。另一組為等量的不加菌的再生水。置于120r/min，32 ℃恒溫?fù)u瓶柜中培養(yǎng)。試驗相關(guān)操作均在無菌操作箱中進(jìn)行。

2.2.2生長曲線及體系pH值測定

由于城市再生水中營養(yǎng)成分較豐富，可供細(xì)菌代謝利用，本實(shí)驗采用721分光光度計測定600nm下的吸光度，即為該菌種不同階段生長的菌密度。同時通過測定有菌和無菌體系pH值的變化，分析細(xì)菌代謝活動對水質(zhì)變化的影響。

2.2.3電化學(xué)試驗

三電極工作體系。參比電極是飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為304不銹鋼圓柱形試樣。用電化學(xué)工作站測量工作電極在兩體系中浸泡2h、16h、48h、72h、96h的塔菲爾極化曲線、電化學(xué)交流阻抗。

塔菲爾極化曲線測量的掃描速度1mV/s，掃描范圍以自腐蝕電位的(-0.8～0.6V)為基準(zhǔn)。交流阻抗譜頻率設(shè)定為1～100kHz，振幅為0.05V，靜置時間為2s，靈敏度設(shè)為自動。并利用ZSimpWin軟件擬合BS體系中的交流阻抗曲線。

3　結(jié)果與討論

3.1BS在再生水中生長曲線的測定

如圖1所示為BS在再生水中的生長曲線圖。BS在再生水中16h前生長緩慢，處于菌種適應(yīng)期；16～42h內(nèi)，菌體進(jìn)入對數(shù)生長期，該階段菌體生長較快，菌種處于代謝旺盛階段；隨之菌種進(jìn)入穩(wěn)定期，在該階段菌體數(shù)量最多，增長與死亡數(shù)量幾乎平衡；在48h之后處于衰減期，該階段菌種數(shù)量下降很快。

圖1　BS在無菌再生水中生長曲線Fig.1　Growth curve of BS in sterile reclaimed water

圖2　BS和空白體系不同時間溶液pH值Fig.2　pH value of reclaimed water with and without BS at different time

3.2pH值變化

由圖2可知，在無菌體系中，溶液呈現(xiàn)弱堿性，且在整個培養(yǎng)過程中，pH值略有增加。這可能是因為在無菌體系中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，不銹鋼電極作為陽極不斷溶解，陰極發(fā)生吸氧腐蝕而產(chǎn)生OH-。然而在BS體系中，初始階段pH值降低，在16h時達(dá)到最低pH值，隨著浸泡時間的延長，pH值呈上升趨勢，直至接近初始pH值。

分析pH值變化的原因：(1)BS生長代謝過程中可產(chǎn)生酸性物質(zhì)。初始階段再生水中營養(yǎng)豐富，菌種代謝活動旺盛，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)較多。(2)弱酸性體系將發(fā)生陰極的析氫過程，以及氧氣引起的吸氧腐蝕。從而使溶液pH值上升。

3.3電化學(xué)測試

3.3.1塔菲爾曲線測試

圖3為304不銹鋼電極分別浸泡在空白和BS體系中不同時間塔菲爾極化曲線。兩個體系304不銹鋼電極自腐蝕電位隨浸泡時間的延長均降低，說明腐蝕傾向增大，但無點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。表3為兩體系的304不銹鋼電極在不同時間內(nèi)的塔菲爾曲線擬合值。從數(shù)據(jù)可知，在空白體系中開路電位的變化范圍為-0.395～-0.475V；而在BS體系中開路電位變化范圍為-0.532～-0.613V，有菌體系的電極腐蝕傾向較大，說明BS代謝活動影響304不銹鋼電極的電化學(xué)過程。比較不同時間空白體系的腐蝕電流，可以看出，在2～48h浸泡過程中，腐蝕電流明顯增大，48h時腐蝕電流為5.299μA。在48～96h內(nèi)，腐蝕電流緩慢降低。這表明，在初始階段304不銹鋼電極裸露在溶液中，在還未形成腐蝕產(chǎn)物之前，腐蝕電流增大，當(dāng)表面腐蝕產(chǎn)物積累，陽極溶解速率減小，使腐蝕速率降低。

圖3　304不銹鋼電極在空白(a)和BS(b)體系中不同時間塔菲爾極化曲線Fig.3　Tafel polarization curves of the 304 stainless steel exposed to reclaimed water without(a)and with BS(b)at different time

時間(h)空白體系腐蝕電位/V腐蝕電流/μABS體系腐蝕電位/V腐蝕電流/μA2-0.3953.259-0.5323.34916-0.4414.460-0.5634.79948-0.4535.299-0.5941.16272-0.4844.822-0.5821.08596-0.4754.021-0.6130.759

由圖3b可見，BS體系在浸泡16h時腐蝕電流最大，即304不銹鋼電極的腐蝕傾向在細(xì)菌活性最高時最大。該階段細(xì)菌的代謝使304不銹鋼表面形成一層疏松的生物膜以及體系pH值的降低，均加速了304不銹鋼的腐蝕。此后腐蝕電流明顯降低，在浸泡96h時腐蝕電流降低至0.759μA，由于細(xì)菌的代謝使得營養(yǎng)物質(zhì)被消耗，以及體系pH值的上升，使生物膜的形成在304不銹鋼電極的腐蝕過程中起主要作用。隨著細(xì)菌菌體及其分泌的胞外聚合物吸附于電極表面，生物膜逐漸致密均勻，起到機(jī)械隔離作用，從而減緩了電極的腐蝕速率。這與Qu等[9]試驗研究得出的枯草芽孢桿菌在模擬海水中對冷軋鋼的減緩腐蝕實(shí)驗結(jié)果相一致。

3.3.2交流阻抗測試

圖4　304不銹鋼電極在空白(a)和BS(b)體系中不同時間交流阻抗譜Fig.4　EIS of the 304 stainless steel exposed to reclaimed water without(a) and with BS (b) at different time

圖5　不銹鋼在BS體系中不同天數(shù)的等效電路圖(a)2 h、16 h；(b)48 h、72 h、96 hFig.5　Equivalent circuit models for electrodes exposed to reclaimed water with BS at different time

如圖4所示為304不銹鋼電極在空白體系和BS體系中分別浸泡2h、16h、48h、72h、96h的電化學(xué)交流阻抗譜。兩體系的容抗弧均隨著浸泡時間的延長先減小后增大。BS體系不銹鋼電極浸泡2～16h內(nèi)容抗弧逐漸減小，這意味著電極體系阻抗值降低，表明電極表面溶解速率增加。48h后容抗弧逐漸增大，即電極表面腐蝕速率有所降低。這表明BS體系在16h達(dá)到最大腐蝕速率，此后腐蝕速率逐漸減小?？瞻左w系浸泡48h容抗弧減至最小，72h容抗弧呈增大。這表明空白體系在48h的腐蝕速度最大，此后腐蝕速率逐漸減小。這與極化曲線所得結(jié)論相一致。

為了進(jìn)一步探討B(tài)S生物膜對不銹鋼的腐蝕影響，采用簡單的模擬電路，將上述EIS響應(yīng)譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。BS體系中膜層變化所選用等效電路如圖5所示。圖5a表示存在腐蝕產(chǎn)物沉積層較少, 少量微生物吸附，模擬浸泡2h、16h膜層結(jié)構(gòu)； 圖5b表示同時存在生物膜和腐蝕產(chǎn)物膜，模擬浸泡48h、72h和96h膜層結(jié)構(gòu)。圖中的符號分別為:RS為溶液電阻;Qdl為雙電層電容;Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻:Qb為生物膜電容;Rb為生物膜電阻;Qc為腐蝕產(chǎn)物膜電容:Rc為腐蝕產(chǎn)物膜電阻。

由以上可分析，在無菌介質(zhì)中，初始階段陰極發(fā)生吸氧腐蝕，反應(yīng)如下：

Fe→Fe2++2e

H2O+1/2O2+2e→2OH-

304不銹鋼電極表面發(fā)生的這種電化學(xué)反應(yīng)加速了陽極的溶解，且伴隨著pH值的增加。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，會在不銹鋼電極表面生成不溶性腐蝕產(chǎn)物Fe2O3，阻止陽極金屬的繼續(xù)溶解。在BS體系內(nèi)，pH值的降低，溶液弱酸性條件下發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe→Fe2++2e

2H++2e→H2↑

BS體系在反應(yīng)初始階段產(chǎn)生的酸性物質(zhì)使電極腐蝕速率增大。此后吸附在電極表面的菌落量逐漸增加，達(dá)到吸附平衡時形成穩(wěn)定的生物膜，減緩不銹鋼電極的腐蝕。膜的形成減緩腐蝕原因如下：(1)細(xì)菌代謝消耗不銹鋼電極和溶液基體界面處的溶氧，減緩氧濃差腐蝕；(2)生物膜的存在阻止了腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散，因此抑制陽極的溶解。

4　結(jié)　論

(1)芽孢桿菌在生長代謝的初始階段產(chǎn)生酸性物質(zhì)，這將加速304不銹鋼的電化學(xué)腐蝕；

(2)芽孢桿菌菌落量的增加會在304不銹鋼表面形成致密的生物膜，該膜層在金屬和溶液間起機(jī)械隔離作用，抑制腐蝕過程。

[1] 張芳, 王啟山, 夏海燕.再生水回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水指標(biāo)與處理工藝探討[J].水處理技術(shù),2010,36(11): 128-131.

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[4]KobrinG.Apracticalmanualonmicrobiologicallyinfluencedcorrosion[M].NaceInternational, 1993.

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CorrosionBehaviorof304StainlessSteelinReclaimedWaterinthePresenceofBacillus

WEI Qun，HUANG Mei-hui，ZHANG Wan-you

(SchoolofChemicalEngineering，NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

ThegrowthcharacteristicsofBacillus,whichwasisolatedfromtheslurryofcoolingtowerinapowerplant,inrealreclaimedwaterwerestudied.Themicrobiologymethods,chemicalanalysismethods,andelectrochemicalanalysismethodswereemployedtoinvestigatethecorrosionbehaviorof304stainlesssteel,whichwasinfluencedbyBacillusinreclaimedwater.Theresultsshowedthatthecorrosionrateof304stainlesssteelwithBacilluswasdecreasedobviouslyduetotheformationofdensebiofilmsonthesurfaceoftheelectrodecomparedwiththeblanksystem.

bacillus;corrosion;microbiology;electrochemicalanalysis

魏群(1966-),女,碩士,副教授.主要從事生物工程方面的研究.

TG172

A

1001-1625(2016)01-0226-05