硫酸鹽還原菌附著對陰極保護(hù)條件下鈣質(zhì)沉積層形成及其對金屬保護(hù)性能的影響

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(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境腐蝕與生物污損重點實驗室，青島 266071； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3. 中國海洋大學(xué) 材料科學(xué)與工程研究院，青島 266100)

金屬在海洋環(huán)境中的腐蝕很大程度上是由于微生物引起的，因此微生物腐蝕會對海洋金屬構(gòu)筑物的安全造成嚴(yán)重危害，而硫酸鹽還原菌(SRB)被認(rèn)為是造成微生物腐蝕最主要的原因之一[1-4]。鋼結(jié)構(gòu)在含硫酸鹽還原菌海洋環(huán)境中的腐蝕也越來越受到人們的重視[5-6]。硫酸鹽還原菌是一種兼性厭氧菌，廣泛存在于厭氧和缺氧的環(huán)境中(如海泥)。它能夠利用硫酸鹽作為電子受體，將硫酸鹽還原為硫離子，然后利用氫化酶消耗積累在陰極的氫原子，同時與金屬離子反應(yīng)形成金屬硫化物，加速金屬腐蝕，造成嚴(yán)重的危害[7-10]。

陰極保護(hù)是海上石油平臺、鋼樁碼頭等大型金屬構(gòu)筑物防止微生物腐蝕最為常用的方法之一[11]。在陰極保護(hù)條件下，鋼結(jié)構(gòu)表面能夠形成一層以CaCO3和Mg(OH)2為主要成分的致密的鈣質(zhì)沉積層[12-13]。鈣質(zhì)沉積層能夠限制海水中的溶解氧擴(kuò)散到鋼結(jié)構(gòu)表面，降低保護(hù)電流密度，增強陰極保護(hù)的效果[14-15]。因此，鈣質(zhì)沉積層對于海洋環(huán)境中金屬構(gòu)筑物陰極保護(hù)的有效性和效率十分重要[16-17]。

在實際海洋環(huán)境中，細(xì)菌在鋼結(jié)構(gòu)表面附著并形成生物膜是一種非常普遍的現(xiàn)象，這會影響鈣質(zhì)沉積層的形成[18]。因此，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)被施加陰極保護(hù)時，為形成有效的鈣質(zhì)沉積，提高陰極保護(hù)的效果,應(yīng)盡可能避免細(xì)菌生物膜的形成。目前，關(guān)于微生物附著以及海洋生物膜與鈣質(zhì)沉積層之間的相互作用的研究較少，關(guān)于硫酸鹽還原菌與鈣質(zhì)沉積層之間的相互關(guān)系的研究則更有限。本工作結(jié)合電化學(xué)相關(guān)知識、表面分析以及微生物相關(guān)理論研究了硫酸鹽還原菌附著對Q235碳鋼表面鈣質(zhì)沉積層形成及其對金屬的保護(hù)性能的影響。

1 試驗

1.1 電極制備

電極材料選用Q235碳鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.31% Fe，0.1% C，0.4% Mn，0.12% Si，0.02% S，0.05% P。將Q235碳鋼制成尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的正方體試樣。將新開封Q235碳鋼試樣用丙酮清洗去除防銹油，然后使用蒸餾水沖洗，最后使用無水乙醇超聲清洗，吹風(fēng)機吹干后放入干燥器中備用。選取正方體試樣的一面作為工作面，工作面背面用φ2.5 mm銅芯導(dǎo)線焊接，再將試樣(除工作面)用環(huán)氧樹脂密封在φ25 mm聚氯乙烯管中，自然固化24 h，完成工作電極的制備。依次用400號、600號、800號、1 000號砂紙逐級打磨工作面，然后用丙酮超聲清洗，再依次用蒸餾水、無水乙醇清洗，吹風(fēng)機吹干后放入干燥器中備用。

1.2 硫酸鹽還原菌的活化、培養(yǎng)和附著

試驗所用的硫酸鹽還原菌是從青島膠州灣海域的鐵銹中提取的，經(jīng)過不斷分離純化并確定為純種的硫酸鹽還原菌后，將其放置在-20 ℃的冰箱中保種。硫酸鹽還原菌使用時需先使用修正的Postgate′s培養(yǎng)基進(jìn)行活化、富集培養(yǎng)。修正的Postgate′s培養(yǎng)基組分為：0.25 g KH2PO4，0.5 g NH4Cl，0.03 g CaCl2·6H2O，0.03 g MgSO4·7H2O，3.0 mL乳酸鈉，0.5 g酵母膏，0.15 g檸檬酸鈉，500 mL過濾后的陳海水[19]。硫酸鹽還原菌的活化、富集培養(yǎng)過程如下：將配制好的培養(yǎng)基放入高壓滅菌鍋中高溫(121 ℃)滅菌30 min，再將經(jīng)過紫外光照射30 min后的鐵屑加入到冷卻的培養(yǎng)基中；按照5%的接種量將冷凍的硫酸鹽還原菌接入到培養(yǎng)基中，再放入30 ℃的生化恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)3 d左右，硫酸鹽還原菌開始進(jìn)入指數(shù)生長期，且生長情況良好。在30 ℃的生化恒溫培養(yǎng)箱中，用經(jīng)活化和富集培養(yǎng)的硫酸鹽還原菌對Q235碳鋼電極進(jìn)行附著，附著時間分別為0 h，12 h，1 d，3 d，5 d。附著前Q235碳鋼電極需經(jīng)紫外線照射30 min。

1.3 電化學(xué)沉積

采用電化學(xué)沉積法將經(jīng)不同時間硫酸鹽還原菌附著的工作電極于新鮮海水中制備鈣質(zhì)沉積層。新鮮海水取自青島匯泉灣并經(jīng)過過濾，其氧溶解度為5.95 mg/L，pH為8.1。整個體系為三電極敞開體系，石墨板為輔助電極，由DJS-292E型恒電位儀作為極化電源[20]。電化學(xué)沉積過程中，極化電流密度為-30 μA/cm2，沉積時間為72 h，每隔12 h更換一次溶液以保證溶液中氧含量穩(wěn)定。在此條件下形成的鈣質(zhì)沉積層表面平整光滑，具有良好的結(jié)晶[21]，其化學(xué)成分以CaCO3為主，并含有少量Mg(OH)2[20]，鈣質(zhì)沉積層在金屬基體表面具備良好的附著力，對金屬的保護(hù)性優(yōu)良[22]。將制備好的鈣質(zhì)沉積層用氮氣干燥，然后放入干燥器中備用。

1.4 電化學(xué)測試

電化學(xué)測試采用三電極體系：飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極；鉑電極作為輔助電極；工作電極為此前制備好的表面含有鈣質(zhì)沉積層的Q235碳鋼。整個體系處于過濾的天然海水環(huán)境中。電化學(xué)測試儀器為Gamry 1000電化學(xué)工作站，在開路電位(OCP)條件下，對試樣施加幅值為10 mV擾動交流信號進(jìn)行電化學(xué)阻抗(EIS)測試，EIS測試的頻率范圍為10-2～105Hz。所有電化學(xué)測試數(shù)據(jù)通過ZSimpWin軟件進(jìn)行擬合處理。

1.5 表面形貌觀察和鈣質(zhì)沉積層成分表征

電化學(xué)沉積后,將環(huán)氧樹脂和銅導(dǎo)線與Q235碳鋼剝離，用50%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，60%，70%，80%，90%，100%酒精逐次脫水15 min，然后，采用二氧化碳臨界點干燥，對試樣表面噴金，使用日立高新技術(shù)有限公司S-3400N型掃描電鏡(SEM)及附帶的能譜儀(EDS)對鈣質(zhì)沉積層進(jìn)行表面形貌觀察和成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈣質(zhì)沉積層成分

經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面鈣質(zhì)沉積層的EDS譜以及其鈣元素和鎂元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別如圖1和表1所示。由圖1和表1可見:經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面鈣質(zhì)沉積層中主要元素都是鈣，并伴有少量鎂;鎂元素的含量隨著附著時間的延長先增加后減小，當(dāng)附著時間為5 d時，鎂含量最低。鈣質(zhì)沉積層主要由CaCO3和Mg(OH)2組成，Mg(OH)2含量的增加會使鈣質(zhì)沉積層的附著力下降，對碳鋼的保護(hù)效果下降[22]。硫酸鹽還原菌附著5 d形成的鈣質(zhì)沉積層中Mg(OH)2含量最少，其保護(hù)性能最佳。

(a) 12 h

(b) 1 d

(c) 3 d

(d) 5 d 圖1 經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面 鈣質(zhì)沉積層的EDS譜Fig. 1 EDS spectra of calcareous deposits on the surface of Q235 carbon steel after adhesion of sulfate reducing bacteria for different periods of time

表1 鈣質(zhì)沉積層中鈣元素和鎂元素的含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Content of calcium and magnesium in calcareous deposits (mass) %

2.2 鈣質(zhì)沉積層表面形貌

經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面鈣質(zhì)沉積層的表面形貌如圖2所示。從圖2中可以看到：硫酸鹽還原菌附著時間為12 h時，制備的鈣質(zhì)沉積層較均勻、致密，表面晶體較小，呈三角形狀并且排列規(guī)整；硫酸鹽還原菌附著時間為1 d時，制備的鈣質(zhì)沉積層不均勻也不致密，表面晶體依然比較小，呈三角形狀并且排列規(guī)整；硫酸鹽還原菌附著時間為3 d時，制備的鈣質(zhì)沉積層不均勻也不致密，表面晶體依然較小，但晶體形狀發(fā)生改變；硫酸鹽還原菌附著時間為5 d時，制備的鈣質(zhì)沉積層比較疏松，表面晶體比較大，晶體形狀呈現(xiàn)類似圓形。

2.3 電化學(xué)阻抗譜

經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面鈣質(zhì)沉積層的電化學(xué)阻抗譜如圖3所示，而不同試驗條件下電化學(xué)阻抗譜的等效電路以及擬合后得到電化學(xué)參數(shù)分別如圖4和表2所示。其中，Rsol代表溶液電阻，CPEdl代表電極表面雙電層的常相位角元件，Rct代表電極表面電荷轉(zhuǎn)移電阻，CPEf代表電極表面膜層的常相位角元件，Rf代表電極表面膜層電阻。

從Bode圖可見：硫酸鹽還原菌附著時間為12 h，1 d以及3 d時，制備的鈣質(zhì)沉積層只出現(xiàn)了一個峰，表明測試體系中只含有一個時間常數(shù)，選擇圖4(a)所示的等效電路擬合；硫酸鹽還原菌附著時間為5 d和沒有細(xì)菌附著(附著時間為0 h)時，制備的鈣質(zhì)沉積層出現(xiàn)了兩個峰，說明體系中含有兩個時間常數(shù)，選擇圖4(b)所示的等效電路擬合。

從Nyquist圖可見：隨附著時間的延長，各鈣質(zhì)沉積層容抗弧半徑逐漸變小，附著時間為5 d時，容抗弧半徑又增大；附著時間為0 h時制備的鈣質(zhì)沉積層的容抗弧半徑遠(yuǎn)大于硫酸鹽還原菌附著后制備的鈣質(zhì)沉積層的容抗弧半徑；同時，對于經(jīng)硫酸鹽還原菌附著后制備的鈣質(zhì)沉積沉積層，其最大的Rct值出現(xiàn)在附著時間為5 d時，但是該值遠(yuǎn)小于附著時間為0 h時制備的鈣質(zhì)沉積層的(9 282 Ω·cm2)，這主要是由于金屬表面生物膜的形成抑制了鈣質(zhì)沉積層的形成，使硫酸鹽還原菌局部腐蝕加速[23]。

(a) 12 h

(b) 1 d

(c) 3 d

(d) 5 d 圖2 經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面 鈣質(zhì)沉積層的表面形貌Fig. 2Surface morphology of calcareous deposits on the surface of Q235 carbon steel after adhesion of sulfate reducing bacteria for different periods of time

(a) Nyquist圖

(b) Bode圖 圖3 經(jīng)硫酸鹽還原菌附著不同時間后Q235碳鋼表面 鈣質(zhì)沉積層的電化學(xué)阻抗譜Fig. 3 EIS of calcareous deposits on the surface of Q235 carbon steel after adhesion of sulfate reducing bacteria for different periods of time: (a) Nyquist plots; (b) Bode plots

(a) 0 h,5 d

(b) 12 h,1 d,3 d 圖4 擬合圖3中電化學(xué)阻抗譜的等效電路Fig. 4 Equivalent circuits for fitting the EIS in Fig. 3

3 結(jié)論

(1) 硫酸鹽還原菌在碳鋼表面附著形成生物膜之后，鈣質(zhì)沉積層仍能沉積于碳鋼表面。

表2 電化學(xué)阻抗譜的擬合參數(shù)Tab. 2 Fitted parameters of EIS

(2) 在金屬表面被硫酸鹽還原菌附著形成生物膜的情況下，采用-30 μA/cm2電流密度，極化72 h獲得的鈣質(zhì)沉積層主要成分為CaCO3，幾乎不含Mg(OH)2。

(3) 無論硫酸鹽還原菌附著時間長短，生物膜的形成，都會使所需初始保護(hù)電流密度和局部pH降低，導(dǎo)致金屬表面鈣質(zhì)沉積層的量減少，對基體的保護(hù)性減弱，硫酸鹽還原菌局部腐蝕加速。

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