CN108535173A - 一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法 - Google Patents

一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，以高分子材料为主制备的模拟细菌生物膜分为两层，第一层为高分子和无机物复合高分子膜，含有腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物，涂覆在钢铁基体表面处；另一层为纯高分子膜，涂覆在复合高分子膜表面；涂有模拟细菌生物膜的试样置于模拟水环境中，水中的腐蚀介质以及腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物中释放出的腐蚀介质可透过模拟细菌生物膜扩散至钢铁基体处共同参与钢铁基体的腐蚀过程。本发明能够定量控制微生物腐蚀初期过程中的各种腐蚀因素、无需进行繁琐、耗时的微生物培养过程，可简便的实现对水环境中多因素作用下细菌腐蚀过程的模拟。

Description

一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法
技术领域
本发明属腐蚀学领域，涉及一种腐蚀试验方法，具体是指一种用于对水环境中钢铁材料表面微生物腐蚀过程进行实验室模拟的试验方法。
背景技术
微生物腐蚀是在微生物生命活动参与下所发生的腐蚀过程，这一过程广泛存在于石油工业、海洋装备、流体输送及水处理等领域，其引起的腐蚀失效问题日益受到工程和研究领域的重视。在含有微生物的水环境中，金属材料表面会形成细菌生物膜，微生物腐蚀即发生在这层细菌生物膜与金属材料的界面处。由于实际环境中影响微生物腐蚀过程的因素复杂而多变,同时也难以控制和定量描述,采用模拟生物环境的实验方法对评价材料海水腐蚀中生物因素的作用,揭示生物腐蚀的规律具有重要意义。
目前，惯用的微生物腐蚀过程模拟方法是对选定的微生物进行培养，进而形成特定的微生物腐蚀环境，再将试样置于该环境中进行腐蚀模拟。在含菌的液态培养基中对试样进行浸泡的方法可用于研究腐蚀速率及腐蚀产物组成(赵晓栋,段继周,武素茹等,中国腐蚀与防护学报,2008,28(5):299-302)。但是，当需要对腐蚀过程进行原位观察时，上述方法是不适用的。专利CN 2844899 Y报道了一种模拟微生物/大分子膜生成的实验装置，该装置设有带循环液出入口的模拟微生物腐蚀环境的可密封流动池，通过控制模拟液流速可使微生物在试样表面形成“条件膜”、“单层膜”、“成熟膜”等不同形态的微生物膜；流动池密封仓盖装有用于实时摄像、在线显微观察的探头以及扫描测量***。专利CN 101226136 B公开了一种基于固体培养基的镁合金微生物腐蚀方法，该方法涉及对硫酸盐还原菌腐蚀过程的模拟。具体步骤包括试样加工及灭菌、固体培养基的配置及灭菌、细菌的培养及活化、使用带菌培养基在试样表面进行恒温腐蚀。该方法克服了液态腐蚀介质浸泡法中微生物腐蚀过程难于原位观察的缺点，该方法实施过程相对简单、对试样表面处理要求低，便于对腐蚀过程进行原位观察。但是，无论是采用液态培养基还是采用固体培养基的方法均不能实现对微生物腐蚀过程的加速模拟，因而无法用来对材料的耐微生物腐蚀性能进行快速评价，其原因在于，培养基或培养液中供微生物生长的营养物质的量是固定的，因此培养基或培养液中所能容纳的微生物数量是一定的，随着营养物质的消耗，微生物数量必然经历由增加到衰减的过程，其代谢过程也必然经历由旺盛到停滞的过程，这也就意味着试样表面处的代谢产物、腐蚀产物浓度不可控并且不能一直维持在较高的水平，因此不能从代谢产物腐蚀机理和腐蚀产物腐蚀机理角度对腐蚀过程进行加速模拟。此外，在试验室内对微生物进行培养需配备灭菌、生化培养设备及多种辅助器材，过程繁琐、耗时长。由于真实海洋环境中影响微生物腐蚀过程的因素复杂多变，而实验室微生物培养过程繁琐耗时，一些微生物腐蚀研究中采用了模拟微生物膜的方法。例如将海藻酸钠凝胶沉积在金属材料表面，形成模拟微生物膜，在模拟海水中研究金属材料的电化学行为(王庆飞,隋静,万小山等,化工学报,2001,52(9):814-817)。但是，这种方法不能对腐蚀产物及代谢产物的影响进行模拟，同时也未考虑微生物膜外海洋环境因素的影响。
传统的微生物腐蚀研究方法需进行过程繁琐的微生物培养，无法准确控制微生物代谢产物、腐蚀产物浓度，因而不能对微生物腐蚀过程进行加速模拟，也不能有效的用于微生物腐蚀机理的深入研究。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术所存在的缺陷，提供一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，以高分子材料为成膜物制备模拟细菌生物膜。模拟细菌生物膜分为两层，第一层为高分子和无机物复合高分子膜，含有腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物，涂覆在钢铁基体表面处。上述高分子材料形成的膜层具有多孔结构，腐蚀介质可通过膜层的孔隙扩散至钢铁基体表面。另一层为纯高分子膜，涂覆在复合高分子膜表面，其作用是阻碍腐蚀介质向膜外水环境中扩散，促使更多的腐蚀介质向膜下的钢铁基体表面扩散。涂有模拟细菌生物膜的试样置于模拟水环境中，腐蚀产物模拟物或者代谢产物模拟物以及水中的腐蚀介质中释放出的腐蚀介质可透过模拟细菌生物膜扩散至钢铁基体处与腐蚀产物共同参与钢铁基体的腐蚀过程。
所述用于制备模拟细菌生物膜的高分子材料为海藻酸钠(SA)或琼脂。采用SA制备纯高分子膜时，先将SA制备成一定浓度的水溶液，将SA溶液延展成膜后，使用氯化钙水溶液作为凝胶剂，将其喷涂在SA液膜表面或者将涂覆有SA液膜的试样浸入其中，使SA液膜凝胶化而制得SA凝胶膜。SA溶液浓度和凝胶剂中氯化钙浓度是决定SA凝胶膜性能的主要因素。SA及氯化钙浓度过低则凝胶膜强度和耐水性不佳，浓度过高则凝胶膜韧性不佳。SA溶液的浓度为3wt％～5wt％；凝胶剂中氯化钙浓度为5wt％～7wt％。采用琼脂制备纯高分子膜时，先在加热条件下制备一定浓度的琼脂水溶液，将琼脂水溶液延展、冷却后成膜。制备琼脂水溶液时的加热温度为45～60℃，琼脂浓度为1.5wt％～3wt％。制备复合高分子膜时，向高分子水溶液中加入腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物并使其在高分子水溶液中均匀分散制得复合高分子水溶液，将复合高分子水溶液延展成膜后，采用与制备纯高分子膜相同的方法制备复合高分子膜胶膜；其中腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物依据所要模拟的水环境中的主要致腐蚀菌种确定。
对于淡水及海洋环境中常见的硫酸盐还原菌(SRB)，腐蚀产物模拟物选用FeS；代谢产物模拟物选用硫代乙酰胺(TAA)，它能在氢离子作用下水解生成H2S；FeS和H2S是SRB作用下引发钢铁材料腐蚀的主要因素；腐蚀产物FeS和代谢产物模拟物TAA在钢铁基体与模拟细菌生物膜界面处的富集方法是，将FeS和TAA与前述SA溶液共混制成混合液，将混合液涂覆于钢铁基体表面，再使之成膜，从而制得含有FeS及TAA的复合高分子膜；在复合高分子膜上再制备纯高分子膜，通过在钢铁基体表面先后制备复合高分子膜和纯高分子膜的方法达到富集腐蚀产物及代谢产物模拟物的目的。混合液中FeS浓度为0.01mol/L～0.2mol/L，TAA与FeS的物质的量之比为1:2～1:3。TAA水解所需的氢离子作用可由乙酸、丙酸、乳酸中的一种来提供，其在水溶液中的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L。有机酸电离出的氢离子透过高分子膜扩散至代谢产物模拟物和腐蚀产物模拟物FeS处并与之反应生成H2S，同时扩散至钢铁基体表面的有机酸作为除H2S之外的另一类代谢产物参与腐蚀过程。
铁氧化菌(IOB)是另一种水环境中常见的致腐蚀细菌，腐蚀产物模拟物选用Fe2O3；代谢产物模拟物选用硫酸，腐蚀产物模拟物Fe2O3可在代谢产物模拟物硫酸电离产生的氢离子作用下转化为Fe3+，Fe3+也是铁氧化菌代谢过程产生的主要腐蚀产物。腐蚀产物模拟物Fe2O3在钢铁基体与模拟细菌生物膜界面处的富集方法是，将Fe2O3与前述海藻酸钠溶液或琼脂溶液制成混合液，将混合液涂覆于钢铁基体表面，从而制得含有Fe2O3的复合高分子膜；在复合高分子膜上再制备纯高分子膜，通过在钢铁基体表面先后制备复合高分子膜和纯高分子膜的方法达到富集腐蚀产物及代谢产物模拟物的目的；混合液中Fe2O3浓度为0.01mol/L～0.09mol/L；硫酸在水溶液中的浓度为0.05mol/L～0.1mol/L，其电离出的氢离子通过海藻酸钠凝胶膜扩散至腐蚀产物Fe2O3处并与之反应生成Fe3+。
本发明的优点和有益效果是：
本发明所述试验方法能够定量控制微生物腐蚀初期过程中的各种腐蚀因素、无需进行繁琐、耗时的微生物培养过程。因此，采用本发明所述试验方法可简便的实现对水环境中多因素作用下细菌腐蚀过程的模拟，也可实现对金属材料耐微生物腐蚀性能的快速评价。
附图说明
图1是模拟SRB腐蚀试验方法原理示意图。图中1为钢铁基体，2为复合高分子膜，3为纯高分子膜，4为模拟水环境的水溶液。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
在对试样几何形状无特殊要求的情况下，试样尺寸推荐为50mm×25mm×5mm，顶端钻一直径5mm的孔，用于悬挂试样。进行失重腐蚀试验时，每组试样至少应有3个平行样。采用金属除油剂或丙酮等有机溶剂对试样表面进行脱脂处理；经脱脂并用水冲洗的试样立即投入无水乙醇中，取出后吹干并置于干燥器中备用。试样使用前需进行质量称量和尺寸测量，质量精确到0.001g，尺寸精确到0.1mm。
模拟海水为3.5wt％NaCl水溶液或按ASTM D1141-98(2003)配置的人工海水。模拟海水的量应大于20ml/cm2(试样表面积)。模拟海水温度及流速的模拟由旋转挂片腐蚀试验机实现，试验机带有水浴加热槽，试样悬挂于可调转速的试样架上，模拟海水的流速为0m/s～5m/s。
纯SA溶液的制备方法是，将SA加入到60℃的去离子水中，搅拌使其溶解，静置脱去气泡后待用。复合SA溶液由FeS粉末与SA溶液共混制得。FeS需用研钵研磨至200目。复合SA溶液的制备方法为：将FeS粉末及TAA加入到SA溶液中，以用高速分散均质机分散15min、在超声清洗机中处理5min为一个处理周期，共处理6个周期。
纯琼脂溶液的制备方法是，将琼脂加入到45～60℃的去离子水中，搅拌使其溶解，在静置脱去气泡后在保持加热状态下待用。复合琼脂溶液由FeS粉末与琼脂溶液共混制得。FeS需用研钵研磨至200目。复合琼脂溶液的制备方法为：将FeS粉末及TAA加入到琼脂溶液中，以用高速分散均质机分散15min、在超声清洗机中处理5min为一个处理周期，共处理6个周期。
模拟细菌生物膜的制备方法为：采用符合国标GB/T 1727的线棒涂布器或涂膜器在试样表面涂覆100～300μm厚复合高分子溶液膜，当采用的高分子材料为SA时，使用氯化钙水溶液作为凝胶剂，将其喷涂在SA液膜表面或者将涂覆有SA液膜的试样浸入其中，使SA液膜凝胶化而制得SA凝胶膜。根据研究需要可再在已凝胶的复合SA膜上再采用同样方法制备若干层复合SA凝胶膜。在复合SA凝胶膜表面，采用如上所述的成膜方法制备若干层纯SA凝胶膜。当采用的高分子材料为琼脂时，使溶液膜冷却至室温形成复合琼脂膜，根据研究需要可再在复合琼脂膜上再采用同样方法制备若干层复合琼脂膜。在复合琼脂膜表面，采用如上所述的成膜方法制备若干层纯琼脂膜。纯高分子膜与复合高分子膜共同组成模拟细菌生物膜。
实施例1：
模拟海水环境中钢铁材料表面由硫酸盐还原菌产生的细菌生物膜时，SA溶液浓度为3wt％；复合SA溶液中FeS的添加量为0.2mol/L；TAA与FeS的物质的量之比为1:2。模拟细菌生物膜制备时，凝胶剂中CaCl2浓度为7wt％。在钢铁基体上制备3层复合海藻酸钠凝胶膜，在复合海藻酸钠凝胶膜表面制备5层纯海藻酸钠凝胶膜。
模拟海水为3.5wt％NaCl水溶液，在其中加入浓度为0.5mol/L乙酸，模拟海水流速为5m/s，温度为25℃。
试样浸泡在模拟海水中后，模拟海水中的乙酸通过纯SA凝胶膜，扩散至复合SA凝胶膜中的FeS及TAA处，两者与乙酸作用生成含硫代谢产物H2S，H2S与乙酸通过复合SA凝胶膜扩散至钢铁基体处，与此处复合SA凝胶膜中的FeS共同参与钢铁腐蚀过程。
试样在模拟海水中浸泡72h(每隔24h更换模拟海水一次)。试验结束后可对试样进行表面腐蚀产物、形貌研究也可按国标GB/T 16545-1996对试样表面腐蚀产物进行清洗，参照国标GB/T14165-1993计算腐蚀速率。
实施例2：
模拟淡水环境中钢铁材料表面由铁氧化菌产生的细菌生物膜时，SA溶液浓度为5wt％。复合SA溶液中Fe2O3的添加量为0.05mol/L；模拟细菌生物膜制备时，凝胶剂中CaCl2浓度为6wt％。在钢铁基体上制备2层复合海藻酸钠凝胶膜，在复合海藻酸钠凝胶膜表面制备3层纯海藻酸钠凝胶膜。
模拟水环境为去离子水，温度为25℃，在其中加入浓度为0.05mol/L硫酸。将试样作为工作电极、硫酸水溶液作为电解液，采用电化学工作站进行电化学阻抗测试。测试温度为25℃，扫描范围为10-2～105Hz，正弦波电位幅值为20mV。
实施例3：
模拟海水环境中钢铁材料表面由硫酸盐还原菌产生的细菌生物膜时，琼脂溶液浓度为2wt％，温度为50℃。复合琼脂溶液中FeS的添加量为0.1mol/L；TAA与FeS的物质的量之比为1:3。模拟细菌生物膜制备时，将涂覆复合琼脂溶液或者纯琼脂溶液的试样冷却至室温既可。在钢铁基体上制备3层复合琼脂膜，在复合琼脂膜表面制备5层纯琼脂膜。
模拟海水为3.5wt％NaCl水溶液，在其中加入浓度为0.2mol/L丙酸，模拟海水流速为2m/s，温度为30℃。
试样浸泡在模拟海水中后，模拟海水中的丙酸通过纯琼脂膜，扩散至复合琼脂膜中的FeS及TAA处，两者与丙酸作用生成含硫代谢产物H2S，H2S与丙酸通过复合琼脂膜扩散至钢铁基体处，与此处复合琼脂膜中的FeS共同参与钢铁腐蚀过程。
试样在模拟海水中浸泡72h(每隔24h更换模拟海水一次)。试验结束后可对试样进行表面腐蚀产物、形貌研究也可按国标GB/T 16545-1996对试样表面腐蚀产物进行清洗，参照国标GB/T14165-1993计算腐蚀速率。
实施例4：
模拟淡水环境中钢铁材料表面由铁氧化菌产生的细菌生物膜时，琼脂溶液浓度为1.5wt％，溶液温度为45℃。复合琼脂溶液中Fe2O3的添加量为0.08mol/L；模拟细菌生物膜制备时，将涂覆复合琼脂溶液或者纯琼脂溶液的试样冷却至室温既可。在钢铁基体上制备3层复合琼脂膜，在复合琼脂膜表面制备2层纯琼脂膜。
模拟水环境为去离子水，温度为25℃，在其中加入浓度为0.05mol/L硫酸。将试样作为工作电极、硫酸水溶液作为电解液，采用电化学工作站进行电化学阻抗测试。测试温度为25℃，扫描范围为10-2～105Hz，正弦波电位幅值为20mV。
尽管以上结合试剂浓度、试验条件等参数对本发明的实施进行了具体描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述实施方式并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可作出多种形式的具体变换，这些均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，以高分子材料为成膜物制备模拟细菌生物膜，模拟细菌生物膜分为两层，第一层为高分子和无机物复合高分子膜，含有腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物，涂覆在钢铁基体表面处；另一层为纯高分子膜，涂覆在复合高分子膜表面；涂有模拟细菌生物膜的试样置于模拟水环境中，水中的腐蚀介质以及腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物中释放出的腐蚀介质可透过模拟细菌生物膜扩散至钢铁基体处共同参与钢铁基体的腐蚀过程。
2.根据权利要求1所述的一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，所述用于制备模拟细菌生物膜的高分子材料为海藻酸钠，采用海藻酸钠制备纯高分子膜时，先将海藻酸钠制备成一定浓度的水溶液，将海藻酸钠溶液延展成膜后，使用氯化钙水溶液作为凝胶剂，将其喷涂在海藻酸钠液膜表面或者将涂覆有海藻酸钠液膜的试样浸入其中，使海藻酸钠液膜凝胶化而制得海藻酸钠凝胶膜；海藻酸钠溶液的浓度为3wt％～5wt％；凝胶剂中氯化钙浓度为5wt％～7wt％；制备复合高分子膜时，向海藻酸钠水溶液中加入腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物并使其均匀分散，制得复合海藻酸钠水溶液，将复合海藻酸钠水溶液延展成膜后，采用与制备海藻酸钠凝胶膜相同的凝胶化方法制备复合海藻酸钠凝胶膜；其中腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物依据所要模拟的水环境中的主要致腐蚀菌种确定。
3.根据权利要求1所述的一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，所述用于制备模拟细菌生物膜的高分子材料为琼脂，采用琼脂制备纯高分子膜时，先在加热条件下制备一定浓度的琼脂水溶液，将琼脂水溶液延展、冷却后成膜；制备琼脂水溶液时的加热温度为45～60℃，琼脂浓度为1.5wt％～3wt％；制备复合高分子膜时，向琼脂水溶液中加入腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物并使其均匀分散，制得复合琼脂水溶液，将复合琼脂水溶液延展成膜后，采用与制备纯琼脂高分子膜相同的成膜方法制备复合琼脂膜；其中腐蚀产物模拟物和代谢产物模拟物依据所要模拟的水环境中的主要致腐蚀菌种确定。
4.根据权利要求2或3所述的一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，所述水环境中主要的致腐蚀细菌为硫酸盐还原菌，腐蚀产物模拟物选用FeS；代谢产物模拟物选用硫代乙酰胺；将FeS和硫代乙酰胺加入海藻酸钠溶液中或琼脂溶液中制成混合液，将混合液涂覆于钢铁基体表面，从而制得含有FeS及硫代乙酰胺的复合高分子膜；混合液中FeS浓度为0.01mol/L～0.2mol/L，硫代乙酰胺与FeS的物质的量之比为1:2～1:3；硫代乙酰胺水解所需的氢离子可由乙酸、丙酸、乳酸中的一种来提供，其在水溶液中的浓度为0.1mol/L～0.5mol/L；有机酸电离出的氢离子透过高分子膜扩散至代谢产物模拟物和腐蚀产物模拟物FeS处并与之反应生成H2S，同时扩散至钢铁基体表面的有机酸作为除H2S之外的另一类代谢产物参与腐蚀过程。
5.根据权利要求2或3所述的一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，所述水环境中主要的致腐蚀细菌为铁氧化菌，腐蚀产物模拟物选用Fe2O3；代谢产物模拟物选用硫酸，腐蚀产物模拟物Fe2O3可在代谢产物模拟物硫酸电离产生的氢离子作用下转化为Fe3+，Fe3+也是铁氧化菌代谢过程产生的主要腐蚀产物；将Fe2O3与海藻酸钠溶液或琼脂溶液制成混合液，将混合液涂覆于钢铁基体表面，从而制得含有Fe2O3的复合高分子膜；混合液中Fe2O3浓度为0.01mol/L～0.09mol/L；硫酸在水溶液中的浓度为0.05mol/L～0.1mol/L，其电离出的氢离子通过海藻酸钠凝胶膜扩散至腐蚀产物Fe2O3处并与之反应生成Fe3+。
6.根据权利要求1～3任一项所述的一种模拟水环境中钢铁材料表面细菌生物膜的方法，其特征在于，纯高分子膜制备2～6层，每层的厚度为100～300μm；复合高分子膜制备1～5层，每层的厚度为100～300μm。
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