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典型微生物腐蚀的研究发展

发布:多吉利        来源:www.duojili.cn  

典型微生物腐蚀的研究发展

摘要:微生物腐蚀是材料腐蚀的一个至关重要的因素。文章着重介绍了硫酸盐还原菌、硫氧化菌、腐生菌、铁细菌和真菌引起的典型微生物腐蚀,包括腐蚀机理、特性以及微生物腐蚀的防控办法。

关键词:微生物腐蚀  腐蚀微生物  机理   防控

     金属与水溶液相接触的表面会生成物生膜。由于生物膜内微生物的存在和其生命活动而引起的腐蚀称微生物的存在和其生命活动而引起的腐蚀称微生物腐蚀。微生物腐蚀是一种电化学腐蚀,所不同的是介质中因腐蚀微生物的繁衍和新陈代谢而改变以了与之相接触的界面的某些理化性质。微生物细胞新陈代谢的中间产物和/或最终产物的分泌物以及外酵素都能够引起材料失效。习惯上将细菌腐蚀分为厌氧腐蚀和好氧腐蚀,实际上在生物膜与细菌群体之中,多种菌类是共处一起的,在发生厌氧腐蚀的同时也在发生好氧腐蚀。参与腐蚀的菌主要有以下几类:硫酸盐还原菌、硫氧化菌、腐生菌、铁细菌和真菌。

     微生物腐蚀过程被认为是以下现象组成:腐蚀,微生物污泥团,以及在厌氧系统观察到的硫化氢、氢氧化铁或氢氧化亚铁的存在。这个过程与产能、化学过程、石油和船舶工业以及军事有关相当重要的关系。微生物腐蚀导致的经济损失是巨大的。据统计,微生物腐蚀在金属和建筑材料的腐蚀破坏中占20%,油井中75%以上的腐蚀以及埋地管道和线缆中50%的故障来自微生物的腐蚀(主要是硫酸盐还原过程)。近几十年对材料微生物腐蚀的大量研究表明,几乎所有常用材料都会产生由微生物引起的腐蚀。因此对这几类微生物的腐蚀机理、特性以及对微生物腐蚀的防治的研究非常重要。

1 典型微生物腐蚀机理和特性

1.1 硫酸盐还原菌是一类形态各异、营养类型多样、能利用硫酸盐或者其他氧化态硫化物作为电子受体来异化有机物质的严格厌氧菌。硫酸盐还原菌中被研究最多的是脱硫弧菌属,其中大部分是从环境腐蚀点以及石油沉积中分离出来的。据报道,SRB能引起各类金属的腐蚀,如碳钢、不锈钢以及铜合金。SRB代谢作用于产生的H2S很容易污染水稻等作物,而且污染空气。SRB在环境工程中也有很多应用,如燃料脱硫、生物浸矿、燃料、造纸、富硫酸盐的废水处理、重金属污染处理、核废料处理和原油泄漏污染处理等。

1.1.1 硫酸盐还原菌的腐蚀机理

(1) 阴极去极化理论:Kuhr提出了硫酸盐还原菌腐蚀的经典理论阴极骈极化作用。他认为硫酸盐还原菌的作用是使氢原子从金属表面除去,从而使腐蚀过程继续进行。

(2) 浓差电池:Sstarkey认为当部分金属表面有污垢或腐蚀产物(如铁的水化物)覆盖时,会形成气差或者浓差电池。在很多情况下,这种类型的腐蚀伴随着厌氧腐蚀,因为形成了适合SRB生存的环境。

(3) 沉积物下的酸腐理率:这个理论的依据主要是绝大多数MIC的最终产物是低碳链的脂肪酸,其中较常见的是醋酸。当醋酸在沉积物下浓缩时,对碳钢有很大的侵蚀性。在含氧环境中,紧靠沉积物下面的区域对于周围的大阴极成为小阳极。氧的阴极还原反应导致金属周围溶液的PH值变大。金属在阳极区形成金属阳离子。如果金属氢氧化物在溶液中是热力学稳定相,金属离子会被水解成H+。如果阳极区和阴极区是隔离的,阳极区的PH值会下降,阴极区PH值会上升。

(4) 阳极区固定理论:在金属表面形成闭塞电池的过程中,细菌的菌落最初形成的蚀坑主要由细菌的生命活动引起的。大部分的微生物都固定在菌落周围,这使得阳极区固定。此种理论用来解释约910%以上的MIC以孔蚀为特征。

(5) 局部电池作用:油田污水在添加杀菌剂前,含菌量可达到n×1012个/ml。在添加杀菌剂一,一般能下降到n×101个/ml以下,细菌腐蚀应当有所减弱。但极会发现,各类污水罐体继续腐蚀,出现黑色腐蚀物,这符合局部电池机理。该机理认为,在细菌S2-与Fe作用后,生成的部分FeS表面,在盐含量高的污水的作用下,相互持续反应,使管材腐蚀得以进行。

(6) 代谢产物腐蚀:培养基中的Fe2+对低碳钢厌氧腐蚀有影响。SRB的厌氧腐蚀也是由于其代谢产生了具有较高活性及挥发性的磷化物的结果,磷化物与基体铁、SRB产生的H2S,次磷酸盐与铁作用都可产生磷化铁,加剧了基体铁的腐蚀.SR B代谢产物形成的腐蚀产物膜会加速金属的局部腐蚀.

1. 2硫氧化菌

硫氧化菌是能氧化元素硫\硫代硫酸盐以及亚硫酸盐等产生代谢产物硫酸的一类好氧菌.硫氧化菌在酸性土壤及含黄铁矿的矿区中,能使土壤或矿水变酸导致腐蚀这类菌常见的有硫杆菌属中的排硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌。它们不同于常见的利用有机物作为能源生长的异养菌,而是能利用还原新型无机硫化物作为能源,包括许多硫酸盐和硫化物,将它们氧化成SO42+,或将硫化氢氧化成高价态硫化物;在厌氧条件下需要硝酸盐和溶解氧态氮,NO-3作为电子受体被还原成N2。

     硫氧化菌这几类常见功各目前研究较为广泛的是氧化亚铁硫杆菌,广泛存在于土壤、海水、淡水、垃圾、硫磺泉和沉积硫内,尤以金属硫化矿和煤矿等酸性矿坑水中最常见。作为浸矿的主要菌咱,它最初应用于金、钴和锌等多种金属的浸出。随着氧化亚铁硫杆菌在冶金生产中应用的日益广泛,人们注意到它在环境保护方面及一些科研领域同样有着良好的应用前景,其研究越来越受到广泛重视。

1. 3腐生菌

     腐生菌是异养型的细菌。在一定条件下,它们从有机物中得以能量,产生粘性物质,与某些代谢产物积累可造成腐蚀或堵塞。它是好气异养菌的一种,常见的有有气气杆菌、黄杆菌、巨大芽苞杆菌、萤光假单胞菌、枯草芽孢杆菌等,它们是一个混合体。腐生菌在咸水、淡水中以及有氧和无氧系统中均能生存。但是,其常见于低盐度的有氧系统中。腐生菌属于中温型细菌,生长温度在10-45℃,最适温度为25-30℃。许多油田水都能满足腐生菌生长的物理条件和营养物质,因此腐生菌在注入水系统中的存在极其普遍。腐生菌产生的粘液与铁细菌、藻类原生动物等一起附着在井筒和设备上,造成生物垢,堵塞过滤器和注水井,同时也产生氧浓差电池而引起腐蚀。同时还会促进硫酸盐还原菌等厌氧微生物的生长和繁殖,有恶化水质、增加水体粘度、破坏油层和腐蚀设备等多重副效反应。

1.4 铁细菌

铁细菌是好气异养,也有兼性异养和严格自养型,大量存在于冷凝水及部分腐蚀沉积物中。介质中铁浓度对细菌生长极为重要,一般在总铁量为6mg/L 的水中,铁细菌旺盛繁殖。铁细菌通过把亚铁氧化成三价铁而获得能量。铁细菌的腐蚀通过缝隙腐蚀机理而发生,氧化铁细菌的作用范围为高浓茺氧区和金属表面分成的小阳极点以及大范围阴极区。

铁细菌往往与其他微生物共同作用,例如铁细菌产生富含铁的厌氧环境,使SRB得以增殖,SRB与铁细菌相互作用,可加速不锈钢的腐蚀进程。

1.5 真菌

舰船上的设备主要受到高潮湿、高霉菌、高温度和高盐雾的侵蚀。其中海洋大气中的霉菌和微生物是造成设备腐蚀的一个重要因素。如果舰船的设备上具备了霉菌和生长的条件,空气中孢子落在其上,就会很快萌发生成大量的菌丝体。这些菌丝体都是由薄壁细胞组成,这些薄壁细胞里的主要万分是水。如果印刷电路板上布满了大量的菌丝,能使电子元器件的绝缘电阻下降,阻抗特性发生重大改变,有的造成严重漏电,甚至发生短路事故。在光学玻璃仪器上有了霉菌生长,直接影响了光透性,降低了玻璃的透明度,模糊不清,无法观察目标,致使设备不能正常可靠地工作。

飞机燃油中微生物的种类繁多,其中对飞机影响较大的有HORMOCONIS RESINAE真菌、Pseudomonasaeruginosa铜绿假单胞菌、Sphaerotilus natans浮游球衣菌、Clostridium梭菌、Bacillus杆状菌、Micro-coccus微球菌、Fusarium镰刀霉菌等。Hormoconis resinae是航空燃油中的主要真菌,据统计有93%的污染案例是由HORMOCONIS RESINAE引起的,能导致严重的损失。在燃油中它可以显现出各种颜色,从桃红褐色到灰褐色以至橄榄绿都曾经被发现过。适宜hormoconis resinae的生长温度估计是30-35℃。再低的温度也不能杀死它,低温只会使它冬眠。一旦温度回升,它又会重新活跃起来。

2 腐蚀微生物的防治

控制微生物腐蚀的方法主要有物理方法、化学方法和微生物方法。

2.1 物理方法

(1) 利用电离射:紫外线在260nm波长附近有很强的辐射,而这个波长恰好也可以被核酸所吸收,所以延长照射时间就可以杀死微生物;Y射线和X射线则能使细菌细胞的DNA链中两个相连的胸腺嘧啶碱基发生共价相连,使其复制发生错误,从而致死。利用超声波也可杀死微生物理学。

(2) 采用耐腐蚀材料或合适的防腐涂层:在基体材料中加入耐腐蚀的元素,或在材料的表面加一层涂层,以阻止MIC的发生。

(3) 加防护层和阴极保护:应用防护层是防腐工作中常采用的方法之一。阴极保护一般和防护层联合使用。通常在土壤和水介质中,可采用耐菌的有机或无机防护层以及外加电流的阴极保护来控制MIC。

2.2 化学方法

(1) 投加杀菌剂:投加杀菌剂是广泛采用的方法,但由于水质状况不同,以及微生物种群之间的差异,往往因杀菌剂的长期单独使用而使微生物对其产生抗药性。现在常用的两种杀菌剂分为氧化性和非氧化性两大类。

(2) 改变介质环境:调整介质的PH值;注入高矿化度水或盐水,通过渗透压降低细胞内部的水量;周期性地注入热水。通过上述方法,抑制和杀死微生物。

2.3 微生物方法

(1) 微生物控制法:利用微生物之间的共生、竞争抵抗的关系来防止微生物对金属的腐蚀,例如,有些菌可以产生类似于抗生素类的物质直接杀死腐蚀菌,或是引入其它微生物与原先存在的腐蚀菌竞争养分和生活空间。

(2) 限制营养源:限制金属构件周围的可供微生物生长的营养物。

3 结语

           微生物涉及工业的各个部门,随着工业的发展,微生物腐蚀问题将越来越突出。关于微生物腐蚀机制显得过于简单,在微生物腐蚀过程中,涉及很多因素,例如材料的材质、形状和所处的环境等等。很多情况下,多种微生物腐蚀共同进行,如好氧微生物的代谢活动给硫酸盐还原菌营造一个厌氧的环境,使硫酸盐还原菌得以繁殖,从而加速腐蚀。因而针对腐蚀机制的复杂交错,各种防控微生物腐蚀的方法应该综合起来应用,才能达到控制腐蚀的目的。

随着物理、化学和生物学科的发展,关于微生物腐蚀的研究也会进一步深入发展。关于微生物腐蚀依然有很多亟待解决问题,这此问题的解决才能推动防控微生物腐蚀的新技术的发展。

 

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