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中山大學劉宏偉副教授在海洋腐蝕防護中取得重要進展

2022-06-24 14:10:45 作者：材料人來源：材料人分享至：

01 【導讀】

現代社會，人們對隨處可見的自來水管早已司空見慣，隨時享受著水源暢通的便利性。然而在一百多年前，頻繁漏水的自來水鋼管卻給人們帶來了極大的困擾。當時的人們怎么也想不明白，防護很完善的鋼管究竟是如何從管道內部發生腐蝕破壞的。鋼鐵管道腐蝕生銹的過程需要氧氣參與，但輸送自來水的管道卻幾乎不存在氧氣。管道上一個個腐蝕坑洞往外凸起，仿佛有什么看不見的東西從管道內部往外沖，這一撲朔迷離的現象被當時的人們稱為魔鬼般的腐蝕。

隨著人們的調查與研究，這一魔鬼般的腐蝕現象得以揭開面紗。人們發現，自來水鋼管內部發生的腐蝕是由水中的微生物引起的，這類腐蝕也稱為微生物腐蝕（Microbiologically Influenced Corrosion，簡稱MIC），其中以硫酸鹽還原菌（Sulfate-Reducing Bacteria，簡稱SRB）危害最大。SRB為厭氧菌，也是一種兩性營養菌，既能以有機化能異養，也能礦質化能自養，在無氧環境下能以水中的硫酸鹽等為食。輸水管道內的無氧環境，水中溶解的硫酸鹽等恰為SRB提供了適宜的滋生條件。SRB在金屬表面繁育菌落、形成粘液沉積物，最終發展為獨特的腐蝕瘤坑。SRB在中高溫下均能生存，適應的pH范圍較為廣泛，并且能耐高鹽，極易繁殖，10-60分鐘就能繁殖一代，被認為是造成金屬微生物腐蝕最主要的腐蝕性微生物，常見于供水系統、油井、石油輸送管線的腐蝕現象。

近年來，針對SRB腐蝕問題，國內外學者展開了大量工作，主要集中在SRB的腐蝕行為與機制上，試圖闡明SRB誘發腐蝕的機理。但在實際應用中，如油氣田系統，往往會摻入緩蝕劑用于控制輸送管道的腐蝕問題。此時體系中并非單純的SRB與輸送管道腐蝕的問題，SRB和緩蝕劑之間的相互作用行為和規律對緩蝕劑的緩蝕作用勢必存在一定的影響。然而遺憾的是，由于SRB腐蝕行為和機制復雜，影響因素眾多，目前還缺乏深入的SRB腐蝕行為研究工作，關于SRB與緩蝕劑相互作用行為和規律的研究更為匱乏。

02 【成果掠影】

近日，中山大學劉宏偉副教授結合SRB腐蝕研究現狀，系統深入地研究了SRB在有機碳匱乏的條件下與油氣田常見的咪唑啉類緩蝕劑之間的相互作用行為和機制，并在Corrosion Science期刊發表了題為“Corrosion inhibition behavior of X80 pipeline steel by imidazoline derivative in the CO2-saturated seawater containing sulfate-reducing bacteria with organic carbon starvation”的最新研究成果。該課題研究了咪唑啉衍生物在硫酸鹽還原菌(SRB)存在下，在飽和二氧化碳的海水中對X80管線鋼的緩蝕作用。結果表明，SRB能吸附在鋼表面形成生物膜。在有機碳匱乏的情況下，較高初始濃度的SRB對鋼的腐蝕有抑制作用；而較低初始濃度的SRB會加速鋼的腐蝕。研究還發現咪唑啉緩蝕劑對SRB有毒性，加入咪唑啉后SRB的存活率下降。但當SRB初始濃度較高時，咪唑啉在界面吸附時可以與吸附在金屬表面的SRB發生交換，從而表現出更高的緩蝕效率。

03 【核心創新點】

1.顛覆性發現SRB并非一定會腐蝕金屬。在有機碳匱乏的條件下，SRB的腐蝕性較弱，反而會對金屬的腐蝕有抑制作用。

2.闡明了SRB與咪唑啉類緩蝕劑的相互作用行為和機制，進一步豐富了SRB腐蝕防護研究基礎。

04 【數據概覽】

圖1 不同浸泡齡期樣品在不同SRB初始濃度和未摻入/摻入緩蝕劑條件下的腐蝕速率（a）浸泡七天（b）浸泡14天 © Elsevier

圖1表明，無論是否摻入咪唑啉緩蝕劑，鋼的腐蝕速率均隨著SRB初始濃度的升高而增快。加入緩蝕劑后鋼的腐蝕速率普遍降低，SRB初始濃度較高時可以提高咪唑啉緩蝕劑的緩蝕率。

圖2 在CO2飽和海水有機碳匱乏條件下，不同SRB初始濃度樣品在不同齡期的Nyquist（a,c,e,g）和Bode圖（b,d,f,h）：(a, b)無生物控制組; (c, d) 107 cells /mL; (e, f) 105 cells /mL; (g, h) 103 cells/mL ? Elsevier

圖2 表明，SRB在鋼表面形成致密生物膜，并且隨著齡期的延長，鋼表面出現腐蝕過程的變化。

圖3 不同齡期腐蝕浸泡試驗樣品的Nyquist（a,c,e,g）和Bode圖（b,d,f,h）：(a, b)無生物控制組; (c, d) 107 cells/mL; (e, f) 105 cells/mL; (g, h) 103 cells/mL ? Elsevier

圖3表明，咪唑啉緩蝕劑能吸附在鋼上并形成吸附膜；摻入緩蝕劑的樣品的阻抗譜比未摻緩蝕劑的樣品阻抗譜增加一個數量級。SRB初始濃度較高時樣品的阻抗譜比無生物對照組的樣品阻抗譜半徑明顯更高。

圖4 腐蝕浸泡試驗14天后樣品的動電位極化曲線：（a）未摻緩蝕劑（b）摻入緩蝕劑 ? Elsevier

圖4表明，無論是否摻入緩蝕劑，樣品的腐蝕電流密度均隨著SRB初始濃度的增加而降低。摻入緩蝕劑后，樣品的腐蝕電流密度降低幅度更大。并且緩蝕劑的緩蝕率受SRB初始濃度的影響，初始濃度較高時緩蝕率更高，初始濃度較低時緩蝕率損失。

圖5 腐蝕浸泡試驗7天后樣品去除表面腐蝕產物后的表面3D形貌：(a)無生物控制組; (b)IM; (c) 107 cells/ml; (d) 107 cells/ml + IM; (e) 105 cells/ml; (f) 105 cells/ml + IM; (g) 103個cells/ml; (h) 103 cells/ml + IM ? Elsevier

圖5表明，浸泡7天時，在沒有摻入咪唑啉緩蝕劑的情況下，SRB初始濃度更高的樣品（107 cells/ml）腐蝕情況更輕。摻入緩蝕劑后，樣品表面的局部腐蝕得到抑制。

圖6 腐蝕浸泡試驗14天后樣品去除表面腐蝕產物后的表面3D形貌：(a)對照組; (b)IM; (c) 107 cells/ml; (d) 107 cells/ml + IM; (e) 105 cells/ml; (f) 105 cells/ml + IM; (g) 103cells/ml; (h) 103 cells/ml + IM ? Elsevier

圖6表明，隨著浸泡齡期的延長，樣品表面腐蝕情況加重。摻入緩蝕劑可以有效抑制腐蝕的加深，但SRB的存在會影響緩蝕劑的緩蝕效果。

05 【成果啟示】

本文研究結果進一步豐富了SRB腐蝕防護基礎理論，同時也進一步深入認識了SRB與緩蝕劑之間的界面作用行為和機制。然而，雖然已發現SRB會影響咪唑啉類緩蝕劑的作用效果，但SRB與咪唑啉類緩蝕劑的作用機制暫未明確，相關研究有待進一步深入。

文獻鏈接：Liu Hongwei et al. Corrosion inhibition behavior of X80 pipeline steel by imidazoline derivative in the CO2-saturated seawater containing sulfate-reducing bacteria with organic carbon starvation[J]. Corrosion Science, 2022, 203. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110345

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