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微生物對飛機油箱腐蝕的電化學研究

2015-12-23 11:57:23 作者：本網(wǎng)整理來源：

1綜述

民航業(yè)的飛速發(fā)展，使得很多原來被忽略的問題和隱患暴露了出來，其中微生物對燃油系統(tǒng)的污染就是其中之一。近幾年來發(fā)生了多起由微生物污染引起的航空事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失。國外相關機構很早以前就對此展開了研究，如美國ASTM發(fā)布的“燃油和燃油系統(tǒng)微生物污染指南”，以及IATA的“飛機油箱微生物污染指南材料”。

微生物是一切肉眼看不見或看得見的微小生物，它們都是一些個體微小構造簡單（大部分是單細胞）的低等生物。微生物種類繁多，在自然界無處不在，很難避免其進入供油系統(tǒng)及飛機燃油系統(tǒng)并在其中繁殖生長，造成污染。

因此對微生物污染問題展開研究，分析微生物污染對飛機油箱腐蝕的影響具有重要意義。

2實驗

2.1實驗儀器、材料

本實驗主要用到電化學工作站和生化恒溫培養(yǎng)箱

IMes6電化學工作站　　　　　　　德國制造

SPX-150B-Z型生化培養(yǎng)箱　　　　上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠

實驗材料為油箱下表面材質　　　　編號為7075-T6

2.2試驗介質的配置

目前發(fā)現(xiàn)航空煤油中含有微生物種類上達百種，包括細菌、真菌、放線菌、酵母等，所以本試驗測試所用介質為混合培養(yǎng)基，其中各成分配比如下表：

2.3試樣的預處理

使用鋼鋸把鎂鋁合金板切成30mm*10mm的掛片，工作面積為10mm*10mm，在非工作面上用封膠封住，實驗前依次用280#、600#和1000#的水磨砂紙打磨工作面，使表面光滑，用酒精、丙酮檫試干凈，放于紫外燈下滅菌20min備用。

2.4化學試驗介質和裝置

把電化學測試試樣分別放入有菌和無菌培養(yǎng)基中恒溫培養(yǎng)。

無菌培養(yǎng)基：將滅菌后的培養(yǎng)基在無菌環(huán)境下轉移到滅菌后的燒杯中，將制備好的鎂鋁合金掛片直接浸泡在培養(yǎng)基中，試樣上端必須全部浸在液中，放入32℃恒溫培養(yǎng)箱內，每一周更換一次相同成分溶液。

有菌培養(yǎng)基：將滅菌后的培電養(yǎng)基接入菌種，將鎂鋁合金掛片浸入其中，在32℃下恒溫放置，每一周更換一次培養(yǎng)液。

2.5電化學測試[5-7]

將鎂鋁合金掛片放置在無菌和有菌培養(yǎng)基中，每次取出掛片放入電解池中，放置半小時后開始進行電化學測試。電化學測量儀器用德國生產(chǎn)的IM6ex系統(tǒng)。分別測試極化曲線和交流阻抗譜。工作電極為鎂鋁合金掛片，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。所有進行的電化學測試都是在室溫條件下進行的。

電化學交流阻抗法：電化學體系中的阻抗是指電極阻抗或電化學池阻抗，電極阻抗是指當金屬導體被其周圍的導電性溶液（電解液）所包圍，電極與電解液之間的阻抗。電化學池阻抗是指電解液中兩個導體電極之間的阻抗。電阻、電容和電感是典型的阻抗元件，在電化學領域主要的阻抗元件是法拉第阻抗，但其不具有直接等效的電子電路，可將其分解為電阻和電容的并聯(lián)組合，電化學阻抗測試在自腐蝕電位下進行，其頻率范圍為10mHZ-100KHZ，交流信號幅值為5mV。

極化測試：范圍為-300mV-500mV（絕對電位）。掃描速度為1Mv/s。

圖1：經(jīng)典三電極體系示意圖

3實驗結果與討論

3.1極化曲線測試分析

圖2是掛片在無菌介質中不同浸泡時間的極化曲線。發(fā)現(xiàn)Ecorr基本維持在-0.5V，而且隨著電位的升高，腐蝕電流密度按比例增加，說明腐蝕電流的增加并不含有微生物活動的影響因素。

圖2：鎂鋁合金在無菌溶液中不同浸泡時間的極化曲線

圖3是掛片在有菌介質中不同浸泡時間的極化曲線。在0-2天時間里Ecorr從-0.519V下降到-0.547V，這是由于微生物在充足營養(yǎng)下急速繁殖代謝造成的，在鎂鋁合金表面形成了生物膜，加速了局部腐蝕過程。但是從2-4天電位稍有升高，這可能是由于微生物在生物膜大量消耗膜內的營養(yǎng)，但是膜內與膜外是隔離的，所以膜內的微生物因為得不到充足的營養(yǎng)物質，而不能繼續(xù)發(fā)生繁殖和代謝作用，因此漸漸死亡，膜因此繼而發(fā)生了破壞，生物膜剝離，局部腐蝕減輕。從4-6天Ecorr繼續(xù)下降，是因為，破壞了的生物膜表面又引入了新的微生物，并著床在合金表面進行繁殖代謝，由于微生物數(shù)量的增多再次形成了新的生物膜，又發(fā)生了局部腐蝕加速。從6-8天又重復了生物膜形成和生物膜破壞的過程，直至營養(yǎng)消耗完畢微生物全部死亡。

浸泡到第8天后的自腐蝕電位為-0.488V，而無菌的則為-0.450V。隨著電位的增加，腐蝕電流密度急劇增大，直至電位升高至-0.2V時仍沒有進入鈍化狀態(tài)，說明，生物膜的生成和剝離影響了鈍化的形成，在微生物大量存在的條件下，鎂鋁合金表面不容易發(fā)生鈍化，也就是沒有不可溶解的腐蝕代謝產(chǎn)物沉積在金屬掛片表面。從兩個圖中可以總結，只要微生物大量存在，就會發(fā)生嚴重的腐蝕，而且不會發(fā)生鈍化作用，即其腐蝕代謝產(chǎn)物不能促使鎂鋁合金發(fā)生鈍化，延緩腐蝕。

由于腐蝕介質中含有Fe2+、SO42-等，而硫酸鹽還原菌-SRB會利用此離子獲得的能量供繁殖代謝用，生成產(chǎn)物為黑色的FeS，附著在金屬表面上，發(fā)生鈍化作用，但是在此實驗過程中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的鈍化效果，由此可以推斷，在航油中可能不含有SRB。

圖3鎂鋁合金在有菌溶液中不同浸泡時間的極化曲線

3.2交流阻抗譜分析

圖4為鎂鋁合金在無菌介質中0-8天的Nyquist圖。可以看出隨著浸泡時間的變化，其阻抗大小也隨之發(fā)生了變化。金屬掛片在無菌培養(yǎng)基中只是阻抗值隨時間變化，其阻抗譜的形式?jīng)]有變化，但是圓心有下移，說明有彌散現(xiàn)象，不銹鋼浸泡在無菌培養(yǎng)基中的電極表面腐蝕產(chǎn)物膜分布不均勻，電極表面粗糙度高，電場分布不均勻以及馳豫過程的發(fā)生，均會產(chǎn)生彌散現(xiàn)象。

圖4鎂鋁合金在無菌介質中的Nyquist圖

圖5為鎂鋁合金在無菌介質中0-8天的bode圖。由圖（a）可以看出，在浸泡初期，其相位角曲線只有一個低頻段的時間常數(shù)，當浸泡到第四天時，開始出現(xiàn)兩個時間常數(shù)，說明此時，鎂鋁合金掛片開始在無菌介質中發(fā)生了腐蝕，并且在外加電流的影響下，金屬表面開始鈍化，形成了一種鈍化膜，并且這種鈍化一直持續(xù)下去，說明在無菌溶液中，金屬掛片形成了比較穩(wěn)定的腐蝕過程。而且由圖可以看出，相位角基本穩(wěn)定在一個角常數(shù)，腐蝕過程一直在穩(wěn)定的繼續(xù)。

圖5：鎂鋁合金在無菌介質中的bode圖（a、b）

圖6為鎂鋁合金在有菌介質中0-8天的Nyquist圖。在最初兩天，阻抗隨著浸泡時間增大而迅速減小，這是由于，細菌的大量繁殖，產(chǎn)生了較多酸堿物質，加快了腐蝕速度。從第2-4天，阻抗開始增大，說明是由于金屬表面微生物膜的形成，腐蝕減輕，進而使得阻抗增大，由此可以說明，微生物膜的存在對鎂鋁合金腐蝕起到了一定的延緩作用。但是在后期，即為4-6-8天，阻抗一直減小，說明，微生物對掛片起到了穩(wěn)定的腐蝕作用。由于Re代表介質及金屬的阻抗，因此可以用Re/1來表示腐蝕速度，隨著時間的延長，腐蝕過程一直繼續(xù)，而且腐蝕速度急劇增大，但是可能由于微生物數(shù)量在后期缺乏營養(yǎng)物質，數(shù)量減少，因此得到的阻抗值會比腐蝕初期略大。

圖6：鎂鋁合金在有菌介質中的Nyquist圖

圖7為鎂鋁合金在有菌介質中的bode圖。由圖（a）可以看出，腐蝕初期也同無菌一樣，為一個低頻段的時間常數(shù)。但是第四天開始出現(xiàn)兩個時間常數(shù)，說明此時有“鈍化”產(chǎn)生，但是此時是由于微生物膜的生成造成的，伴隨著生物膜的生成和破裂，導致會出現(xiàn)兩個時間常數(shù)和一個時間常數(shù)的交替。由極化曲線也可以得出，金屬表面并未發(fā)生鈍化，這也是由于掛片材質為Mg和Al這種輕金屬的原因，很難形成不溶沉積物，不易發(fā)生明顯的鈍化。

圖7：鎂鋁合金在有菌介質中的bode圖