海水微生物對Zn－Al－Cd犧牲陽極腐蝕性能的影響

宋秀霞，張 杰，楊東方，段繼周

（1上海海洋大學 水產與生命學院，上海 201306；2中國科學院 海洋研究所，山東 青島 266071）

在海洋環境中使用的設備和材料，有些由于各種微生物和海洋生物附著造成生物污損和腐蝕，會顯著減低其使用性能和壽命，不僅造成巨大的經濟損失和嚴重的事故，甚至危及生命安全［1］。近年來，微生物腐蝕已被越來越多的科學工作者所關注。當一種材料或物體浸于海水中后，表面很快就被細菌黏附，細菌分泌胞外多聚物（如胞外多糖），使細菌與基體之間、細菌與細菌之間相互粘接形成復雜的生物膜［2］。關于金屬在海水中微生物腐蝕的研究，已有研究學者做了很多工作，其中研究最多的是微生物對碳鋼和不銹鋼腐蝕的影響［3－5］。

犧牲陽極陰極保護法由于具有電流分散能力好，易于管理和維護，費用相對較低等優點，已被廣泛用于各種海洋設備的腐蝕防護［6］。其中，Zn－Al－Cd犧牲陽極具有較高的電流效率，對金屬設施保護效果較好，目前已成為應用最廣的犧牲陽極材料之一［7］。關于該陽極材料在熱海水的腐蝕機理和微量元素對其性能的影響，國內已有相關報道［8，9］，而關于海水環境中微生物膜對Zn－Al－Cd陽極材料腐蝕性能的影響，鮮有報道。

本工作主要采用電化學阻抗譜、掃描電鏡以及熒光顯微鏡技術等方法，通過對比研究滅菌和天然海水中Zn－Al－Cd犧牲陽極材料腐蝕行為，探討了陽極材料表面微生物膜對其性能的影響，該研究對海水中犧牲陽極的性能評價，犧牲陽極壽命預測以及污損生物群落對犧牲陽極陰極保護的影響等方面具有重要意義。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為Zn－Al－Cd合金，其化學成分（質量分數／%）如 下：Al 0.36，Cd 0.045，Pb 0.00092，Cu 0.0012，Fe 0.0021，余量為Zn。電化學測試、表面分析實驗以及熒光顯微鏡觀察所用試片規格均為10mm×10mm×6mm。根據實驗要求，電化學測試試片一端用銅導線焊接后，保留一面作為工作面，其余用環氧樹脂密封在PVC管中；表面分析實驗試片和熒光觀察試片分別在其一面用硅橡膠固定一段棉線。所有試片參照國標GB5776—86進行表面處理，試樣的工作面用水磨砂紙逐級打磨到1200＃，先用蒸餾水沖洗干凈，然后乙醇超聲清洗，再用無水乙醇沖洗，實驗前放在超凈工作臺中，在距紫外燈30cm處紫外滅菌30min。

1.2 實驗用海水介質

實驗用海水介質取自青島匯泉灣，經粗砂過濾凈化，在室溫下靜置5d，取一部分天然海水經121℃高溫高壓蒸汽滅菌30min，冷卻至室溫后取200mL作為滅菌海水體系；另取200mL天然海水作為未滅菌海水體系。滅菌海水冷卻后的各項指標與天然海水可以認為是相同的［10］。

1.3 電化學實驗

電化學實驗采用SI 1287恒電位儀和SI 1260頻響分析儀進行測試，測試體系為三電極體系。工作電極為Zn－Al－Cd試樣，對電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極（SCE）。開路電位和交流阻抗譜測試都在室溫下進行，周期為23d。交流阻抗譜的激勵信號為10mV正弦波電壓，掃描頻率范圍為10mHz～100kHz。采用Zplot軟件進行數據采集，采用ZSimp－Win電化學分析軟件對實驗結果進行擬合分析。

1.4 表面分析實驗

取兩個經121℃高溫高壓滅菌處理的250mL廣口瓶，在超凈工作臺中分別加入上述的滅菌和天然海水各200mL，每個廣口瓶中分別放入兩個按1.1節中方法處理的試樣，橡膠瓶蓋周圍用石蠟密封后置于室溫下。在9d和17d后，分別在潔凈工作臺中迅速取出滅菌和天然海水中的各一個試樣，進行預處理。無菌試樣用50%乙醇（溶劑為PBS）浸泡15min，75%乙醇浸泡15min，100%乙醇浸泡15min進行逐級脫水處理；有菌試樣用5%戊二醛溶液（溶劑為PBS）浸泡2h后，然后采用上述不同濃度的乙醇溶液逐級脫水。真空臨界干燥后，采用SEM觀察腐蝕形貌，加速電壓為20kV。

1.5 細菌的熒光顯微鏡觀察

取4個按1.1節中方法處理好的試樣，懸掛于盛有天然海水的廣口瓶，橡膠瓶蓋周圍用石蠟密封后置于室溫下，周期性地從天然海水中取出試樣作微生物熒光顯微鏡觀察。實驗前，用滅菌海水沖洗試樣3次，用5%戊二醛（用PBS稀釋）固定30min，然后用0.1%的4，6－二脒基－2－苯基吲哚（DAPI）避光染色15min。在避光下空氣中自然風干后，將染色的試樣放在載玻片上，放到Zeiss Axioplan熒光顯微鏡下觀察。

1.6 失重實驗

失重實驗試樣規格為10mm×10mm×6mm，在試樣的一面打號，按照1.1節中方法處理。然后用高精度電子分析天平準確稱重并記錄，在超凈臺中紫外燈滅菌30min后，將各組掛片分別浸泡在滅菌海水和天然海水中。失重實驗周期為9d，每組采用3個平行樣。

實驗周期結束后取出掛片，用毛刷除掉表面的雜物，再參照國標GB11112—89去除腐蝕產物。取出用自來水沖洗干凈后放入無水酒精中干燥。最后，取出吹干，放入干燥器24h后再稱重。

腐蝕產物去除后，采用單位時間內的平均腐蝕速率（mm／a）來表征試樣的腐蝕速率，計算公式如下：

式中：v為試樣的平均腐蝕速率，mm／a；w0為試樣的起始量，g；w1為去除腐蝕產物后的試樣量，g；A為試樣面積，m2；T 為試樣周期，h；ρ為金屬密度，g／cm3。

2 實驗結果與討論

2.1 開路電位

測得開路電位與時間曲線如圖1所示，可以看出，Zn－Al－Cd陽極在滅菌和天然海水中的腐蝕電位變化趨勢明顯不同。滅菌海水中試樣腐蝕電位在整個實驗期緩慢正移了20mV，考慮隨著反應的進行，腐蝕產物在試樣表面逐漸變得致密，導致電位正移。

圖1 試樣分別在滅菌和天然海水中開路電位隨時間的變化曲線Fig.1 Time dependence of Eocpfor sample in sterile seawater and natural seawater

對于天然海水中試樣，在實驗的1～5d，腐蝕電位迅速正移近30mV，這是由于海水中細菌逐漸附著在材料表面，其產生的代謝產物也吸附在電極表面，使電位出現了正移；在5～14d，試樣的腐蝕電位變化緩慢，這是因為細菌在試樣表面逐漸形成穩定的生物膜。在14～23d，試樣腐蝕電位負移了25mV，這是因為在封閉的體系中，隨著氧氣和營養物質的消耗，細菌逐漸死亡，從試樣表面脫落，腐蝕速率增加。

從開路電位變化的趨勢來看，在實驗前期，試樣在天然海水并有生物膜存在下，其腐蝕電位高于滅菌海水中的腐蝕電位。研究者在研究天然海水對不銹鋼和高鉬鋼的影響時也發現同樣規律，且更明顯［6，11，12］。

2.2 交流阻抗譜分析

2.2.1 滅菌海水中的交流阻抗譜分析

圖2為試樣在滅菌海水中測試23d的Nyquist阻抗圖，根據體系自身特點，選用圖4（a）為本實驗條件下的等效電路模型。其中，Rs表示溶液電阻，Cf表示表面層電容，Rf表示表面層電阻，Cdl表示界面雙電層電容，Rct表示電荷傳遞電阻。Rct可以用來表征金屬的腐蝕速率，其值越小則表明金屬腐蝕速率越大［13］。

圖2 試樣在滅菌海水中的交流阻抗譜Fig.2 Nyquist plots for samples in sterile seawater

表1顯示了試樣在滅菌海水中的電化學參數隨時間的變化情況。從表1可以看出，Rct值第5d出現了迅速下降，這可能是由于試樣表面的氧化膜被破壞，作為活性陽極材料的試樣直接暴露在海水中，腐蝕增加。到14d開始，Rct值又出現了逐漸增大的趨勢，這是由于腐蝕產物不斷增多，使得表面腐蝕產物層逐漸變得致密，從而在一定程度上導致腐蝕減慢。至第23d，Rct值又出現了減小的趨勢，可能是隨著時間的進行，腐蝕產物膜逐漸變得疏松，從而腐蝕速率增大。在整個實驗過程中，試樣在滅菌海水中的腐蝕速率經歷了增大，減小，再增大的變化過程。

表1 試樣在滅菌海水的電化學阻抗模型的參數分析Table 1 Results of the fit with the EIS model for the sterile seawater

2.2.2 天然海水中的交流阻抗譜分析

圖3為試樣在天然海水中的阻抗譜圖。根據體系自身特點，選用了圖4（b）為天然海水體系的等效電路模型。Qf表示表面層電容，Qdl表示界面雙電層電容。常相位角組件Q 的阻抗值ZCPE＝Y－10（jω）－n，其中，n為彌散指數，0＜n＜1，可用來判斷金屬表面的粗糙程度［14］。

表2顯示了試樣在天然海水中的電化學參數隨時間的變化情況。從表2可知，在1～23d，n1值逐漸由0.82減小到0.5458，這可能是由于隨著試樣表面腐蝕的加速，電極表面逐漸變得粗糙。

圖3 試樣在天然海水中的交流阻抗譜Fig.3 Nyquist plots for samples in natural seawater

在實驗的1～9d，Rct值從9561Ω·cm2迅速減小到1883Ω·cm2，這是因為作為活性陽極的試樣，在海水中發生自身快速腐蝕造成的。這段時間雖然細菌逐漸在金屬表面吸附并形成局部的團聚，但細菌吸附對腐蝕的抑制與該陽極自身的快速腐蝕相比，仍是非常微弱的，所以金屬的腐蝕速率逐漸增大。第14d，Rct值又逐漸增大，這是因為隨著細菌在金屬表面越來越多的聚集，逐漸在試樣表面形成了局部穩定的生物膜，在一定程度上阻擋了試樣的腐蝕，使腐蝕速率減小。到實驗后期，Rct值又逐漸減小，這是因為在密閉的體系中，隨著營養物質及氧氣的耗盡，細菌逐漸死亡，細菌代謝產物逐漸減少，生物膜逐漸脫落，所以試樣的腐蝕速率又增大。在整個實驗過程中，試樣在天然海水中的腐蝕速率經歷了先增大，后減小，再次增大的變化過程。

表2 試樣在天然海水中的電化學阻抗模型的參數分析Table 2 Results of the fit with the EIS model for the natural seawater

圖4 試樣在滅菌（a）和天然（b）海水中的阻抗等效電路模型Fig.4 Equivalent circuits of the impedance diagrams of the sample in the sterile seawater（a）and natural seawater（b）

滅菌海水中試樣的Rct值要比天然海水中試樣的Rct值小很多，原因可能是在滅菌海水中的試樣直接與海水介質接觸，海水中的氯離子等腐蝕介質加速了Zn－Al－Cd的腐蝕，同時，天然海水中的細菌消耗水中的氧氣在一定程度上也抑制了腐蝕的發生。在天然海水中，試樣表面附著的細菌通過代謝活動形成一層生物膜，這層膜使試樣不能與海水直接接觸，減緩了試樣的腐蝕。有研究表明試樣的生物膜的擴散屏障作用能有效阻隔溶液對基體的腐蝕，在一定程度上能減緩試樣的腐蝕速率，抑制了腐蝕［4，15，16］。

2.3 腐蝕速率測定

失重實驗所得Zn－Al－Cd陽極試樣在滅菌海水和天然海水中浸泡9d的腐蝕速率分別為0.1071，0.09811mm／a。由此可以看出，試樣在滅菌海水中的腐蝕速率大于試樣在天然海水中的腐蝕速率，表明天然海水中由于細菌的作用，在一定程度上減緩試樣的腐蝕，這與前面交流阻抗結果相一致。

2.4 SEM和熒光顯微鏡結果分析

圖5顯示了Zn－Al－Cd在滅菌海水中分別浸泡9d和17d的SEM形貌。從圖5（a）可以看出，試樣在滅菌海水中浸泡9d，試樣表面分布著一些白色的腐蝕產物，局部出現了腐蝕坑，試樣發生了不均勻腐蝕。分析可能存在的原因如下：（1）實驗初期，由于試樣表面的合金元素分布不均，發生了局部富集，這樣電位高于基體金屬的合金元素所組成的相與基體金屬構成了微腐蝕電池，使得金屬發生局部溶解［17］，龍萍等［8］認為試樣的局部腐蝕與鋁偏析相的存在有直接的關系，因為對于幾乎不含鋁的鋅陽極就不存在穿晶腐蝕和晶間腐蝕的問題。同時，在試樣表面，含有Al等電負性較高微量元素時，富Al區作為陽極優先溶解，鋅基局部表面發生如下析氫反應：

伴隨OH一產生，鋅基表面局部pH值上升，這也是發生局部腐蝕的必要條件［8］。（2）滲氫的作用。滲氫是由于在犧牲陽極的表面處理過程中，氫以原子狀態滲入工件基體或鍍層中造成的［18］。因為滲氫引起表面的機械損傷也會加劇陽極表面的局部腐蝕，尤其是晶間腐蝕［8］。

圖5 Zn－Al－Cd試樣在滅菌海水中分別浸泡9d（a）和17d（b）的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of the Zn－Al－Cd samples immersed in the sterile seawater for 9days（a）and 17days（b）

由圖5（b）可以看出，試樣在滅菌海水中浸泡17d后，表面沉積了一層較厚的腐蝕產物，在一定程度上減緩了腐蝕，這也與前面電化學結果相一致。

圖6顯示了Zn－Al－Cd在天然海水中分別浸泡9d和17d的SEM形貌。從圖6（a）可以看出，細菌在試樣表面局部團聚，結合電鏡及熒光結果顯示，發現附著在試樣表面的大部分是桿狀細菌，這個結果同馬士德在青島中港實海掛片得到的結果一致［19］。圖6（b）顯示試樣浸泡17d，在密閉的體系中，隨著氧氣和營養物質的消耗，細菌逐漸死亡，大部分已經從試樣表面脫落掉，這與前面開路電位的結果也是一致的，由于細菌的脫落，開路電位發生了負移，腐蝕速率增加，試樣發生的是均勻腐蝕。

圖6 Zn－Al－Cd試樣在天然海水中分別浸泡9d（a）和17d（b）的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of the Zn－Al－Cd samples immersed in the natural seawater for 9days（a）and 17days（b）

圖7顯示了Zn－Al－Cd試樣在天然海水中浸泡不同時間的熒光顯微鏡照片。可以看出，第5d細菌以單體的形式均勻地附著在試樣表面；到第9d出現了不均勻的團聚現象，這與掃描電鏡結果相符；隨著細菌的繁殖代謝，到第14d，細菌的聚集團逐漸變大，生成局部的生物膜。由于本實驗體系中使用的是密閉體系，沒有出現許鳳玲［12］等文章中提到的致密厚膜，他們每天更換新鮮的海水，由此也說明了致密生物膜的形成離不開海水中的氧氣和營養物質的存在。在密閉的體系中，隨著氧氣和營養物質的消耗，細菌逐漸死亡，第17d熒光顯微鏡的結果顯示，試樣表面生物膜基本已脫落，這個結果也與開路電位所測的趨勢是一致的。

3 結論

（1）交流阻抗譜實驗結果表明：試樣在滅菌和天然海水中的腐蝕速率都經歷了增大，減小，再次增大的變化過程。整個實驗過程中滅菌海水中的Rct值要遠遠小于天然海水中的Rct值，這是由于天然海水中的試樣表面附著的細菌通過代謝活動形成一層生物膜，同時消耗了水中的氧氣，在一定程度上減緩了試樣的腐蝕速率。

（2）SEM和熒光顯微鏡結果表明：在滅菌海水體系中的試樣發生了局部腐蝕，而在天然海水體系中的試樣腐蝕比較均勻。在天然海水中細菌先是在試樣上均勻附著，然后又形成團聚，進而形成局部的生物膜，最后由于氧氣和營養物質的耗盡從試樣表面上脫落。

圖7 Zn－Al－Cd試樣在天然海水中分別浸泡5d（a），9d（b），14d（c），17d（d）的熒光顯微鏡照片Fig.7 Fluorescence micrographs of Zn－Al－Cd immersed in the natural seawater for 5days（a），9days（b），14days（c）and 17days（d）

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