Ni-P化學鍍層表面黏液形成菌微生物污垢特性

武霖，姚響

（1 廣東粵電中山熱電廠有限公司，廣東 中山 528445；2 東北電力大學能源與動力工程學院， 吉林 吉林 132012）

調查表明，90%以上的換熱器都存在不同程度的污垢問題[1]。換熱設備污垢問題很大一部分是由循環冷卻水中產生的微生物污垢引起的。微生物污垢會顯著增大壁面的污垢熱阻、流動阻力和腐蝕速率，威脅設備安全，造成能源的不必要浪費和經濟損失。Swee 等[2-3]實驗證明初試階段生物污垢層是由于多糖附著形成生物凝膠，其可進一步誘導附著的蛋白質、多糖和生物粒子形成黏性附著物。于大禹[4]、曹生現[5]和王大成[6]等基于模擬循環冷卻裝置，從松花江水中分離出黏液形成菌，并將各水質參數與微生物污垢生長進行了關聯研究。徐志明 等[7]對不同流速、溫度及濃度下鐵細菌在板式換熱器內的污垢特性進行了實驗研究。關曉輝等[8]利用污垢熱阻動態模擬實驗臺，動態模擬了3 種致垢菌及其混合菌的微生物污垢形成過程。楊倩鵬等[9]在實驗室內配制模擬流體進行混合菌種微生物污垢實驗。

如何解決換熱設備的腐蝕和污垢的問題，一直以來是研究人員關注的熱點之一。國內外學者進行了一些抑制或減輕微生物污垢的研究，如使用殺菌劑[10]、脈動流[11-12]等措施，但這些方法較傳統。化學鍍技術作為解決換熱設備防蝕防垢問題的最直接途徑，已逐漸應用于換熱表面來進行防蝕防垢。楊倩鵬等[13-14]研究了換熱表面鍍銀對微生物污垢的生長與形態的影響，結果表明鍍銀抑垢效果良好。劉天慶等[15]針對材料的表面自由能、表面粗糙度以及材料之間的界面能對生物垢的影響做了充分的研究。Bohnet 等[16]對碳鋼換熱表面進行改性處理，實驗表明隨著表面能的降低結垢誘導期將延長。Lee等[17]研究了在熱交換器的換熱表面涂上聚四氟乙烯對換熱設備性能的影響。化學鍍Ni-P 技術是制備金屬基功能性涂層的一種方法，目前它的主要應用在于使材料表面形成一層含有硬度高、耐磨性能優異、自潤滑性能好的涂層[18]，然而用于換熱器防垢方面的報道卻很少[19]。程延海等[20]采用化學鍍技術獲得了不同磷含量的鍍層，污垢沉積實驗和電化學實驗表明，抗垢性能與耐蝕性能有內在的聯系。

目前微生物污垢方面有初步的研究，材料領域對化學鍍Ni-P 技術有一定的研究，但國內外對化學鍍層換熱面上微生物污垢的研究較少。本文選用工業循環冷卻水中易形成微生物污垢的黏液形成菌作為研究對象，模擬換熱面微生物污垢沉積實驗，實驗中利用在微生物學研究中的生物技術即光電比濁法，研究Ni-P 鍍層表面的微生物污垢特性，為碳鋼材質換熱器提供一種行之有效地防蝕抑垢對策。

1 實驗與方法

1.1 黏液形成菌的分離與培養

本實驗使用的菌種為從吉林市臨江門段松花江水中分離純化得到的黏液形成菌（HB）。該菌株革蘭氏染色呈陰性，生理生化指標和電鏡掃描鑒定其為微球菌屬。HB 從水中的醇、糖、酸等有機源中獲取能量，是冷卻水中數量最多的一類有害細菌，它們在冷卻水中產生一種膠狀的或黏泥狀的、附著力很強的沉積物。雖然其本身不直接腐蝕金屬，但會引起沉積物下的腐蝕。

黏液形成菌的培養基：蛋白胨10g/L，牛肉膏3g/L，氯化鈉5g/L。

黏液形成菌的培養過程：按照上述配方配置培養基，HCl 或NaOH 調培養基pH 值至7.2±0.2，高壓蒸汽滅菌鍋（型號為YXQ-SG46-280S）中0.1MPa（表壓），121℃滅菌20min。在凈化工作臺（型號為SW-CJ-2FD）中，紫外線照射滅菌15min，將黏液形成菌接種于培養基中，在恒溫培養箱（型號為SPX-250B-Z）中30℃恒溫培養3 天。培養3 天的黏液形成菌就可以用于微生物污垢實驗。

1.2 化學鍍的工藝及配方

本實驗所采用的化學鍍基體材料為低碳鋼（規格為Q235A，尺寸30mm×30mm×0.5mm）。鍍液配方及溫度和pH 值如表1 所示。工藝流程為：砂紙打磨-堿液除油-水洗-酸洗除銹-水洗-活化-水洗-化學鍍。其中除油溶液組成：氫氧化鈉為30g/L，碳酸鈉為50g/L，磷酸三鈉為70g/L，OP-10 為4g/L，除銹液為20%硫酸，活化液為10%硫酸。

1.3 實驗原理

實驗中在燒杯中加入去離子水和鐵細菌，模擬換熱設備所處的冷卻水環境。低碳鋼片和具有Ni-P鍍層低碳鋼片模擬換熱設備的表面材料。靜態微生物污垢實驗裝置如圖1 所示，低碳鋼片和Ni-P 鍍層低碳鋼片放入燒杯中組成一個微生物污垢實驗的簡易裝置。此裝置放置于恒溫培養箱中，因為可以保證恒溫環境和相對密閉的環境，避免外界環境條件和溫度條件對實驗的干擾。

表1 鍍液配方及工藝參數

圖1 靜態微生物污垢實驗裝置圖

1.4 光電比濁法測定細菌數量

利用光電比濁法可以測定細菌數量的相對變化情況。光電比濁法所采用的儀器為分光光度計，其原理為：在分光光度計中，當光線通過微生物菌懸液時，由于菌體的散射及吸收作用使光線的透過量降低。在一定范圍內，微生物細胞濃度與光密度成正比；而光密度可以通過光電池準確測出，如圖2所示。因此，利用分光光度計測定不同培養時間細菌懸浮液的OD 值（光密度），以時間為橫坐標OD值為縱坐標繪制生長曲線，可以知道細菌數量的相對變化情況[21]，即菌懸液OD 值越大細菌數量越多，相反菌懸液OD 值越小細菌數量越少。本實驗中就是通過測量燒杯中液體的OD 值來得到細菌數量的變化情況。

圖2 光電比濁法測定細菌數量的原理

1.5 實驗過程

（1）培養細菌 利用上述黏液形成菌菌種及培養基，培養實驗所需的細菌。

（2）準備碳鋼試片 切割鋼材市場購買的低碳鋼板，得到尺寸為30mm×30mm×0.5mm 的試片，準備好后利用掃描電鏡（型號為JSM-6510）拍攝電鏡圖。

（3）配置菌懸液 取出在鼓風干燥箱（型號為GZX-9070MBE）中干熱滅菌的燒杯（保證燒杯無菌條件），按一定的比例加入黏液形成菌和去離子水，得到實驗所需的菌懸液。

（4）化學鍍 利用上述化學鍍配方及工藝，對低碳鋼片進行施鍍得到具有Ni-P 鍍層低碳鋼片。

（5）靜態微生物污垢實驗 兩個燒杯中裝入黏液形成菌菌懸液，低碳鋼試片和Ni-P 鍍層低碳鋼片懸掛于兩個燒杯中（低碳鋼片上鉆有孔），最后兩個燒杯放置于30℃的恒溫培養箱中5 天。

（6）記錄數據 在5 天的靜止污垢實驗中，每隔12h 利用電子天平（型號為ESJ200-4，精度為0.0001g）對低碳片稱重，同時每隔12h 利用分度光度計測菌懸液的OD 值。

兩個燒杯中的試樣和液體情況：燒杯1 中試樣為低碳鋼片，燒杯2 中試樣為Ni-P 鍍層低碳鋼片；2 個杯中液體均為黏液形成菌菌懸液。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗后試片表面狀況對比

為了避免光潔度對實驗的影響，在污垢實驗前對無鍍層的低碳鋼表面進行了研磨拋光處理，使其表面光潔度和具有Ni-P 鍍層低碳鋼片的表面光潔度一致。

經過5 天的靜止污垢實驗，低碳鋼片和具有Ni-P 鍍層低碳鋼片表面狀況及所在燒杯狀況如圖3、圖4 所示。可以看到，低碳鋼表面發生嚴重的腐蝕，表面有黃色氧化物生成，腐蝕產物均勻的分布在整個表面上。也可以看到5 天污垢實驗后的燒杯中液體的顏色由原來的白色變為黃色，而且杯底有黃色和白色沉淀物。液體變為黃色是由于腐蝕產物從碳鋼片表面脫落，一部分懸浮于水中一部分沉淀到杯底；杯底的黃色沉淀物是腐蝕產物和白色沉淀物是死菌體和代謝產物。對于圖4 中Ni-P 鍍層低碳鋼表面肉眼幾乎觀察不到任何的腐蝕現象，但表面有少點的白色微生物污垢附著。也可以看到5 天污垢實驗后的燒杯中的液體顏色仍為原來的白色，杯底有白色的沉淀物。液體顏色仍為白色沒有變為黃色，與懸掛碳鋼片的燒杯對比可進一步說明鍍層表面基本沒有被腐蝕。由于鍍層表面十分潔凈而且去離子水中除了溶有少量的可溶性有機物外基本沒有雜質，說明杯底的白色沉淀物只能為為死菌體和代謝產物。

圖3 低碳鋼片表面狀況及所在燒杯狀況

圖4 Ni-P 鍍層低碳鋼片鍍層表面狀況及所在燒杯狀況

從兩圖對比可以明顯看出，對于由黏液形成菌引起的微生物污垢和腐蝕污垢，鍍層表面有很好的抗腐蝕性能；但鍍層的抗垢性能還需進一步稱量鍍層試片，利用質量的變化來說明。

2.2 低碳鋼片和Ni-P 鍍層低碳鋼片表面形貌及質量變化情況對比

通過電子掃描電鏡（SEM）觀測，低碳鋼片施鍍前后放大200 倍后的表面形貌分別如圖5、圖6所示。可以看出，從鋼材市場采購的低碳鋼片表面有明顯的宏觀缺陷，粗糙不平、有較多孔隙、有成塊的大面積凹陷及銹斑和油污，但圖片中所示的劃痕是在金屬初期加工過程中必然會存在的加工痕跡，并不是金屬表面本身的缺陷。而且低碳鋼在機械加工過程中表面會形成加工變形層和極薄的氧化膜。低碳鋼片表面以上的這些缺點都易于微生物污垢的沉積及腐蝕的發生。施鍍后碳鋼片表面有明顯的鍍層生長，且鍍層覆蓋均勻、完整、致密。

圖5 低碳鋼片放大200 倍SEM 圖

圖6 Ni-P 鍍層放大200 倍SEM 圖

由圖6 與圖5 對比可以看出，Ni-P 鍍層表面比低碳鋼表面平整，粗糙度小于低碳鋼表面，并且無明顯的宏觀缺陷和銹斑，只有少許的小顆粒凸起。總體來說，有Ni-P 鍍層的低碳鋼片在表面形貌上要遠好于低碳鋼片。

經過5 天的靜止污垢實驗后，低碳鋼和具有Ni-P 鍍層低碳鋼片的質量變化情況如圖7 所示。圖7 中曲線a 為低碳鋼片質量隨時間的變化規律，可以看到質量是下降的，這和上文中的低碳鋼片和燒杯的照片所看到的現象是吻合的，曲線和圖片共同說明了碳鋼片表面有腐蝕現象產生。圖7 中曲線b為Ni-P 鍍層低碳鋼片質量隨時間的變化曲線，可以看到質量是上升的，質量的上升進一步說明了Ni-P鍍層表面無腐蝕現象發生，而是其表面有微生物污垢附著。增加的質量為附著在鍍層表面的污垢，質量上升的緩慢而且很少，最多時僅為0.002g，為結垢前鍍層試片質量的0.049%，因此Ni-P 鍍層低碳鋼片具有抗微生物污垢特性。Ni-P 鍍層具有抗垢性是因為：污垢組分粒子被輸運到壁面后，首先是粒子與壁面的附著，到達壁面的微生物粒子通常不會全部附著于表面而形成污垢，而是少部分附著于表面。但是固體表面的突出或凹陷的部分可以用于成核，在表面成核后才會有大面積的微生物污垢附著。而且附著在壁面上的污垢會重新脫離壁面或污垢層被流動流體帶走而發生污垢剝蝕。如果微生物污垢附著于凹陷的部分還會免受主流沖刷，更能穩固地附著于表面[15]。Ni-P 鍍層表面是光滑平整，因此不利于黏液形成菌微生物污垢的附著和利于污垢的 剝蝕。

2.3 低碳鋼片的質量變化及菌液OD 值變化情況

圖7 低碳鋼片和Ni-P 鍍層低碳鋼片質量隨時間的變化 曲線

經過5 天的靜止污垢實驗后，得到低碳鋼片質 量隨時間的變化曲線和燒杯中液體的OD 值隨時間的變化規律如圖8。圖8 中曲線a 為低碳鋼片所在燒杯液體OD 值隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，曲線起初一直處于上升的趨勢到最后趨于平穩。前期曲線一直處于上升的趨勢起初是由于黏液形成菌的生長繁殖使OD 值上升，后來是黏液形成菌的生長繁殖和腐蝕產物剝落進入溶液共同導致OD 值上升，因而在低碳鋼片上產生腐蝕污垢后曲線就不能反應黏液形成菌的生長繁殖規律，所以此曲線就不完全是黏液形成菌的生長曲線。最后曲線趨于平穩是由于死菌體和腐蝕產物沉淀到燒杯底的速度與腐蝕產物從碳鋼表面剝落的速度相等。

圖8 低碳鋼片的質量和菌液OD 值隨時間的變化曲線

圖8 中低碳鋼片質量隨時間的變化曲線分為兩部分，0～36h 是微生物污垢沉積階段，36～120h主要是微生物腐蝕階段。從圖中可以看出，0～12h碳鋼片的質量減小，因為碳鋼片的表面的一些油脂、灰塵等雜質脫離表面導致質量減小。12～36h 是一個質量先緩慢上升然后快速上升的過程，質量上升是因為有微生物污垢沉積于表面，而且從曲線a 中知道24～36h OD 值上升要比12～24h 快，說明24～36h 黏液形成菌生長繁殖速度快于12～24h，生長繁殖快、細菌數量多污垢沉積的相應也就快。36～120h質量一直是下降的，此階段質量下降是由于黏液形成菌沉積于表面形成微生物污垢后產生了垢下腐蝕，腐蝕產物會剝落導致質量下降。微生物引起低碳鋼表面腐蝕有以下兩個原因[1]。①濃差電池作用：微生物在金屬表面形成黏膜后，微生物繁殖消耗掉氧和其他養分后而導致黏膜厚度方向的濃度差異，形成了濃差腐蝕電池，加速了金屬的腐蝕。不僅如此，微生物還會通過代謝產物或作用破壞形成的保護膜，形成局部的活化-鈍化電池，被黏膜覆蓋區域的金屬一般便作為活化區而被腐蝕。②代謝產物的腐蝕作用：微生物的代謝產物多種多樣，其中有些代謝產物可直接或間接引起金屬的腐蝕。在這一階段中72～96h 質量下降得比較快，可能是因為此階段黏液形成菌處于其生命周期的穩定期，細菌數量最多、活性最高和代謝產物最多，所以腐蝕嚴重。96～120h 質量下降得相對緩慢，可能是因為此階段黏液形成菌處于衰亡期，細菌的數量減少和活性降低，因而腐蝕速度下降。

2.4 Ni-P 鍍層低碳鋼片的質量變化及菌液OD 值變化情況

經過5 天的靜止污垢實驗后，得到具有Ni-P 鍍層碳鋼片質量隨時間的變化曲線和燒杯中液體的OD 值隨時間的變化曲線如圖9。圖9 中曲線a 為Ni-P 鍍層低碳鋼片所在燒杯液體OD 值隨時間的變化曲線，此曲線為黏液形成菌的生長曲線。從圖中可以看出，0～24h 黏液形成菌處于調整期，此時期細菌生長緩慢，細胞形態會變大或增長。出現調整期是由于剛接種到去離子水中的種子細胞中，一時還缺乏分解或催化有關底物的酶或輔酶，或是缺乏充足的中間代謝產物，因此為產生誘導酶和合成有關的中間代謝產物需要一段適應的時間。24～60h黏液形成菌處于指數期，此時期細菌生長快速，菌體中酶系活躍，代謝旺盛，核糖體、酶類和ATP 被大量合成。60～96h 黏液形成菌處于穩定期，此時期細菌數量趨于穩定，新繁殖的細菌數與衰亡的細菌數相等。出現穩定期是由于營養物質的耗盡和營養物的比例失調，酸、醇或毒素等有害代謝產物的累積，pH 值、氧化還原勢等物理化學條件越來越不適。96～120h 黏液形成菌進入衰亡期，此階段細菌數量減少，外界環境對生長越來越不利，從而引起細胞內的分解代謝明顯超過合成代謝，繼而導致大量菌體死亡[22]。

圖9 Ni-P 鍍層低碳鋼片質量和菌液OD 值隨時間變化曲線

圖9 中曲線b 為具有Ni-P 鍍層低碳鋼片質量隨 時間的變化曲線。在分析中，將曲線a 和曲線b 一起分析，以曲線a 的分析結果為基礎對曲線b 進行分析。從曲線b 中可以看出，實驗初期質量下降，然后一直上升，最后有一小段趨于穩定然后下降。0～12h 質量下降，因為鍍層的表面同樣存在一些油脂、灰塵等雜質脫離表面導致質量減小。12～96h質量上升，說明此時鍍層表面不斷有微生物污垢沉積。其中12～36h 質量上升緩慢，因為此時細菌處于調整期，菌體數量和代謝產物較少，在鍍層表面沉積的微生物污垢較少。36～60h 質量上升較快，因為此時菌體處于指數期，菌體數量和代謝產物增加的很快，在鍍層表面沉積的微生物污垢就會很多。60～96h 質量上升最快，因為此時細菌處于穩定期，菌體數量和代謝產物是最多的，在鍍層表面沉積的微生物污垢較前階段都快。96～120h 質量趨于穩定并有下降的趨勢，因為此時處于衰亡期，菌體數量因死亡會減少。而且由于微生物的死亡而不再黏附于表面，導致微生物污垢從表面剝落。

2.5 污垢實驗后試片微觀形貌對比

經過5 天的微生物污垢實驗，利用掃描電鏡拍攝得到低碳鋼片和Ni-P 鍍層放大500 倍的SEM 圖如圖10、圖11 所示。從圖10 中可以看到試片表面有白色物質，此白色物質為黏液形成菌微生物污垢。從圖3 中已經可以看出試片表面有腐蝕產物，從此SEM 圖可進一步得出表面的腐蝕產物已經發生斷裂現象，有的腐蝕產物即將從基體上脫落下來。

從圖11 中可以看到表面只有少許的白色物質，此白色物質也為黏液形成菌微生物污垢。還看到試樣表面只是由原來的銀白色變成黑色，變黑是由于試片表面發生輕微的微生物腐蝕，而且鍍層表面無裂紋與剝落。

從兩SEM 圖的對比得知，碳鋼表面有裂紋與剝落現象而鍍層沒有，說明鍍層有較好的抗微生物腐蝕特性; 碳鋼表面有大量的白色物質即黏液形成菌微生物污垢而鍍層表面只有少量，說明鍍層有較好的抗微生物污垢特性。

圖10 低碳鋼片污垢實驗后的SEM 圖

圖11 Ni-P 鍍層低污垢實驗后的SEM 圖

3 結 論

（1）對于由黏液形成菌引起的腐蝕，Ni-P 鍍層相比于碳鋼表面具有很好的耐蝕性。

（2）Ni-P 鍍層有較好的抗黏液形成菌微生物污垢的特性。

（3）黏液形成菌的生長繁殖狀況、細菌數量及代謝產物數量與微生物污垢的形成有一定的內在聯系。菌體生長繁殖旺盛和細菌代謝產物多時，微生物污垢形成得快。相反，微生物污垢形成得慢。

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