基于生物能量學(xué)研究微生物對2024鋁合金腐蝕行為影響

中國民航大學(xué) 天津 300300

引言

在日常的飛機航行過程中,飛機油箱是飛機的一個重要組成部件,自飛機上整體油箱結(jié)構(gòu)應(yīng)用以來,飛機油箱內(nèi)的微生物腐蝕現(xiàn)象十分常見,所帶來的損失與危害也很大,是飛機飛行安全的一大隱患。由于飛機油箱內(nèi)部的環(huán)境十分適合微生物的生存繁衍,導(dǎo)致微生物對飛機油箱的腐蝕情況十分嚴(yán)重。曾經(jīng)報道過一架波音575客機機翼蒙皮不到5年時間內(nèi)漏油導(dǎo)致報廢。據(jù)查明,該飛機報廢的原因是控制微生物腐蝕手段不嚴(yán)密,從而導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟損失。

微生物對金屬的腐蝕是一個電化學(xué)過程,需要在能源,碳源,水,電子供體,電子受體的共同作用下完成。在厭氧微生物腐蝕領(lǐng)域,硫酸鹽還原菌SRB特別具有代表性,故而通過研究SRB對飛機油箱的腐蝕情況模擬飛機油箱內(nèi)部的微生物腐蝕情況。

本實驗通過電化學(xué)法,生物能量學(xué)知識通過設(shè)計模擬實驗研究不同碳源濃度的飛機油箱底部積水溶液下SRB對2024-T3鋁合金腐蝕情況。在溶液配置完成接種SRB菌后,利用三電極體系進行電化學(xué)測試,通過測試出的開路電位,交流阻抗以及極化曲線繪制圖表,進而找到控制飛機油箱內(nèi)微生物生長繁殖的方法,防止經(jīng)濟損失。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料 該項目探究的是SRB對飛機整體油箱的腐蝕行為,整體油箱主要以2024鋁合金組成,故腐蝕對象設(shè)置為2024鋁合金,實驗對比和結(jié)論也通過對2024鋁合金的表面分析來實現(xiàn)。其化學(xué)組成如下表:

表1 2024鋁合金化學(xué)成分

1.2 電極準(zhǔn)備 制作工作電極試樣尺寸為:10mm×10mm×7mm。制作方法為:在工作電極的背面焊接銅導(dǎo)線,用環(huán)氧樹脂封閉除了2024鋁合金工作面之外的剩余面,對工作面用200#—2000#水磨砂紙逐級打磨,并用去離子水和無水乙醇清洗后自然風(fēng)干,實驗前需放在超凈工作臺上用紫外線燈滅菌30min,保證無雜菌污染后再進行后續(xù)實驗。[1]

1.3 實驗裝置 利用經(jīng)典的三電極體系進行電化學(xué)測試,其中溶液為碳源含量不同的SRB培養(yǎng)基(通過控制培養(yǎng)基內(nèi)提供碳源物質(zhì)的含量進行調(diào)節(jié)),工作電極為2024鋁合金,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極。用CHI660D工作站進行數(shù)據(jù)測量,分別測量自腐蝕電位、電化學(xué)阻抗以及極化曲線。測量交流阻抗時,設(shè)置測試頻率為1.0×(10-2～105)。測量極化曲線時,掃描電位的參數(shù)設(shè)置為“開路電位±0.3V”,靈敏度設(shè)置為10-4進行測量。[2]

1.4 實驗內(nèi)容 生物膜內(nèi)是富含不溶性硫化物、低分子有機酸、高分子胞聚糖所組成的復(fù)雜混合物,因此生物膜可與金屬表面發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)[3],發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

進行電化學(xué)測試之前,需要將購買的凍干SRB恢復(fù)到正常生理活性,需要用SRB專用培養(yǎng)基配置液體培養(yǎng)基,將SRB接種至液體培養(yǎng)基后將其放入生化培養(yǎng)箱預(yù)培養(yǎng)3天,使SRB恢復(fù)正常活性,進行后續(xù)實驗。

2 實驗結(jié)果與分析

分別對碳源水平為1%、20%、50%和100%的四個培養(yǎng)基進行為期15天的電化學(xué)測試,如圖是綜合數(shù)據(jù)得到的各個碳源水平下的腐蝕電流密度。

圖1 2024鋁合金在不同碳源水平培養(yǎng)基腐蝕實驗15d后的腐蝕電流密度變化圖

如圖1為2024鋁合金在不同碳源水平培養(yǎng)基腐蝕實驗15d后的腐蝕電流密度變化圖。由于腐蝕電流密度隨腐蝕速率的增大而增大。由圖可見,在碳源水平為0%時,SRB的腐蝕極為微弱;但當(dāng)碳源水平為20%時,SRB腐蝕程度驟增,之后再隨著碳源水平的增加,腐蝕程度逐漸降低。極低的碳源水平會抑制SRB的腐蝕;20%的碳源水平相較于0%的碳源水平,SRB對2024鋁合金的腐蝕程度的有較大的提升,并在碳源水平較低時就能達(dá)到峰值,再在溶液中增加碳源水平,SRB對2024鋁合金的的腐蝕程度反而較20%碳源水平有所降低,但仍然比無碳源水平腐蝕程度高。

由此猜測,無碳源時SRB由于極度的饑餓環(huán)境,大量的SRB會餓死,導(dǎo)致腐蝕程度小,但當(dāng)碳源處于較低水平時,SRB數(shù)量比極度饑餓時數(shù)量多,可以通過腐蝕金屬獲取少量電子供給生命活動,產(chǎn)生比碳源充足時更嚴(yán)重的腐蝕[4],因此碳源水平較低時,腐蝕電流密度激增;隨著碳源水平的不斷增加,現(xiàn)有碳源能夠滿足SRB的生命活動,所以對于2024鋁合金的饑餓攻擊行為逐漸降低,減弱了對鋁合金的腐蝕,導(dǎo)致宏觀測得的腐蝕電流密度不斷減少。

3 結(jié)論

無碳環(huán)境下,SRB由于沒有足夠的營養(yǎng)物質(zhì)大量餓死,導(dǎo)致腐蝕速率極低;SRB在低碳源環(huán)境下由于受到饑餓的影響,對金屬的腐蝕尤為劇烈;當(dāng)碳源水平逐漸升高時,“饑餓”帶來的影響越來越小,使得SRB逐漸減小了對2024鋁合金的腐蝕。