基于生物能量學研究微生物對2024鋁合金腐蝕行為影響

中國民航大學 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構應用以來,飛機油箱內的微生物腐蝕現象十分常見,所帶來的損失與危害也很大,是飛機飛行安全的一大隱患。由于飛機油箱內部的環境十分適合微生物的生存繁衍,導致微生物對飛機油箱的腐蝕情況十分嚴重。曾經報道過一架波音575客機機翼蒙皮不到5年時間內漏油導致報廢。據查明,該飛機報廢的原因是控制微生物腐蝕手段不嚴密,從而導致了巨大的經濟損失。

微生物對金屬的腐蝕是一個電化學過程,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部的微生物腐蝕情況。

本實驗通過電化學法,生物能量學知識通過設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微生物生長繁殖的方法,防止經濟損失。

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,故腐蝕對象設置為2024鋁合金,實驗對比和結論也通過對2024鋁合金的表面分析來實現。其化學組成如下表:

表1 2024鋁合金化學成分

1.2 電極準備 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線,用環氧樹脂封閉除了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實驗。[1]

1.3 實驗裝置 利用經典的三電極體系進行電化學測試,其中溶液為碳源含量不同的SRB培養基(通過控制培養基內提供碳源物質的含量進行調節),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工作站進行數據測量,分別測量自腐蝕電位、電化學阻抗以及極化曲線。測量交流阻抗時,設置測試頻率為1.0×(10-2～105)。測量極化曲線時,掃描電位的參數設置為“開路電位±0.3V”,靈敏度設置為10-4進行測量。[2]

1.4 實驗內容 生物膜內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雜混合物,因此生物膜可與金屬表面發生復雜的電化學反應[3],發生腐蝕現象。

進行電化學測試之前,需要將購買的凍干SRB恢復到正常生理活性,需要用SRB專用培養基配置液體培養基,將SRB接種至液體培養基后將其放入生化培養箱預培養3天,使SRB恢復正常活性,進行后續實驗。

2 實驗結果與分析

分別對碳源水平為1%、20%、50%和100%的四個培養基進行為期15天的電化學測試,如圖是綜合數據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由于極度的饑餓環境,大量的SRB會餓死,導致腐蝕程度小,但當碳源處于較低水平時,SRB數量比極度饑餓時數量多,可以通過腐蝕金屬獲取少量電子供給生命活動,產生比碳源充足時更嚴重的腐蝕[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,導致宏觀測得的腐蝕電流密度不斷減少。

3 結論

無碳環境下,SRB由于沒有足夠的營養物質大量餓死,導致腐蝕速率極低;SRB在低碳源環境下由于受到饑餓的影響,對金屬的腐蝕尤為劇烈;當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。