大腸埃希氏菌對QT500-7球墨鑄鐵腐蝕行為的影響研究

楊光明，孟俊臣，林 莉,2，范金龍,2，龔 敏,2，曾憲光,2

（1.四川輕化工大學材料科學與工程學院 四川 自貢 643000；2.材料腐蝕與防護四川省重點實驗室 四川 自貢 643000）

引 言

腐蝕是導致材料失效的重要因素。據統計，我國由腐蝕造成的經濟損失占國內生產總值的3.34%，其中約20% 的腐蝕都與微生物活動有關［1-2］。微生物腐蝕現象廣泛存在于海水和再生水輸送管道［3-5］。再生水是指廢水經適當處理后，達到一定的水質指標，可以進行有益使用的水，它作為一種有效獲得淡水的新途徑，在資源綜合利用中具有重要地位［6］。經處理后的再生水，仍含有較高濃度的有機物、氮、磷等營養物質［7］，這些營養物質的存在使再生水易滋生細菌等微生物。再生水中常見的細菌或微生物有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、埃希氏菌、硝酸鹽還原菌等，其中大腸埃希氏菌（Escherichia coli，Eoil）是再生水中最常見的細菌之一［8］。

150 多年以來，球墨鑄鐵因其成本低和機械強度高而被廣泛應用于給排水系統［9］。目前，我國給排水系統中在役的金屬管道90%以上由鑄鐵和不銹鋼組成［10］。金屬管道在實際使用時，其表面易成為微生物的附著場所。在有氧條件下，Eoil 繁殖較快，一定時間后會形成一層有利于自身生長的生物膜（生物垢），膜內微生物的生命活動會破壞膜內外環境的一致性，加速金屬的腐蝕進程［11］，導致輸水管道穿孔泄漏。目前已經有大量科研工作者開展了Eoil對316L不銹鋼、1018鋼等金屬腐蝕行為影響的研究，發現在培養基環境下，Eoil 會加速316L 不銹鋼的局部腐蝕，然而在模擬海水的環境下，Eoli生物膜對1018 鋼的腐蝕有抑制作用［12-15］。目前，Eoil對球墨鑄鐵腐蝕行為的影響研究鮮見報道。

采用失重法和電化學方法，通過對腐蝕形貌和腐蝕產物進行綜合分析，研究Eoil 對QT500-7 球墨鑄鐵腐蝕行為的影響，揭示影響規律，對再生水輸水管道中微生物腐蝕防護具有參考意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗中所用化學試劑純度均為分析純，其中戊二甲醛（50%溶液）購自成都金山化學試劑有限公司，乙醇、氫氧化鈉、氯化鈉、丙酮購自成都市科隆化學品有限公司，磷酸購自武漢塞維爾生物科技有限公司。試驗中所用蛋白胨與牛肉浸取物購于北京奧博星生物技術有限責任公司。試驗材料采用QT500-7球墨鑄鐵，其主要化學成分見表1。

表1 QT500-7球墨鑄鐵的主要化學成分

失重法、腐蝕形貌分析和電化學測試所用鑄鐵試 樣 尺 寸 分 別 為50.0 mm × 25.0 mm × 3.0 mm、15.0 mm × 10.0 mm × 3.0 mm、Φ12.0 mm × 20.0 mm，電化學試樣一面與Cu導線焊接，電極采用環氧樹脂密封，預留一面作為工作面，工作面用金相砂紙依次打磨至1200#，用拋光機拋光，然后丙酮除油，放在干燥箱中待用。所有試樣在使用前都需要放在紫外燈下滅菌30 min。

失重腐蝕試驗和電化學試驗的腐蝕介質采用Eoil 的CM0002 液體培養基。其成分為：蛋白胨5.0 g，牛肉浸取物3.0 g，NaCl 5.0 g，蒸餾水1000 mL，用1mol·L-1的NaOH溶液調pH至7.0。

1.2 菌種培養

試驗菌種Eoil由中國工業微生物菌種保藏管理中心（CICC）提供（編號：23429），在CM0002 液體培養基中繁殖。試驗所用物品經高壓蒸汽鍋（LDZX-50KBS，上海儀分科學儀器有限公司）滅菌20 min。在生物潔凈臺（BCM-1600A，蘇州安泰空氣技術有限公司）中，Eoil 按10%接種量進行接種，放入恒溫振蕩培養箱（TXZ-98AB，上海皖寧精密科學儀器有限公司）進行培養，溫度為37 ℃。

1.3 腐蝕失重試驗

用丙酮對失重試樣表面進行除油處理，紫外滅菌30 min 后，分別浸泡在含有Eoil 的培養基和無菌培養基中，將其放置在恒溫振蕩培養箱中培養5 d、10 d、15 d和20 d。試樣浸泡結束后，清除腐蝕產物，根據浸泡前后試樣的質量損失情況，按式（1）計算球墨鑄鐵的腐蝕速率［16］：

其中：V-為失重腐蝕速率，g·m-2·h-1;ΔW-為腐蝕前后試樣的質量差，g；S為試樣表面積，m2；t為腐蝕時間，h。

1.4 電化學測試

采用三電極體系，工作電極為QT500-7 球墨鑄鐵，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。電化學測試系統為AMETEK 的Solartron1287+1260A 電化學工作站。自腐蝕電位的測試時間為1800 s。待自腐蝕電位穩定后，進行電化學阻抗譜和極化曲線的測試。電化學阻抗譜測定的頻率范圍為0.01～100 000 Hz，正弦波幅為10 mV。極化曲線測試的電位掃描范圍為-2.0～0.5 V(vs.SCE)，掃描速度為1.67 mV·s-1。設置不接種Eoil的培養基做空白對照。自腐蝕電位和極化曲線測試結果采用CView2 進行擬合，電化學阻抗譜測試結果采用ZView2軟件進行擬合。

1.5 表面形貌分析

采用掃描電子顯微鏡（TESCAN Vega-3SBU，上海永傲精密儀器有限公司）對腐蝕后試樣表面的菌種分布、試樣腐蝕形貌進行分析。將腐蝕后的QT500-7 鑄鐵試片取出，用2.5%戊二醛在4 ℃下固定2 h，然后進行乙醇梯度脫水，用磷酸緩沖溶液和無菌水分別清洗干凈，并用氮氣將表面吹干，放入干燥箱中保存，以進行表面菌種分布的SEM 觀察。另準備一組樣品，經蒸餾水清洗去除表面生物膜后，用SEM 觀察生物膜下腐蝕形貌。將腐蝕產物收集，采用X 射線衍射儀（DX-2600，丹東方圓儀器有限公司）分析腐蝕產物的物相組成。

2 結果與討論

2.1 失重腐蝕速率

采用失重法計算QT500-7 球墨鑄鐵分別浸泡在含菌體系和無菌體系的平均腐蝕速率，結果見表2，含菌體系平均腐蝕速率為V-E，無菌體系平均腐蝕速率為V-0。由表2 可知，在含菌體系下，隨著腐蝕時間的延長，失重腐蝕速率明顯增大，并且含菌體系與無菌體系腐蝕速率的比值持續增大，這可能是細菌附著在QT500-7 球墨鑄鐵表面，細菌分泌的胞外聚合物與Fe 發生螯合反應導致鑄鐵的腐蝕進程加快［17］，說明Eoil 的存在明顯促進了QT500-7球墨鑄鐵的腐蝕。

表2 鑄鐵在無菌體系和含菌體系中的失重腐蝕速率

2.2 電化學特性分析

2.2.1 自腐蝕電位

圖1所示為QT500-7球墨鑄鐵在含菌體系和無菌體系下的自腐蝕電位變化情況。

圖1 鑄鐵在無菌和含菌體系中不同時間點的自腐蝕電位

從圖1可以看出，無菌體系自腐蝕電位在1～2 d內正移，原因是浸泡初期，腐蝕產物大量沉積形成電極表面膜層，阻礙了侵蝕性離子在電極表面的擴散；2 ～8 d 自腐蝕電位保持負移，原因是隨著浸泡時間延長，電極表面膜層部分脫落，不均勻性導致腐蝕傾向增大，腐蝕產物層也變得疏松多孔，失去了對電極的保護作用，QT500-7 球墨鑄鐵腐蝕加快。含菌體系自腐蝕電位在1～8 d 始終保持負移，原因是Eoil 由潛伏期進入快速生長期，在球墨鑄鐵基體表面形成多孔的生物膜，不僅可捕獲細菌分泌的代謝產物，還可使球墨鑄鐵電極表面的溶液組分濃度、pH 和氧濃度在局部發生較大改變，形成濃度梯度［18］，增加了溶液的腐蝕性，使電極電位負移。2 d后，含菌體系的自腐蝕電位始終低于無菌體系，這說明Eoil 的存在促進了QT500-7 球墨鑄鐵的腐蝕，這與失重腐蝕試驗的結果一致。

2.2.2 極化曲線

QT500-7 球墨鑄鐵樣品在無菌體系和含菌體系中浸泡8 d 后的極化曲線測試結果如圖2 所示，與無菌體系相比，含菌體系的腐蝕電位發生了明顯的負移，這表明Eoil 促進了QT500-7 球墨鑄鐵的腐蝕。

圖2 鑄鐵在無菌體系和含菌體系中浸泡8 d時的極化曲線

表3 所示為采用CView2 軟件計算擬合得到的電化學反應動力學參數。其中Icor為腐蝕電流密度，Ecor為腐蝕電位，βa和βc為陽極、陰極反應的Tafel 斜率。由表3 可知，含菌體系的Icor值大約是無菌體系的6 倍。究其原因可能是隨著腐蝕反應的進行，由于Eoil 生物膜較薄和多孔的特性使得腐蝕速率加快[19]，表現出腐蝕電流增大，腐蝕電位負移。這表明Eoil 明顯加速了QT500-7 球墨鑄鐵的腐蝕，與失重腐蝕的測試結果一致。

表3 鑄鐵的腐蝕動力學參數

2.2.3 電化學阻抗譜

圖3所示為球QT500-7型墨鑄鐵在無菌體系和含菌體系下的Nyquist圖。從圖3（a）可以看出，隨著球墨鑄鐵在無菌體系中浸泡時間的延長，容抗弧半徑不斷增大，表明電極表面阻抗值不斷增大；從圖3（b）可以看出，含菌體系中容抗弧半徑在1～5 d 增大，6 ～8 d 內減小，原因是在浸泡初期，QT500-7 球墨鑄鐵表面形成一層致密的腐蝕產物膜，對基體有一定的保護作用，在浸泡后期，腐蝕產物逐漸增厚，內應力增大，腐蝕產物膜破裂，導致基體的腐蝕程度加劇［20-21］。

圖3 鑄鐵在無菌體系和含菌體系中的Nyquist 圖

采用圖4 所示等效電路圖進行擬合。其中Rs為溶液電阻；Qdl為雙電層電容；Rct為電荷轉移電阻；Qbf為生物膜電容；Rbf為生物膜電阻。采用Zview2 軟件進行擬合，電化學交流阻抗譜的擬合結果見表4。

表4 鑄鐵在無菌體系和含菌體系中的阻抗譜擬合結果

圖4 無菌體系和含菌體系中阻抗譜的等效電路圖

由表4可知，在含菌體系和無菌體系中，溶液電阻Rs均較小，表明溶液導電性能良好。在含菌體系中，Rbf在1～5 d 內增大，6 ～8 d 內減小，表明微生物膜在后期出現部分脫落現象。電容值Qbf大小與表面生物膜的厚度與粗糙度有關［22］，在含菌體系中Qbf在1～3 d 內上升，在4 ～8 d 內出現波動，這可能是因為浸泡初期，生物膜處于穩定生長的狀態，而波動的變化是由于細菌在浸泡后期附著狀態處于動態變化。Rct表明電荷轉移的難易程度，可以用來表征金屬腐蝕速率，電荷傳遞電阻越大，金屬腐蝕速率越小［23］。在無菌體系中，浸泡初期，Rct電阻值較小，隨后電阻值逐漸增大，這是由于浸泡初期，QT500-7球墨鑄鐵基體表面并未形成完整的腐蝕產物膜，溶液中的腐蝕性離子對球墨鑄鐵進行了嚴重的侵蝕；浸泡后期，隨著基體表面致密的腐蝕產物層的形成，對球墨鑄鐵起到了很好的保護作用，這與失重測試結果一致。可以觀察到，3 d 以后，含菌體系中電荷轉移電阻Rct大約是無菌體系中的1/10，遠遠小于無菌體系，這是因為Eoil 使QT500-7 球墨鑄鐵發生陽極氧化反應，加速了其腐蝕歷程。

2.3 腐蝕形貌及腐蝕產物分析

2.3.1 腐蝕形貌分析

QT500-7球墨鑄鐵樣品在無菌體系和含菌體系中浸泡前、浸泡4 d時、浸泡8 d時的微觀腐蝕形貌如圖5所示，其中黑色的類圓形部分為球狀石墨組分。從圖5可以看出，隨著浸泡時間的增加，無菌體系中QT500-7 球墨鑄鐵試樣表面只有輕微的腐蝕痕跡；而含菌體系中QT500-7 球墨鑄鐵試樣，在清除表面的腐蝕產物后，基體表面呈現出許多大小不一的腐蝕坑，呈局部腐蝕形態，隨著時間的增加，腐蝕坑的數量增加，局部腐蝕向著全面腐蝕發展。這表明Eoil 明顯促進了球墨鑄鐵的腐蝕，原因是隨著Eoil生長繁殖，代謝產物和腐蝕產物增多，大量的細菌開始以生物膜的形式不均勻地吸附到球墨鑄鐵表面，球墨鑄鐵表面的局部pH 值、溶解氧、離子濃度與有機物含量等會形成明顯差異［24］。另外，在腐蝕過程中，石墨與Fe 基體形成了腐蝕微電池［25］，石墨為陰極，Fe為陽極，加速了基體材料的腐蝕。

圖5 鑄鐵在無菌體系中的微觀腐蝕形貌

2.3.2 表面細菌分析

QT500-7 球墨鑄鐵樣品在含菌體系中腐蝕第4 d 和第8 d 時的表面細菌分布情況如圖6 所示。從圖6 可以看出，在電子顯微鏡下Eoil 細菌的形態為細小弧狀和桿狀。可以觀察到，在浸泡4 d 時，含菌體系球墨鑄鐵表面細菌分布處于不均勻的分散狀態，在浸泡8 d 時球墨鑄鐵表面細菌分布較在浸泡4 d 時更為致密。在浸泡4 d 時，不均勻分布狀態的細菌產生的生物膜會造成球墨鑄鐵的點蝕，在第8 d時致密分布狀態的細菌產生的生物膜會導致球墨鑄鐵由點蝕向全面腐蝕發展。這與腐蝕形貌分析一致。

圖6 鑄鐵在含菌體系中浸泡不同時間表面細菌分布

2.3.3 腐蝕產物膜分析

圖7所示為QT500-7球墨鑄鐵在無菌體系和含菌體系中浸泡8 d 后表面膜層能譜圖，表5 所示為QT500-7球墨鑄鐵樣品在無菌體系和含菌體系中浸泡8 d后表面膜層元素含量（原子分數，%）。

圖7 鑄鐵在含菌體系與無菌體系中浸泡8 d腐蝕產物能譜

表5 QT500-7球墨鑄鐵在無菌體系和含菌體系中浸泡8 d時表面膜層元素含量（原子分數，%）

由圖7 和表5 可知，對比含菌體系和無菌體系中腐蝕產物的Fe 和O 吸收峰值，含菌體系的Fe、O峰值明顯升高，這表明Eoil 生長形成的生物膜中含有鐵的氧化物，Eoil 的存在促進了腐蝕產物中鐵氧化物的形成[19]。

2.3.4 XRD分析

含菌體系和無菌體系中所收集腐蝕產物的XRD測試結果如圖8所示。兩種體系中QT500-7球墨鑄鐵表面腐蝕產物的主要組成均為Fe(OH)2和α-FeOOH。由于含菌體系中鑄鐵的腐蝕速率更高，腐蝕產物含量更高，Fe(OH)2、α-FeOOH 衍射峰強度高于無菌體系，這說明Eoil 的存在只是加速了QT500-7 球墨鑄鐵的腐蝕的進程，但并未改變腐蝕歷程。

圖8 鑄鐵在無菌體系和含菌體系腐蝕產物的XRD圖

3 結論

（1）QT500-7 球墨鑄鐵在含菌體系下的腐蝕失重速率大于無菌體系，且含菌體系與無菌體系腐蝕速率的比值隨時間增長而持續增大。

（2）Eoil 的存在使得QT500-7 球墨鑄鐵發生陽極氧化反應，加速了其腐蝕。含菌體系中QT500-7球墨鑄鐵的腐蝕電流大約是無菌體系中的6 倍，含菌體系中電荷轉移電阻Rct大約是無菌體系中的1/10。

（3）Eoil 對QT500-7 球墨鑄鐵腐蝕形式表現為點蝕，且加速了其腐蝕進程，但并未改變腐蝕途徑，QT500-7球墨鑄鐵在有菌和無菌條件下腐蝕產物均為Fe(OH)2、α-FeOOH。