微生物與金屬腐蝕_環(huán)境微生物學(xué)（下

二、微生物與金屬腐蝕

微生物對(duì)金屬的腐蝕及其控制涉及微生物學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、材料學(xué)等多種學(xué)科，與石油、化工、建筑、電力、礦山、鋼鐵、通訊、造船、航空等多種工業(yè)的發(fā)展有著十分密切的關(guān)系。

1.腐蝕金屬的主要微生物

有關(guān)金屬腐蝕的微生物種類(lèi)很多，其中重要的是直接參與自然界硫、鐵和氮循環(huán)的微生物。如硫氧化細(xì)菌和硫酸鹽還原菌、鐵氧化細(xì)菌和鐵細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌等。這些細(xì)菌按其生長(zhǎng)發(fā)育中對(duì)氧的要求，又可分為好氧腐蝕菌和厭氧腐蝕菌兩類(lèi)，見(jiàn)表12-4。

鐵細(xì)菌分布廣泛，形態(tài)多樣，有桿狀、球狀和絲狀。常見(jiàn)的鐵細(xì)菌種類(lèi)有嘉利翁氏菌、鞘鐵細(xì)菌、鐵細(xì)菌和球衣細(xì)菌等。鐵細(xì)菌不是直接食取鐵，而是其生命活動(dòng)的結(jié)果直接或間接參與了鋼鐵的腐蝕過(guò)程。

鐵細(xì)菌能使Fe²⁺氧化成Fe³⁺，而Fe³⁺具有高的氧化性，可以將硫化物氧化成H₂SO₄而加速鋼鐵的腐蝕。在海水中Fe²⁺氧化成Fe³⁺形成Fe(OH)₃沉淀。這種反應(yīng)可寫(xiě)為:

2Fe(OH)₂+H₂O+1/2O₂→2Fe(OH)₃↓

Fe²⁺→Fe³⁺+e

表12-4　　腐蝕金屬的主要微生物及其性狀

硫氧化菌能氧化元素硫、硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽等，產(chǎn)生代謝產(chǎn)物硫酸。硫氧化菌在酸性土壤及含黃鐵礦的礦區(qū)中，能使土壤或礦水變酸導(dǎo)致腐蝕。氧化硫桿菌和排硫桿菌都屬于硫氧化細(xì)菌，這類(lèi)細(xì)菌都能氧化硫和低價(jià)硫的鹽，使周?chē)鷓H值降低。排硫桿菌活動(dòng)的結(jié)果可使周?chē)膒H值降低到0.6左右，所以這兩種細(xì)菌的活動(dòng)可以大大加速鋼鐵的腐蝕。

硫酸鹽還原菌是引起金屬腐蝕的主要微生物，多存在于海底沉積物、大型附著物堆積的閉塞區(qū)或鋼鐵腐蝕相對(duì)閉塞區(qū)(如內(nèi)銹層、縫隙深處及海上金屬構(gòu)筑物缺氧的部位等)。硫酸鹽還原菌屬厭氣菌，能還原硫酸鹽為硫化物，利用有機(jī)物為供氫體，在還原硫酸鹽的過(guò)程中獲得能量。硫酸鹽還原菌所具有的氧化酶能移去陰極區(qū)氫原子，促進(jìn)腐蝕過(guò)程中的陰極去極化反應(yīng)。整個(gè)腐蝕反應(yīng)可表示為:

4Fe+SO₄^2－+4H₂O→FeS+3Fe(OH)₂+2OH^－

硫酸鹽還原菌在金屬腐蝕過(guò)程中起著重要的作用，尤其對(duì)海泥中的管道。從以上反應(yīng)式中看出硫酸鹽還原菌能使海泥中硫酸根(SO₄^－)還原為腐蝕活性很強(qiáng)的硫離子。硫離子與鐵反應(yīng)生成FeS，附著在鋼表面，使附著部位的電位變正，加速陽(yáng)極區(qū)的腐蝕。當(dāng)硫酸鹽還原菌較多時(shí)易形成大陰極小陽(yáng)極的腐蝕電池，因而易引起局部腐蝕和孔蝕。當(dāng)海底輸送管線通過(guò)時(shí)，硫酸鹽還原菌的生命活動(dòng)會(huì)直接誘導(dǎo)和影響金屬表面的電極反應(yīng)，從而加速金屬的電化學(xué)腐蝕。

2.微生物腐蝕金屬的主要途徑

微生物腐蝕金屬主要通過(guò)以下一些途徑:

(1)形成氧差電池腐蝕金屬

由于細(xì)菌在管壁表面形成菌落，消耗了局部環(huán)境中的氧，加上細(xì)菌殘?bào)w所吸附的無(wú)機(jī)鹽，沉積物覆蓋了局部表面，造成金屬表面氧濃度梯度，使金屬表面形成電位差，形成氧差腐蝕電池。另外由于材料本身存在的雜質(zhì)產(chǎn)生微電池腐蝕，陽(yáng)極區(qū)釋放的亞鐵離子能為鐵細(xì)菌作能源，因而吸引了鐵細(xì)菌在陽(yáng)極區(qū)聚集。這樣一方面細(xì)菌能加速亞鐵氧化成高鐵，促進(jìn)陽(yáng)極去極化過(guò)程;另一方面細(xì)菌在鐵管壁表面形成結(jié)瘤，又促進(jìn)形成氧差腐蝕電池的過(guò)程。

(2)促進(jìn)陰極去極化過(guò)程

金屬腐蝕是一個(gè)電化過(guò)程，包括陽(yáng)極和陰極兩個(gè)過(guò)程，其中任何一個(gè)過(guò)程受阻都會(huì)使腐蝕停滯下來(lái)。氧是陰極過(guò)程中的促進(jìn)劑，能去除腐蝕電池陰極區(qū)形成的氫離子層，使腐蝕不斷進(jìn)行。相反，在缺氧條件下，腐蝕就傾向于終止。然而當(dāng)管壁形成結(jié)瘤時(shí)，雖然使氧進(jìn)不到污垢和金屬的界面，但卻為硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件。該菌分泌的氫化酶能代替氧除去陰極區(qū)的氫原子層，使腐蝕得以繼續(xù)進(jìn)行。

(3)代謝產(chǎn)物引起腐蝕

微生物生命活動(dòng)過(guò)程的一些代謝產(chǎn)物能產(chǎn)生腐蝕，如硫酸鹽還原菌的代謝產(chǎn)物不僅可促進(jìn)陰極去極化作用，而且它的電位比鐵還低，形成新的腐蝕電池。該菌還能形成磷化鐵，引起強(qiáng)烈的腐蝕作用。氧化硫硫桿菌在代謝過(guò)程中能產(chǎn)生10%～12%的硫酸，強(qiáng)烈腐蝕金屬。此外一些異氧菌和真菌(如樹(shù)脂枝泡霉)還能產(chǎn)生有機(jī)酸、氨等，腐蝕鋼、銅、鋁等金屬。

3.主要防止措施

防止微生物對(duì)金屬腐蝕的措施很多，但由于微生物腐蝕涉及的金屬構(gòu)件種類(lèi)多，所處的環(huán)境及腐蝕的微生物種類(lèi)不盡相同，故沒(méi)有哪種方法在任何情況下都適用。在防腐工作中，應(yīng)根據(jù)具體情況采用一種或幾種措施配合使用。微生物對(duì)金屬腐蝕的措施主要有以下幾種:

(1)采用耐腐蝕材料

如采用耐腐蝕合金鋼、銅、人造材料如聚乙烯、聚氯乙烯、環(huán)氧樹(shù)脂等耐微生物腐蝕的材料代替鋼鐵。這種方法的缺點(diǎn)是由于成本和性能等局限很難完全取代普通鋼。

(2)加防護(hù)層

應(yīng)用防護(hù)層是控制微生物腐蝕的常用方法。在金屬構(gòu)件表面加上一層抗微生物腐蝕的防護(hù)材料，使被保護(hù)的金屬構(gòu)件與環(huán)境隔開(kāi)，阻止二者間離子、電子的滲透，從而達(dá)到控制腐蝕的目的。防護(hù)方法主要有涂鋅、涂鉻、水管內(nèi)壁襯水泥等，土埋管線用玻璃布和煤焦油瀝青防護(hù)層，塑料袋式套，導(dǎo)水管內(nèi)壁，冷水器等用環(huán)氧樹(shù)脂漆等。

(3)限制營(yíng)養(yǎng)源

由于微生物生長(zhǎng)需要營(yíng)養(yǎng)，所以限制金屬構(gòu)件周?chē)⑸锷L(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物是降低腐蝕危害的重要手段?？刂骗h(huán)境中有機(jī)物、銨鹽、磷、鐵、亞鐵等就會(huì)大大降低微生物的生長(zhǎng)。

(4)控制微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件

微生物生長(zhǎng)繁殖都需要一個(gè)適宜的環(huán)境條件，所以適當(dāng)?shù)馗淖儹h(huán)境條件也是減少微生物金屬腐蝕的重要措施。例如提高pH值到9以上，溫度50℃以上就會(huì)強(qiáng)烈抑制菌類(lèi)生長(zhǎng)。再如在濕潤(rùn)黏土地帶加強(qiáng)排水，回填砂礫于埋管線周?chē)愿纳仆鈼l件，即可減少硫酸鹽還原菌產(chǎn)生的厭氧腐蝕。

(5)陰極保護(hù)

即采用一種比鐵更負(fù)的金屬(如鋅、鎂、鋁-鎂合金等陽(yáng)性材料)作犧牲陽(yáng)極，提供保護(hù)電流，以保護(hù)金屬構(gòu)件。在某些情況下也可用外加電流，使被保護(hù)的金屬構(gòu)件保持在一個(gè)足夠負(fù)的電位來(lái)阻止金屬的溶解。陰極保護(hù)和防護(hù)層結(jié)合使用效果更好。另外，還應(yīng)注意設(shè)計(jì)好陽(yáng)極分布，這往往是效果好壞的關(guān)鍵。

(6)采用化學(xué)殺菌劑和抑菌劑

主要是將殺菌劑和抑菌劑用于密閉或半密閉的系統(tǒng)中或摻合于涂料和防護(hù)層中。殺菌劑要求高效、低毒、廣譜、價(jià)廉、原料來(lái)源方便等。目前使用的有氯氣、次氯酸鹽、O₃及一些鹵代烴及其衍生物。醛類(lèi)尤其是戊二醛也可用來(lái)控制微生物腐蝕。采用這類(lèi)方法應(yīng)注意把殺菌劑、防蝕劑和去垢劑三者結(jié)合起來(lái)使用。

紫外線、超聲波等物理手段也可用于殺滅腐蝕微生物。其他如生物防治可以抑制腐蝕微生物的活動(dòng)，通過(guò)遺傳工程改變危害菌的附著力也能達(dá)到控制目的。