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微生物對(duì)飛機(jī)油箱腐蝕的電化學(xué)研究

2015-12-23 11:57:23 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：

1綜述

民航業(yè)的飛速發(fā)展，使得很多原來(lái)被忽略的問(wèn)題和隱患暴露了出來(lái)，其中微生物對(duì)燃油系統(tǒng)的污染就是其中之一。近幾年來(lái)發(fā)生了多起由微生物污染引起的航空事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)很早以前就對(duì)此展開(kāi)了研究，如美國(guó)ASTM發(fā)布的“燃油和燃油系統(tǒng)微生物污染指南”，以及IATA的“飛機(jī)油箱微生物污染指南材料”。

微生物是一切肉眼看不見(jiàn)或看得見(jiàn)的微小生物，它們都是一些個(gè)體微小構(gòu)造簡(jiǎn)單（大部分是單細(xì)胞）的低等生物。微生物種類繁多，在自然界無(wú)處不在，很難避免其進(jìn)入供油系統(tǒng)及飛機(jī)燃油系統(tǒng)并在其中繁殖生長(zhǎng)，造成污染。

因此對(duì)微生物污染問(wèn)題展開(kāi)研究，分析微生物污染對(duì)飛機(jī)油箱腐蝕的影響具有重要意義。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)儀器、材料

本實(shí)驗(yàn)主要用到電化學(xué)工作站和生化恒溫培養(yǎng)箱

IMes6電化學(xué)工作站　　　　　　　德國(guó)制造

SPX-150B-Z型生化培養(yǎng)箱　　　　上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠

實(shí)驗(yàn)材料為油箱下表面材質(zhì)　　　　編號(hào)為7075-T6

2.2試驗(yàn)介質(zhì)的配置

目前發(fā)現(xiàn)航空煤油中含有微生物種類上達(dá)百種，包括細(xì)菌、真菌、放線菌、酵母等，所以本試驗(yàn)測(cè)試所用介質(zhì)為混合培養(yǎng)基，其中各成分配比如下表：

2.3試樣的預(yù)處理

使用鋼鋸把鎂鋁合金板切成30mm*10mm的掛片，工作面積為10mm*10mm，在非工作面上用封膠封住，實(shí)驗(yàn)前依次用280#、600#和1000#的水磨砂紙打磨工作面，使表面光滑，用酒精、丙酮檫試干凈，放于紫外燈下滅菌20min備用。

2.4化學(xué)試驗(yàn)介質(zhì)和裝置

把電化學(xué)測(cè)試試樣分別放入有菌和無(wú)菌培養(yǎng)基中恒溫培養(yǎng)。

無(wú)菌培養(yǎng)基：將滅菌后的培養(yǎng)基在無(wú)菌環(huán)境下轉(zhuǎn)移到滅菌后的燒杯中，將制備好的鎂鋁合金掛片直接浸泡在培養(yǎng)基中，試樣上端必須全部浸在液中，放入32℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，每一周更換一次相同成分溶液。

有菌培養(yǎng)基：將滅菌后的培電養(yǎng)基接入菌種，將鎂鋁合金掛片浸入其中，在32℃下恒溫放置，每一周更換一次培養(yǎng)液。

2.5電化學(xué)測(cè)試[5-7]

將鎂鋁合金掛片放置在無(wú)菌和有菌培養(yǎng)基中，每次取出掛片放入電解池中，放置半小時(shí)后開(kāi)始進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。電化學(xué)測(cè)量?jī)x器用德國(guó)生產(chǎn)的IM6ex系統(tǒng)。分別測(cè)試極化曲線和交流阻抗譜。工作電極為鎂鋁合金掛片，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。所有進(jìn)行的電化學(xué)測(cè)試都是在室溫條件下進(jìn)行的。

電化學(xué)交流阻抗法：電化學(xué)體系中的阻抗是指電極阻抗或電化學(xué)池阻抗，電極阻抗是指當(dāng)金屬導(dǎo)體被其周圍的導(dǎo)電性溶液（電解液）所包圍，電極與電解液之間的阻抗。電化學(xué)池阻抗是指電解液中兩個(gè)導(dǎo)體電極之間的阻抗。電阻、電容和電感是典型的阻抗元件，在電化學(xué)領(lǐng)域主要的阻抗元件是法拉第阻抗，但其不具有直接等效的電子電路，可將其分解為電阻和電容的并聯(lián)組合，電化學(xué)阻抗測(cè)試在自腐蝕電位下進(jìn)行，其頻率范圍為10mHZ-100KHZ，交流信號(hào)幅值為5mV。

極化測(cè)試：范圍為-300mV-500mV（絕對(duì)電位）。掃描速度為1Mv/s。

圖1：經(jīng)典三電極體系示意圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1極化曲線測(cè)試分析

圖2是掛片在無(wú)菌介質(zhì)中不同浸泡時(shí)間的極化曲線。發(fā)現(xiàn)Ecorr基本維持在-0.5V，而且隨著電位的升高，腐蝕電流密度按比例增加，說(shuō)明腐蝕電流的增加并不含有微生物活動(dòng)的影響因素。

圖2：鎂鋁合金在無(wú)菌溶液中不同浸泡時(shí)間的極化曲線

圖3是掛片在有菌介質(zhì)中不同浸泡時(shí)間的極化曲線。在0-2天時(shí)間里Ecorr從-0.519V下降到-0.547V，這是由于微生物在充足營(yíng)養(yǎng)下急速繁殖代謝造成的，在鎂鋁合金表面形成了生物膜，加速了局部腐蝕過(guò)程。但是從2-4天電位稍有升高，這可能是由于微生物在生物膜大量消耗膜內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)，但是膜內(nèi)與膜外是隔離的，所以膜內(nèi)的微生物因?yàn)榈貌坏匠渥愕臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而不能繼續(xù)發(fā)生繁殖和代謝作用，因此漸漸死亡，膜因此繼而發(fā)生了破壞，生物膜剝離，局部腐蝕減輕。從4-6天Ecorr繼續(xù)下降，是因?yàn)椋茐牧说纳锬け砻嬗忠肓诵碌奈⑸铮⒅苍诤辖鸨砻孢M(jìn)行繁殖代謝，由于微生物數(shù)量的增多再次形成了新的生物膜，又發(fā)生了局部腐蝕加速。從6-8天又重復(fù)了生物膜形成和生物膜破壞的過(guò)程，直至營(yíng)養(yǎng)消耗完畢微生物全部死亡。

浸泡到第8天后的自腐蝕電位為-0.488V，而無(wú)菌的則為-0.450V。隨著電位的增加，腐蝕電流密度急劇增大，直至電位升高至-0.2V時(shí)仍沒(méi)有進(jìn)入鈍化狀態(tài)，說(shuō)明，生物膜的生成和剝離影響了鈍化的形成，在微生物大量存在的條件下，鎂鋁合金表面不容易發(fā)生鈍化，也就是沒(méi)有不可溶解的腐蝕代謝產(chǎn)物沉積在金屬掛片表面。從兩個(gè)圖中可以總結(jié)，只要微生物大量存在，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，而且不會(huì)發(fā)生鈍化作用，即其腐蝕代謝產(chǎn)物不能促使鎂鋁合金發(fā)生鈍化，延緩腐蝕。

由于腐蝕介質(zhì)中含有Fe2+、SO42-等，而硫酸鹽還原菌-SRB會(huì)利用此離子獲得的能量供繁殖代謝用，生成產(chǎn)物為黑色的FeS，附著在金屬表面上，發(fā)生鈍化作用，但是在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，并未發(fā)現(xiàn)明顯的鈍化效果，由此可以推斷，在航油中可能不含有SRB。

圖3鎂鋁合金在有菌溶液中不同浸泡時(shí)間的極化曲線

3.2交流阻抗譜分析

圖4為鎂鋁合金在無(wú)菌介質(zhì)中0-8天的Nyquist圖。可以看出隨著浸泡時(shí)間的變化，其阻抗大小也隨之發(fā)生了變化。金屬掛片在無(wú)菌培養(yǎng)基中只是阻抗值隨時(shí)間變化，其阻抗譜的形式?jīng)]有變化，但是圓心有下移，說(shuō)明有彌散現(xiàn)象，不銹鋼浸泡在無(wú)菌培養(yǎng)基中的電極表面腐蝕產(chǎn)物膜分布不均勻，電極表面粗糙度高，電場(chǎng)分布不均勻以及馳豫過(guò)程的發(fā)生，均會(huì)產(chǎn)生彌散現(xiàn)象。

圖4鎂鋁合金在無(wú)菌介質(zhì)中的Nyquist圖

圖5為鎂鋁合金在無(wú)菌介質(zhì)中0-8天的bode圖。由圖（a）可以看出，在浸泡初期，其相位角曲線只有一個(gè)低頻段的時(shí)間常數(shù)，當(dāng)浸泡到第四天時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，說(shuō)明此時(shí)，鎂鋁合金掛片開(kāi)始在無(wú)菌介質(zhì)中發(fā)生了腐蝕，并且在外加電流的影響下，金屬表面開(kāi)始鈍化，形成了一種鈍化膜，并且這種鈍化一直持續(xù)下去，說(shuō)明在無(wú)菌溶液中，金屬掛片形成了比較穩(wěn)定的腐蝕過(guò)程。而且由圖可以看出，相位角基本穩(wěn)定在一個(gè)角常數(shù)，腐蝕過(guò)程一直在穩(wěn)定的繼續(xù)。

圖5：鎂鋁合金在無(wú)菌介質(zhì)中的bode圖（a、b）

圖6為鎂鋁合金在有菌介質(zhì)中0-8天的Nyquist圖。在最初兩天，阻抗隨著浸泡時(shí)間增大而迅速減小，這是由于，細(xì)菌的大量繁殖，產(chǎn)生了較多酸堿物質(zhì)，加快了腐蝕速度。從第2-4天，阻抗開(kāi)始增大，說(shuō)明是由于金屬表面微生物膜的形成，腐蝕減輕，進(jìn)而使得阻抗增大，由此可以說(shuō)明，微生物膜的存在對(duì)鎂鋁合金腐蝕起到了一定的延緩作用。但是在后期，即為4-6-8天，阻抗一直減小，說(shuō)明，微生物對(duì)掛片起到了穩(wěn)定的腐蝕作用。由于Re代表介質(zhì)及金屬的阻抗，因此可以用Re/1來(lái)表示腐蝕速度，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕過(guò)程一直繼續(xù)，而且腐蝕速度急劇增大，但是可能由于微生物數(shù)量在后期缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，數(shù)量減少，因此得到的阻抗值會(huì)比腐蝕初期略大。

圖6：鎂鋁合金在有菌介質(zhì)中的Nyquist圖

圖7為鎂鋁合金在有菌介質(zhì)中的bode圖。由圖（a）可以看出，腐蝕初期也同無(wú)菌一樣，為一個(gè)低頻段的時(shí)間常數(shù)。但是第四天開(kāi)始出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，說(shuō)明此時(shí)有“鈍化”產(chǎn)生，但是此時(shí)是由于微生物膜的生成造成的，伴隨著生物膜的生成和破裂，導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)和一個(gè)時(shí)間常數(shù)的交替。由極化曲線也可以得出，金屬表面并未發(fā)生鈍化，這也是由于掛片材質(zhì)為Mg和Al這種輕金屬的原因，很難形成不溶沉積物，不易發(fā)生明顯的鈍化。

圖7：鎂鋁合金在有菌介質(zhì)中的bode圖