微生物对飞机油箱腐蚀的电化学研究

2015-12-23 11:57:23 作者：本网整理来源：

1综述

民航业的飞速发展，使得很多原来被忽略的问题和隐患暴露了出来，其中微生物对燃油系统的污染就是其中之一。近几年来发生了多起由微生物污染引起的航空事故，造成了巨大的经济损失。国外相关机构很早以前就对此展开了研究，如美国ASTM发布的“燃油和燃油系统微生物污染指南”，以及IATA的“飞机油箱微生物污染指南材料”。

微生物是一切肉眼看不见或看得见的微小生物，它们都是一些个体微小构造简单（大部分是单细胞）的低等生物。微生物种类繁多，在自然界无处不在，很难避免其进入供油系统及飞机燃油系统并在其中繁殖生长，造成污染。

因此对微生物污染问题展开研究，分析微生物污染对飞机油箱腐蚀的影响具有重要意义。

2实验

2.1实验仪器、材料

本实验主要用到电化学工作站和生化恒温培养箱

IMes6电化学工作站　　　　　　　德国制造

SPX-150B-Z型生化培养箱　　　　上海博讯实业有限公司医疗设备厂

实验材料为油箱下表面材质　　　　编号为7075-T6

2.2试验介质的配置

目前发现航空煤油中含有微生物种类上达百种，包括细菌、真菌、放线菌、酵母等，所以本试验测试所用介质为混合培养基，其中各成分配比如下表：

2.3试样的预处理

使用钢锯把镁铝合金板切成30mm*10mm的挂片，工作面积为10mm*10mm，在非工作面上用封胶封住，实验前依次用280#、600#和1000#的水磨砂纸打磨工作面，使表面光滑，用酒精、丙酮檫试干净，放于紫外灯下灭菌20min备用。

2.4化学试验介质和装置

把电化学测试试样分别放入有菌和无菌培养基中恒温培养。

无菌培养基：将灭菌后的培养基在无菌环境下转移到灭菌后的烧杯中，将制备好的镁铝合金挂片直接浸泡在培养基中，试样上端必须全部浸在液中，放入32℃恒温培养箱内，每一周更换一次相同成分溶液。

有菌培养基：将灭菌后的培电养基接入菌种，将镁铝合金挂片浸入其中，在32℃下恒温放置，每一周更换一次培养液。

2.5电化学测试[5-7]

将镁铝合金挂片放置在无菌和有菌培养基中，每次取出挂片放入电解池中，放置半小时后开始进行电化学测试。电化学测量仪器用德国生产的IM6ex系统。分别测试极化曲线和交流阻抗谱。工作电极为镁铝合金挂片，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极。所有进行的电化学测试都是在室温条件下进行的。

电化学交流阻抗法：电化学体系中的阻抗是指电极阻抗或电化学池阻抗，电极阻抗是指当金属导体被其周围的导电性溶液（电解液）所包围，电极与电解液之间的阻抗。电化学池阻抗是指电解液中两个导体电极之间的阻抗。电阻、电容和电感是典型的阻抗元件，在电化学领域主要的阻抗元件是法拉第阻抗，但其不具有直接等效的电子电路，可将其分解为电阻和电容的并联组合，电化学阻抗测试在自腐蚀电位下进行，其频率范围为10mHZ-100KHZ，交流信号幅值为5mV。

极化测试：范围为-300mV-500mV（绝对电位）。扫描速度为1Mv/s。

图1：经典三电极体系示意图

3实验结果与讨论

3.1极化曲线测试分析

图2是挂片在无菌介质中不同浸泡时间的极化曲线。发现Ecorr基本维持在-0.5V，而且随着电位的升高，腐蚀电流密度按比例增加，说明腐蚀电流的增加并不含有微生物活动的影响因素。

图2：镁铝合金在无菌溶液中不同浸泡时间的极化曲线

图3是挂片在有菌介质中不同浸泡时间的极化曲线。在0-2天时间里Ecorr从-0.519V下降到-0.547V，这是由于微生物在充足营养下急速繁殖代谢造成的，在镁铝合金表面形成了生物膜，加速了局部腐蚀过程。但是从2-4天电位稍有升高，这可能是由于微生物在生物膜大量消耗膜内的营养，但是膜内与膜外是隔离的，所以膜内的微生物因为得不到充足的营养物质，而不能继续发生繁殖和代谢作用，因此渐渐死亡，膜因此继而发生了破坏，生物膜剥离，局部腐蚀减轻。从4-6天Ecorr继续下降，是因为，破坏了的生物膜表面又引入了新的微生物，并着床在合金表面进行繁殖代谢，由于微生物数量的增多再次形成了新的生物膜，又发生了局部腐蚀加速。从6-8天又重复了生物膜形成和生物膜破坏的过程，直至营养消耗完毕微生物全部死亡。

浸泡到第8天后的自腐蚀电位为-0.488V，而无菌的则为-0.450V。随着电位的增加，腐蚀电流密度急剧增大，直至电位升高至-0.2V时仍没有进入钝化状态，说明，生物膜的生成和剥离影响了钝化的形成，在微生物大量存在的条件下，镁铝合金表面不容易发生钝化，也就是没有不可溶解的腐蚀代谢产物沉积在金属挂片表面。从两个图中可以总结，只要微生物大量存在，就会发生严重的腐蚀，而且不会发生钝化作用，即其腐蚀代谢产物不能促使镁铝合金发生钝化，延缓腐蚀。

由于腐蚀介质中含有Fe2+、SO42-等，而硫酸盐还原菌-SRB会利用此离子获得的能量供繁殖代谢用，生成产物为黑色的FeS，附着在金属表面上，发生钝化作用，但是在此实验过程中，并未发现明显的钝化效果，由此可以推断，在航油中可能不含有SRB。

图3镁铝合金在有菌溶液中不同浸泡时间的极化曲线

3.2交流阻抗谱分析

图4为镁铝合金在无菌介质中0-8天的Nyquist图。可以看出随着浸泡时间的变化，其阻抗大小也随之发生了变化。金属挂片在无菌培养基中只是阻抗值随时间变化，其阻抗谱的形式没有变化，但是圆心有下移，说明有弥散现象，不锈钢浸泡在无菌培养基中的电极表面腐蚀产物膜分布不均匀，电极表面粗糙度高，电场分布不均匀以及驰豫过程的发生，均会产生弥散现象。

图4镁铝合金在无菌介质中的Nyquist图

图5为镁铝合金在无菌介质中0-8天的bode图。由图（a）可以看出，在浸泡初期，其相位角曲线只有一个低频段的时间常数，当浸泡到第四天时，开始出现两个时间常数，说明此时，镁铝合金挂片开始在无菌介质中发生了腐蚀，并且在外加电流的影响下，金属表面开始钝化，形成了一种钝化膜，并且这种钝化一直持续下去，说明在无菌溶液中，金属挂片形成了比较稳定的腐蚀过程。而且由图可以看出，相位角基本稳定在一个角常数，腐蚀过程一直在稳定的继续。

图5：镁铝合金在无菌介质中的bode图（a、b）

图6为镁铝合金在有菌介质中0-8天的Nyquist图。在最初两天，阻抗随着浸泡时间增大而迅速减小，这是由于，细菌的大量繁殖，产生了较多酸碱物质，加快了腐蚀速度。从第2-4天，阻抗开始增大，说明是由于金属表面微生物膜的形成，腐蚀减轻，进而使得阻抗增大，由此可以说明，微生物膜的存在对镁铝合金腐蚀起到了一定的延缓作用。但是在后期，即为4-6-8天，阻抗一直减小，说明，微生物对挂片起到了稳定的腐蚀作用。由于Re代表介质及金属的阻抗，因此可以用Re/1来表示腐蚀速度，随着时间的延长，腐蚀过程一直继续，而且腐蚀速度急剧增大，但是可能由于微生物数量在后期缺乏营养物质，数量减少，因此得到的阻抗值会比腐蚀初期略大。

图6：镁铝合金在有菌介质中的Nyquist图

图7为镁铝合金在有菌介质中的bode图。由图（a）可以看出，腐蚀初期也同无菌一样，为一个低频段的时间常数。但是第四天开始出现两个时间常数，说明此时有“钝化”产生，但是此时是由于微生物膜的生成造成的，伴随着生物膜的生成和破裂，导致会出现两个时间常数和一个时间常数的交替。由极化曲线也可以得出，金属表面并未发生钝化，这也是由于挂片材质为Mg和Al这种轻金属的原因，很难形成不溶沉积物，不易发生明显的钝化。

图7：镁铝合金在有菌介质中的bode图