海水微生物对Zn－Al－Cd牺牲阳极腐蚀性能的影响

宋秀霞，张 杰，杨东方，段继周

（1上海海洋大学 水产与生命学院，上海 201306；2中国科学院 海洋研究所，山东 青岛 266071）

在海洋环境中使用的设备和材料，有些由于各种微生物和海洋生物附着造成生物污损和腐蚀，会显著减低其使用性能和寿命，不仅造成巨大的经济损失和严重的事故，甚至危及生命安全［1］。近年来，微生物腐蚀已被越来越多的科学工作者所关注。当一种材料或物体浸于海水中后，表面很快就被细菌黏附，细菌分泌胞外多聚物（如胞外多糖），使细菌与基体之间、细菌与细菌之间相互粘接形成复杂的生物膜［2］。关于金属在海水中微生物腐蚀的研究，已有研究学者做了很多工作，其中研究最多的是微生物对碳钢和不锈钢腐蚀的影响［3－5］。

牺牲阳极阴极保护法由于具有电流分散能力好，易于管理和维护，费用相对较低等优点，已被广泛用于各种海洋设备的腐蚀防护［6］。其中，Zn－Al－Cd牺牲阳极具有较高的电流效率，对金属设施保护效果较好，目前已成为应用最广的牺牲阳极材料之一［7］。关于该阳极材料在热海水的腐蚀机理和微量元素对其性能的影响，国内已有相关报道［8，9］，而关于海水环境中微生物膜对Zn－Al－Cd阳极材料腐蚀性能的影响，鲜有报道。

本工作主要采用电化学阻抗谱、扫描电镜以及荧光显微镜技术等方法，通过对比研究灭菌和天然海水中Zn－Al－Cd牺牲阳极材料腐蚀行为，探讨了阳极材料表面微生物膜对其性能的影响，该研究对海水中牺牲阳极的性能评价，牺牲阳极寿命预测以及污损生物群落对牺牲阳极阴极保护的影响等方面具有重要意义。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为Zn－Al－Cd合金，其化学成分（质量分数／%）如 下：Al 0.36，Cd 0.045，Pb 0.00092，Cu 0.0012，Fe 0.0021，余量为Zn。电化学测试、表面分析实验以及荧光显微镜观察所用试片规格均为10mm×10mm×6mm。根据实验要求，电化学测试试片一端用铜导线焊接后，保留一面作为工作面，其余用环氧树脂密封在PVC管中；表面分析实验试片和荧光观察试片分别在其一面用硅橡胶固定一段棉线。所有试片参照国标GB5776—86进行表面处理，试样的工作面用水磨砂纸逐级打磨到1200＃，先用蒸馏水冲洗干净，然后乙醇超声清洗，再用无水乙醇冲洗，实验前放在超净工作台中，在距紫外灯30cm处紫外灭菌30min。

1.2 实验用海水介质

实验用海水介质取自青岛汇泉湾，经粗砂过滤净化，在室温下静置5d，取一部分天然海水经121℃高温高压蒸汽灭菌30min，冷却至室温后取200mL作为灭菌海水体系；另取200mL天然海水作为未灭菌海水体系。灭菌海水冷却后的各项指标与天然海水可以认为是相同的［10］。

1.3 电化学实验

电化学实验采用SI 1287恒电位仪和SI 1260频响分析仪进行测试，测试体系为三电极体系。工作电极为Zn－Al－Cd试样，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE）。开路电位和交流阻抗谱测试都在室温下进行，周期为23d。交流阻抗谱的激励信号为10mV正弦波电压，扫描频率范围为10mHz～100kHz。采用Zplot软件进行数据采集，采用ZSimp－Win电化学分析软件对实验结果进行拟合分析。

1.4 表面分析实验

取两个经121℃高温高压灭菌处理的250mL广口瓶，在超净工作台中分别加入上述的灭菌和天然海水各200mL，每个广口瓶中分别放入两个按1.1节中方法处理的试样，橡胶瓶盖周围用石蜡密封后置于室温下。在9d和17d后，分别在洁净工作台中迅速取出灭菌和天然海水中的各一个试样，进行预处理。无菌试样用50%乙醇（溶剂为PBS）浸泡15min，75%乙醇浸泡15min，100%乙醇浸泡15min进行逐级脱水处理；有菌试样用5%戊二醛溶液（溶剂为PBS）浸泡2h后，然后采用上述不同浓度的乙醇溶液逐级脱水。真空临界干燥后，采用SEM观察腐蚀形貌，加速电压为20kV。

1.5 细菌的荧光显微镜观察

取4个按1.1节中方法处理好的试样，悬挂于盛有天然海水的广口瓶，橡胶瓶盖周围用石蜡密封后置于室温下，周期性地从天然海水中取出试样作微生物荧光显微镜观察。实验前，用灭菌海水冲洗试样3次，用5%戊二醛（用PBS稀释）固定30min，然后用0.1%的4，6－二脒基－2－苯基吲哚（DAPI）避光染色15min。在避光下空气中自然风干后，将染色的试样放在载玻片上，放到Zeiss Axioplan荧光显微镜下观察。

1.6 失重实验

失重实验试样规格为10mm×10mm×6mm，在试样的一面打号，按照1.1节中方法处理。然后用高精度电子分析天平准确称重并记录，在超净台中紫外灯灭菌30min后，将各组挂片分别浸泡在灭菌海水和天然海水中。失重实验周期为9d，每组采用3个平行样。

实验周期结束后取出挂片，用毛刷除掉表面的杂物，再参照国标GB11112—89去除腐蚀产物。取出用自来水冲洗干净后放入无水酒精中干燥。最后，取出吹干，放入干燥器24h后再称重。

腐蚀产物去除后，采用单位时间内的平均腐蚀速率（mm／a）来表征试样的腐蚀速率，计算公式如下：

式中：v为试样的平均腐蚀速率，mm／a；w0为试样的起始量，g；w1为去除腐蚀产物后的试样量，g；A为试样面积，m2；T 为试样周期，h；ρ为金属密度，g／cm3。

2 实验结果与讨论

2.1 开路电位

测得开路电位与时间曲线如图1所示，可以看出，Zn－Al－Cd阳极在灭菌和天然海水中的腐蚀电位变化趋势明显不同。灭菌海水中试样腐蚀电位在整个实验期缓慢正移了20mV，考虑随着反应的进行，腐蚀产物在试样表面逐渐变得致密，导致电位正移。

图1 试样分别在灭菌和天然海水中开路电位随时间的变化曲线Fig.1 Time dependence of Eocpfor sample in sterile seawater and natural seawater

对于天然海水中试样，在实验的1～5d，腐蚀电位迅速正移近30mV，这是由于海水中细菌逐渐附着在材料表面，其产生的代谢产物也吸附在电极表面，使电位出现了正移；在5～14d，试样的腐蚀电位变化缓慢，这是因为细菌在试样表面逐渐形成稳定的生物膜。在14～23d，试样腐蚀电位负移了25mV，这是因为在封闭的体系中，随着氧气和营养物质的消耗，细菌逐渐死亡，从试样表面脱落，腐蚀速率增加。

从开路电位变化的趋势来看，在实验前期，试样在天然海水并有生物膜存在下，其腐蚀电位高于灭菌海水中的腐蚀电位。研究者在研究天然海水对不锈钢和高钼钢的影响时也发现同样规律，且更明显［6，11，12］。

2.2 交流阻抗谱分析

2.2.1 灭菌海水中的交流阻抗谱分析

图2为试样在灭菌海水中测试23d的Nyquist阻抗图，根据体系自身特点，选用图4（a）为本实验条件下的等效电路模型。其中，Rs表示溶液电阻，Cf表示表面层电容，Rf表示表面层电阻，Cdl表示界面双电层电容，Rct表示电荷传递电阻。Rct可以用来表征金属的腐蚀速率，其值越小则表明金属腐蚀速率越大［13］。

图2 试样在灭菌海水中的交流阻抗谱Fig.2 Nyquist plots for samples in sterile seawater

表1显示了试样在灭菌海水中的电化学参数随时间的变化情况。从表1可以看出，Rct值第5d出现了迅速下降，这可能是由于试样表面的氧化膜被破坏，作为活性阳极材料的试样直接暴露在海水中，腐蚀增加。到14d开始，Rct值又出现了逐渐增大的趋势，这是由于腐蚀产物不断增多，使得表面腐蚀产物层逐渐变得致密，从而在一定程度上导致腐蚀减慢。至第23d，Rct值又出现了减小的趋势，可能是随着时间的进行，腐蚀产物膜逐渐变得疏松，从而腐蚀速率增大。在整个实验过程中，试样在灭菌海水中的腐蚀速率经历了增大，减小，再增大的变化过程。

表1 试样在灭菌海水的电化学阻抗模型的参数分析Table 1 Results of the fit with the EIS model for the sterile seawater

2.2.2 天然海水中的交流阻抗谱分析

图3为试样在天然海水中的阻抗谱图。根据体系自身特点，选用了图4（b）为天然海水体系的等效电路模型。Qf表示表面层电容，Qdl表示界面双电层电容。常相位角组件Q 的阻抗值ZCPE＝Y－10（jω）－n，其中，n为弥散指数，0＜n＜1，可用来判断金属表面的粗糙程度［14］。

表2显示了试样在天然海水中的电化学参数随时间的变化情况。从表2可知，在1～23d，n1值逐渐由0.82减小到0.5458，这可能是由于随着试样表面腐蚀的加速，电极表面逐渐变得粗糙。

图3 试样在天然海水中的交流阻抗谱Fig.3 Nyquist plots for samples in natural seawater

在实验的1～9d，Rct值从9561Ω·cm2迅速减小到1883Ω·cm2，这是因为作为活性阳极的试样，在海水中发生自身快速腐蚀造成的。这段时间虽然细菌逐渐在金属表面吸附并形成局部的团聚，但细菌吸附对腐蚀的抑制与该阳极自身的快速腐蚀相比，仍是非常微弱的，所以金属的腐蚀速率逐渐增大。第14d，Rct值又逐渐增大，这是因为随着细菌在金属表面越来越多的聚集，逐渐在试样表面形成了局部稳定的生物膜，在一定程度上阻挡了试样的腐蚀，使腐蚀速率减小。到实验后期，Rct值又逐渐减小，这是因为在密闭的体系中，随着营养物质及氧气的耗尽，细菌逐渐死亡，细菌代谢产物逐渐减少，生物膜逐渐脱落，所以试样的腐蚀速率又增大。在整个实验过程中，试样在天然海水中的腐蚀速率经历了先增大，后减小，再次增大的变化过程。

表2 试样在天然海水中的电化学阻抗模型的参数分析Table 2 Results of the fit with the EIS model for the natural seawater

图4 试样在灭菌（a）和天然（b）海水中的阻抗等效电路模型Fig.4 Equivalent circuits of the impedance diagrams of the sample in the sterile seawater（a）and natural seawater（b）

灭菌海水中试样的Rct值要比天然海水中试样的Rct值小很多，原因可能是在灭菌海水中的试样直接与海水介质接触，海水中的氯离子等腐蚀介质加速了Zn－Al－Cd的腐蚀，同时，天然海水中的细菌消耗水中的氧气在一定程度上也抑制了腐蚀的发生。在天然海水中，试样表面附着的细菌通过代谢活动形成一层生物膜，这层膜使试样不能与海水直接接触，减缓了试样的腐蚀。有研究表明试样的生物膜的扩散屏障作用能有效阻隔溶液对基体的腐蚀，在一定程度上能减缓试样的腐蚀速率，抑制了腐蚀［4，15，16］。

2.3 腐蚀速率测定

失重实验所得Zn－Al－Cd阳极试样在灭菌海水和天然海水中浸泡9d的腐蚀速率分别为0.1071，0.09811mm／a。由此可以看出，试样在灭菌海水中的腐蚀速率大于试样在天然海水中的腐蚀速率，表明天然海水中由于细菌的作用，在一定程度上减缓试样的腐蚀，这与前面交流阻抗结果相一致。

2.4 SEM和荧光显微镜结果分析

图5显示了Zn－Al－Cd在灭菌海水中分别浸泡9d和17d的SEM形貌。从图5（a）可以看出，试样在灭菌海水中浸泡9d，试样表面分布着一些白色的腐蚀产物，局部出现了腐蚀坑，试样发生了不均匀腐蚀。分析可能存在的原因如下：（1）实验初期，由于试样表面的合金元素分布不均，发生了局部富集，这样电位高于基体金属的合金元素所组成的相与基体金属构成了微腐蚀电池，使得金属发生局部溶解［17］，龙萍等［8］认为试样的局部腐蚀与铝偏析相的存在有直接的关系，因为对于几乎不含铝的锌阳极就不存在穿晶腐蚀和晶间腐蚀的问题。同时，在试样表面，含有Al等电负性较高微量元素时，富Al区作为阳极优先溶解，锌基局部表面发生如下析氢反应：

伴随OH一产生，锌基表面局部pH值上升，这也是发生局部腐蚀的必要条件［8］。（2）渗氢的作用。渗氢是由于在牺牲阳极的表面处理过程中，氢以原子状态渗入工件基体或镀层中造成的［18］。因为渗氢引起表面的机械损伤也会加剧阳极表面的局部腐蚀，尤其是晶间腐蚀［8］。

图5 Zn－Al－Cd试样在灭菌海水中分别浸泡9d（a）和17d（b）的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of the Zn－Al－Cd samples immersed in the sterile seawater for 9days（a）and 17days（b）

由图5（b）可以看出，试样在灭菌海水中浸泡17d后，表面沉积了一层较厚的腐蚀产物，在一定程度上减缓了腐蚀，这也与前面电化学结果相一致。

图6显示了Zn－Al－Cd在天然海水中分别浸泡9d和17d的SEM形貌。从图6（a）可以看出，细菌在试样表面局部团聚，结合电镜及荧光结果显示，发现附着在试样表面的大部分是杆状细菌，这个结果同马士德在青岛中港实海挂片得到的结果一致［19］。图6（b）显示试样浸泡17d，在密闭的体系中，随着氧气和营养物质的消耗，细菌逐渐死亡，大部分已经从试样表面脱落掉，这与前面开路电位的结果也是一致的，由于细菌的脱落，开路电位发生了负移，腐蚀速率增加，试样发生的是均匀腐蚀。

图6 Zn－Al－Cd试样在天然海水中分别浸泡9d（a）和17d（b）的SEM 形貌Fig.6 SEM morphology of the Zn－Al－Cd samples immersed in the natural seawater for 9days（a）and 17days（b）

图7显示了Zn－Al－Cd试样在天然海水中浸泡不同时间的荧光显微镜照片。可以看出，第5d细菌以单体的形式均匀地附着在试样表面；到第9d出现了不均匀的团聚现象，这与扫描电镜结果相符；随着细菌的繁殖代谢，到第14d，细菌的聚集团逐渐变大，生成局部的生物膜。由于本实验体系中使用的是密闭体系，没有出现许凤玲［12］等文章中提到的致密厚膜，他们每天更换新鲜的海水，由此也说明了致密生物膜的形成离不开海水中的氧气和营养物质的存在。在密闭的体系中，随着氧气和营养物质的消耗，细菌逐渐死亡，第17d荧光显微镜的结果显示，试样表面生物膜基本已脱落，这个结果也与开路电位所测的趋势是一致的。

3 结论

（1）交流阻抗谱实验结果表明：试样在灭菌和天然海水中的腐蚀速率都经历了增大，减小，再次增大的变化过程。整个实验过程中灭菌海水中的Rct值要远远小于天然海水中的Rct值，这是由于天然海水中的试样表面附着的细菌通过代谢活动形成一层生物膜，同时消耗了水中的氧气，在一定程度上减缓了试样的腐蚀速率。

（2）SEM和荧光显微镜结果表明：在灭菌海水体系中的试样发生了局部腐蚀，而在天然海水体系中的试样腐蚀比较均匀。在天然海水中细菌先是在试样上均匀附着，然后又形成团聚，进而形成局部的生物膜，最后由于氧气和营养物质的耗尽从试样表面上脱落。

图7 Zn－Al－Cd试样在天然海水中分别浸泡5d（a），9d（b），14d（c），17d（d）的荧光显微镜照片Fig.7 Fluorescence micrographs of Zn－Al－Cd immersed in the natural seawater for 5days（a），9days（b），14days（c）and 17days（d）

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