金属材料的微生物腐蚀与防护研究进展

金属材料的微生物腐蚀与防护研究进展
摘要：人们对金属腐蚀的危害关注度越来越高，如金属构件在大气中生锈，船
舶遭受海水和微生物的腐蚀，埋藏在地下的输油、输气管线因土壤和细菌的腐蚀
而发生穿孔，化工机械由于常与强腐蚀性酸、碱、盐介质接触而使用寿命缩短等。

关键词：金属材料；微生物腐蚀；生物膜；腐蚀防护；
自然海水中，微生物倾向于附着在材料表面形成生物膜，它在金属/溶液界
面扮演着双重角色。

金属的微生物腐蚀通常由多种微生物协同作用，具有复杂的
作用机制，应该综合运用各种物理、化学手段，尤其是防护性涂层方法才能达到
控制腐蚀的目的。

一、金属材料的腐蚀机理
1.金属腐蚀的发生。

金属受周围介质的化学及电化学作用而被破坏，这种
现象叫金属的腐蚀。

由于腐蚀导致的金属破坏都是先从表面开始，所以金属表面
的破坏程度最大。

2.金属腐蚀的分类，按腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐
蚀两大类。

化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗。

电化学腐蚀则是金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生破坏。

不论是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化成金属阳
离子的过程。

二、金属材料海洋腐蚀的防护
1.电化学保护，电化学保护分为阴极保护和阳极保护。

阴极保护的原理如下：利用电化学原理，将被保护的金属设备进行外加阴极极化降低或防止腐蚀；
将被保护金属进行外加阴极极化以减少或防止金属腐蚀的方法叫做阴极保护法。

阴极保护有包括外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。

外加电流法是将被保护的金
属与另一附加电极作为电解池的两极，被保护金属为阴极，这样就使被保护金属
免受腐蚀。

牺牲阳极保护法是将活泼金属或其合金连在被保护的金属上，形成一
个原电池，这时活泼金属作为电池的阳极而被腐蚀，基体金属作为电池的阴极而
受到保护。

外加电流阴极保护所需保护电流是由直流电源(如蓄电池、直流发电机、整流器等)提供的；而牺牲阳极保护中所需保护电流是由牺牲阳极的溶解所提供的。

为了有效地发挥保护作用，牺牲阳极的电位要足够负，阳极极化率要小，特别是
表面不能生成保护性的腐蚀产物膜，阳极溶解要均匀。

2.金属的磷化处理。

钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液
中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理。

磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为5～20μm，在大气中有较好的耐腐蚀性。

膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强蚀。

3.覆盖层保护。

基底材料和覆层材料组成复合材料，可以充分发挥基底材
料和覆层材料的优点，满足耐蚀性，物理、机械和加工性能，以及经济指标多方
面的需要。

覆盖层的保护效果和使用寿命取决于三个方面的因素：覆层材料在使
用环境中的耐蚀性、强度、塑性和耐磨性。

覆层的均匀性、孔隙和缺陷。

覆层与
基体金属的结合力。

覆盖层保护又分为金属保护层、化学转化膜、非金属保护层。

金属保护层包括金属镀层、金属衬里、双金属复合板；化学转化膜包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐处理、草酸盐处理、铬酸盐处理；非金属保护层包括油漆涂料、塑料涂覆、搪瓷、钢衬玻璃、非金属材料衬里、暂时性防锈层。

聚氨脂涂料、乙
烯基涂料等。

防护涂层应有尽可能低的透水性、透氧性、透离子性,以及良好的工
艺性如附着力、固化收缩率等。

三、生物膜生成及其对微生物腐蚀的影响
1.生物膜的成长过程，自然海水中，微生物倾向于附着在材料表面生长，
并在其上形成生物膜，这是由不同的机理决定的。

微生物具有自我保护的反馈机制，当环境中有毒物质，如缓蚀剂、杀菌剂出现时，会刺激菌体聚集成团，分泌
大量黏液而抵御毒物的侵入。

细菌以生物膜的方式聚集在一起有利于捕获环境中
的营养物质，而且通过种间协作，不同种类的细菌集聚生长能够充分利用双方的
代谢产物，形成能量循环，达到“合作共赢”的模式，如产酸菌（APB）和硫酸盐
还原菌（SRB）的协作关系。

这种特性使得生物膜群落独立于外部环境，抗干扰
能力显著增强。

生物膜的成分较复杂，主要为含水量在95%以上的凝胶相，由细菌、胞外高聚物（EPS）、腐蚀产物和悬浮颗粒等共同组成。

它的形成是一个高
度自发的动态过程，随着细菌的生长和消亡，周围环境不断变化。

2.生物膜的特性。

最初形成的条件膜很薄，厚度一般为20～80nm。

该膜的
形成改变了金属表面的静电状态和润湿性质，利于细菌和其他微生物在界面上聚
集生长，它是生物膜进一步发展的基础。

伴随着生物膜的成熟，金属表面的离子
种类和氧化-还原电位急剧变化，并在膜内造成pH梯度，相继发生各种传质过程
和复杂的化学反应。

3.腐蚀过程中生物膜的双重角色。

微生物能急剧改变金属/溶液界面的电化
学性质，其生命活动具有两面性，或者促进腐蚀，抑或抑制腐蚀。

虽然生物膜和
无机产物膜在金属/溶液界面同时存在，两者却朝着相反的方向生长，这种差异性使得金属易于发生局部腐蚀，包括点蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀。

在研究厌氧菌生
物膜下不锈钢的腐蚀时发现，除去试片表面的生物膜和腐蚀产物后，点蚀电位正移，而随着生物膜的积累，就会发生点蚀。

另一方面，生物膜的存在也能影响基
体的钝化行为，抑制腐蚀恶化。

例如，SRB在代谢过程中产生大量侵蚀性的硫化物，它和基体接触，能够生成一薄层铁硫化合物，钝化金属表面，提供连续的保
护作用
四、微生物腐蚀的防护
工业用循环冷却水系统在运行过程中常常受到微生物的污损，不仅影响设
备的安全运行，还增加了清理、修补和更换的费用，带来巨大的经济损失。

考虑
到现场作用，具体的防腐蚀手段包括物理、化学和涂层方法。

1.物理方法。

在循环冷却水系统中，通过对水源的防污、除垢可以有效减
少细菌的来源，常用的灭菌方式如紫外线照射和超声波处理。

一般的紫外线灯在210~313nm波长内有很强的辐射，这个范围恰可以为细菌的核酸所吸收，促进其
形成胸腺嘧啶二聚体，破坏菌体生殖途径。

当超声波频率在90~20 kHz以上时，
即可杀灭细菌。

另外利用阴极保护的方法，可以在被保护的金属表面附近形成碱
性环境，一定程度上也能抑制微生物的附着。

2.化学方法。

化学杀灭法是最简便而又行之有效的控制MIC的方法。

目前
常用的杀菌剂按其功能和作用机理可以分为氧化型和非氧化型杀菌剂。

氧化型杀
菌剂主要有氯气、二氧化氯和次氯酸钠等，通过氧化细胞内的活性酶，可以将菌
体完全分解为二氧化碳和水。

非氧化型杀菌剂又可分为醛类、季铵盐类、季磷盐类、氯代酚类、有机硫化物类及复配型类。

20 mg/L的戊二醛可以有效减少海水
中SRB的数量。

中船重工七二五所在抑制海洋生物污损方面也做了许多尝试，其
设计的船舶压载水处理系统利用电解海水制氯法能有效地杀死海水中的微生物。

3.防护性涂层。

在金属表面覆盖涂层能够使其光滑的表面不易被细菌附着，
同时也具有杀菌防除的作用。

目前，我国使用的水性防腐涂料主要有水性环氧涂料、水性无机富锌涂料、水性丙烯酸涂料以及水性聚氨酯涂料等四大类。

在涂料中添加各类溶出型或缓释型杀菌剂，均有利于细菌的防除。

这类涂料在使用过程中不断有防污剂渗出，具有一定的使用寿命，一般来说从几个月到几年不等。

近年来还出现了一些新型的纳米防污涂料，如光催化TiO2微纳米涂料等。

由于自然环境的变化，腐蚀通常由多种微生物协同影响，所以应该综合应用各种防腐手段才能达到控制腐蚀的目的，而防护性涂层方法无论在作用面积，还是持续效果方面都有其他方法无可比拟的优势，是主要发展的方向。

参考文献：
[1]凌志刚.材料的微生物腐蚀研究与进展.2016.
[2]夏桥平，王明阳，金属材料的海洋腐蚀与防护.2017.。