灰霾天气条件下对材料腐蚀性能的研究

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1.引言
灰霾产生的原因主要在于城市内部扩散条件有限，冷空气较弱，风速小，城市中的各种悬浮污染物无法及时扩散，并在近地面逐渐积聚，加上气候干旱少雨，日照强烈，湿度较小，污染物之间就容易发生各种光学反应，形成灰霾。

近年来，全国灰霾天气频繁爆发。

灰霾天气爆发时，常伴随有近地逆温现象，一般都伴有风速低，相对湿度低，日照强烈。

这样的气象条件不利于污染物扩散稀释，细颗粒物往往长期滞留在大气层中，进一步发生光反应生成二次污染物。

细颗粒物PM 2.5中水溶性离子成分相对稳定，质量浓度由高到低主要为SO 42-、NO 3-、NH 4+、Ca 2+、K +、Cl -、Na +、Mg 2+、F -、当PM 2.5沉积在碳钢表面，其自身携带的水溶性离子，以及吸附的酸性污染物等溶于水薄膜后，加速腐蚀。

目前，对灰霾天气的研究十分有限。

周刚等研究了灰霾的来源及对人体呼吸系统的危害，唐傲寒，F.Wei 等对灰霾期间污染物的化学组成及污染特征进行了研究，BRANISM ，姚玉刚等对灰霾的检测技术进行了研究，李洪等对灰霾天气的危害进行了研究。

但是对于灰霾天气条件下对材料的腐蚀作用并未有人研究。

考虑到几乎所有与大气接触的金属材料都会受到大气腐蚀，大气腐蚀所造成的损失约占腐蚀总损失的一半以上，研究灰霾天气带来的腐蚀危害，不仅对大气环境的保护和污染的治理有很强的现实意义，也会促进对材料防护措施的改进，减少经济损失。

2.实验方法及内容
实验共分为两部分内容，第一部分为室外灰霾大气中的挂片腐蚀研究，第二部分为室内对腐蚀作用的影响因子的研究。

2.1 实验材料：
A3碳钢标准腐蚀试片，尺寸为：50×25×2mm 2.2 实验方法：室外实验方法：将工业污染严重区作为暴露地点（暴露位置与大气检测仪器相距约2m ，故暴露处的大气质量可参照该处大气监测点的大气数据），在距离地面3-4m 处，每次平行放置3片A3碳钢挂片于实验架上，完全暴露在大气中，避免雨水直接冲刷。

每隔25天，更换一次挂片，同时收集实验期间大气污染物数据。

室内实验方法：在室外实验地点附近收集足量的细颗粒物PM 2.5，进行以下三组实验，每组设置三个平行实验。

实验容器为1L 烧杯，密封烧杯，在烧杯中放置200mL 的蒸馏水控制相对湿度饱和，将0.02g 细颗粒物PM 2.5均匀的分布在挂片表面，挂片放置在距水面以上一定距离的泡沫板之上，室温恒定为18度。

25天后，利用称重法观测腐蚀情况。

细颗粒物不能过量，过多会形成缓蚀层，减缓腐蚀发生。

腐蚀速率用暴露前后A3碳钢挂片的平均失重比表示。

3.实验结果及分析3.1 灰霾天气爆发频率
在2013年8月23-12月21日，共进行了5次暴露实验。

根据廖碧婷等的划分方法，
在调查的共计121天里，灰霾天气有97天，雾霾16天，清洁8天。

灰霾天气状况如图1，可见，秋冬季武汉的天气主要以灰霾天气为主，灰霾天气的爆发率约为80.16%，随着时间的推移，每一个实验阶段的灰霾天气占得比重越来越大，可近似将室外挂片腐蚀情况看作灰霾天气情况下对碳钢材料的腐蚀情况。

图1 灰霾天气爆发频率表 表1 灰霾的分类
3.2 灰霾天气污染物浓度变化情况
对实验期间收集到的污染物数据进行分析，可得到污染物之间的相关性，如表2。

分析发现PM 2.5与PM 10的相关性高达0.87061，与CO 也高度相关，而与SO 2，NO 2中度相关，表明了大气中各污染物之间的复杂关系。

同时，污染物的浓度不仅与污染源的多样性有关，还与气象条件密不可分，温度，风速，风向，降雨等均影响污染物的扩散稀释，逆温也影响污染物之间的光化学反应。

图2表示秋冬变化过程中，主要污染物的浓度变化情况。

PM 2.5和PM 10的浓度均增加，SO 2，NO 2的浓度变化不是很明显。

工业排放，汽车尾气排放，城市供暖等影响污染物的浓度变化，主要由于气温越来越低，城市燃料用量加大，辐射和光化学反应减弱，大气稳定度高，使污染物扩散浓度降低，导致PM 2.5和PM 10浓度升高，而实验地点在工业重污染区，酸性气体NO 2，SO 2等的排放量变化不大。

表2 灰霾天气情况下污染物的相关性矩阵
同时，PM2.5的平均浓度128ug/m 3，平均超标倍数1.71；PM 10的平均浓度186ug/m 3，平均超标倍数1.24；SO 2和NO 2基本未超标。

PM 2.5/PM 10的比值范围0.62-0.84，平均值0.73，针对表2的相关性分析，可看出武汉市大气中细颗粒物PM 2.5占很大比重，约0.73，故细颗粒物的影响作用主要在于PM 2.5。

而（下转296页）
灰霾天气条件下对材料腐蚀性能的研究
王佳文 胡将军 韦顺艳 闫博韬
（武汉大学资源与环境科学学院 湖北 武汉 430079）
【摘要】 频繁爆发的灰霾天气，给人们日常生活带来严重危害。

针对灰霾期间污染物浓度高，扩散稀释慢，研究其对材料的腐蚀危害。

通过暴露在灰霾大气中的A3钢挂片，研究秋冬两季不同气象条件下，灰霾腐蚀作用的影响因素；并在实验室进行模拟实验。

结果表明，水分占主导作用，高浓度的PM 2.5在湿润条件下加速腐蚀，SO 2与PM 2.5协同作用，导致腐蚀明显加剧。

【关键词】灰霾；PM 2.5；水分
【Abstract 】The frequent outbreak of the haze weather ， brings serious harm to the people's daily activities. For the high concentration of pollutants during haze ， the slow rate of diffusion and dilution ， studies the corrosion of materials damage.Through the discovery of A3 steel hanging piece in the haze atmosphere ， studied the haze corrosive action in fl uence factors under the fall and winter seasons with different weather conditions. In addition ， did some simulation experiment in the laboratory. The result indicated that ， the humidity content occupies the leading role ， highly concentrated PM 2.5 accelerates corrosion under the moist condition. SO2 and the PM2.5 synergistically cause the more severe corrosion.
【Key words 】Haze ；PM 2.5；Humidity 【中图分类号】TG172 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2014）
17-0287-02天气等级相对湿度能见度轻微霾≦80%
≧5km 且
≦10km
轻度霾≦80%≧3km 且<5km 中度霾≦80%≧2km 且<3km 重度霾≦80%<2km 雾霾80%-90%<10km 雾
≦90%
<1km
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体育设施在内的各项教学基础设施建设的投入，并要建立一个包括投入、维护、更新三个环节在内的完整的开发流程杜绝只投入不维护的现象。

淘汰落后的设备，消除由于器材陈旧对学生造成伤害的安全隐患，使学生的运动、锻炼更科学、更合理。

2、增强体育教师的责任感，负责、规范地开展教学
应该广泛开展对体育教师的培训工作。

培训集中在两点：一是教师的业务水平，可以通过教学研讨，精品课程示范，座谈会等方法促使教师互相交流经验，共享先进的教学、指导方法，还可以请资深足球界人士不定期开展业务培训班获讲座，增强教师的业务水平；二是教师的职业道德，应该通过座谈会等方式，让体育老师明白本职工作的重要性，增强教师的责任感和使命感，促使教师刻苦钻研业务，更加负责任地开展体育教学。

体育教师在足球教学中应该有足够的信心和耐心，在讲解技战术时应该多示范、细讲解，让学生能够真领会，从而规范自己的技术动作。

同时应该强调足球规则的权威性和教学比赛的正规性，杜绝粗野犯规、恶意伤人的不良现象。

3、加强易受伤部位的锻炼
足球运动中易受伤的踝关节、膝关节、脚部以及小腿等部位的机能都是可以通过科学的锻炼得到增强的。

比通过加强大腿肌肉力量的训练，充分锻炼股四头肌和大腿后面肌群，可以增强膝关节的稳定性，从而达到保护膝关节的目的。

4、做好准备活动和整理运动
准备活动是对身体的预热，能够有效地避免运动损伤。

科学研究表明，准备活动结束与正是运动开始之间的间隔以1~4分钟为宜。

准备活动的时间与强度以20分钟左右或身体稍稍感觉发热或微出汗为宜。

整理运动是对身体的冷却，能有效降低肌肉中的乳酸含量，减少肌肉劳损程度。

在教学结束后，教师可以引导学生分组合作进行整理运动，比如可以让两名同学相互踩腿，放松腿部肌肉。

5、增强自我保护意识和技能
足球是一项高强度的体育项目，因此摔倒等突发情况在所难免，在遇到这种情况时应该有较强的自我保护意识，避免运动损伤。

比如在摔倒时，不要直接用手撑地，应该保护头部的同时用肩背着地，在着地时应该顺势翻滚身体，卸去冲力，尽可能地降低身体与地面的碰撞。

6、规范技术动作
前面已经提到教师应该多示范、细讲解从而达到规范学生技术动作的目的。

学生在上课时对于老师的示范和讲解也应该细心听、用心记、勤练习。

在学全新的技术动作时，可以掌握其要点，简单地去模仿，先学到形似的程度，待较为熟练时再发力，并运用到比赛中。

7、加强对学生的思想道德教育
体育教学不光要增强学生的身体素质，还要提高学生的思想道德修养。

在弘扬体育精神，磨练学生意志品质的前提下也应该注意教会学生尊重他人、保护他人，让足球成为建立友谊的方式而不是打击报复的手段。

四、结语
对于足球教学中的损伤应该采取以预防为主的态度。

在认识到共性的同时，各地区、各学校应该针对自己的特点系统分析损伤产生的原因，发现自身存在的问题，对症下药，最大限度地避免损伤的产生。

教师和学生也应该以更加积极的态度和更加科学的方法参与足球的教学活动，从而达到发展体育运动，增强全民素质的战略目标。

参考文献
[1]翁林.体育教学中运动损伤产生的原因与预防.河南教育学院学报.2005
[2]张晓宇，杨利春.普通高校足球教学中常见运动损伤及预防.高校讲坛.2011
[3]李坤.对我国体育院校足球专项学生运动损伤的调查研究.延边大学硕士学位论文.2012
[4]金俊，陈云.高校足球专项学生运动损伤的调查分析与预防.内江科技.2010
[5]施连志.大学生足球运动员运动损伤情况调查分析.吉林体育院校学报.2010
（上接287页）灰霾的发生时PM
2.5浓度很高，可见PM
2.5
在灰霾
腐蚀过程中发挥很重要的作用。

图2 污染物的平均浓度变化图图3 挂片腐蚀情况
3.3 灰霾天气条件下对A3碳钢材料的腐蚀情况分析
图4为实验期间大气湿度的变化情况。

分析发现，随着时间
的变化，挂片的腐蚀速度越来越小，污染物的浓度在不断升高，大气中的相对湿度基本不变，绝对湿度越来越低。

室内腐蚀实验结果如表3。

只有在细颗粒物存在且水分充足时，才会促进腐蚀产生，证实了水分是灰霾腐蚀的重要因素。

故得出结论，水分在腐蚀过程中起决定性作用。

图4 大气中水分变化图表3 室内腐蚀情况
叶堤等研究了大气污染物对碳钢材料的腐蚀影响，纪刚等对材料腐蚀与环境因子灰色关联度的分析，都表明SO
2
对腐蚀的影响是最大的，其次是颗粒物。

SO
2
的腐蚀机制被普遍接受的是Schikorr在1983年提出的“酸
循环机制”。

首先，大气中的SO
2
以干、湿沉降等方式进入碳钢表面的薄液膜，形成硫酸电解质。

接着，硫酸与基体金属材料反
应，产物FeSO
4又能进一步氧化水解生成硫酸开始新的循环，故
在以SO
2
污染为主的大气环境中，由于不断提供酸性电解质，大
大加速了碳钢腐蚀进程。

结合PM
2.5
的特性，PM
2.5
会伴随SO
2
沉降进入碳钢表面，不
仅自身会促进点蚀，还会吸收周围大气中的水分，在碳钢表面形
成薄液膜，促进SO
2
的酸循环腐蚀。

由此，PM
2.5
和SO
2
的协同
作用引起的电化学腐蚀更剧烈，灰霾的腐蚀危害不可忽视。

4.结论
1）细颗粒物的影响作用主要在于PM
2.5。

武汉市秋冬季的
灰霾天气频繁爆发，爆发率约为80.16%。

灰霾爆发时，细颗粒
物的浓度过高，PM
2.5
的平均浓度128ug/m3，平均超标倍数1.71；
PM
10
的平均浓度186ug/m3，平均超标倍数1.24；PM
2.5
/PM
10
的比
值平均值0.73，可见大气中细颗粒物PM
2.5
占很大比重。

2）水分是灰霾期间对材料腐蚀性能的决定因素。

水分不充
足时，即使污染物浓度很高也很难产生明显腐蚀。

3）PM
2.5
与气态污染物的协同作用引起的腐蚀作用更严重。

由于PM
2.5
的强烈吸湿性，周围大气中的水分，会附在在碳钢表
面形成薄液膜，其本身的的可溶性盐以及气态污染物均会溶于薄
液膜，发生电化学腐蚀，它们之间的的复杂作用会加剧腐蚀。

参考文献
[1]周刚，夏慧，我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述，广
州化工，2013
[2]张帆，成海荣，王祖武，武汉秋季灰霾和非灰霾天气细颗粒
物PM2.5中水溶性离子的特征中国粉体技术2013
[3]唐傲寒，赵静娴，韩文轩，刘学军，北京地区灰霾化学特性
研究进展，中国农业大学学报2013
[4]姚玉刚，邹强，张仁泉等，灰霾监测研究进展，环境监控与
预警，2012
第一作者：王佳文（1993-），女，武汉大学资源与环境科学学院
环境工程专业本科生。

通讯作者：胡将军（1963-），男，教授，博士生导师，研究方
向：大气污染控制工程。

灰霾天气条件下对材料腐蚀性能的研究
作者：王佳文， 胡将军， 韦顺艳， 闫博韬
作者单位：武汉大学资源与环境科学学院 湖北 武汉 430079
刊名：
课程教育研究（新教师教学）
英文刊名：Course Education Research
年，卷(期)：2014(17)
1.周刚;夏慧我国灰霾天气的成因分析及研究进展综述 2013
2.张帆;成海荣;王祖武武汉秋季灰霾和非灰霾天气细颗粒物PM2.5中水溶性离子的特征 2013
3.唐傲寒;赵静娴;韩文轩;刘学军北京地区灰霾化学特性研究进展 2013
4.姚玉刚;邹强;张仁泉灰霾监测研究进展 2012
引用本文格式：王佳文.胡将军.韦顺艳.闫博韬灰霾天气条件下对材料腐蚀性能的研究[期刊论文]-课程教育研究（新教师教学）2014(17)。