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微生物对飞机油箱腐蚀的电化学研究

发布时间:2019-05-10 21:30 来源:未知 编辑:admin

  本课题通过电化学方法研究了微生物对飞机油箱的腐蚀情况,分别在含有微生物和不含微生物的介质中放置挂片,定期取出挂片进行极化曲线和阻抗分析,得出微生物的存在对油箱腐蚀起到了加速作用。飞机油箱是飞机的一个极其重要的部件,一旦出问题,将会带来灾难性的后果,因此本研究显得极其重要。

  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。

  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:

  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。

  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。

  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。

  3.1极化曲线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是挂片在有菌介质中不同浸泡时间的极化曲线天时间里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。

  [1]吴玉军.东航江苏公司机务维修工程部.中国民用航空——维修,2006,11(71):49

  [2]张延山,徐山等编著.石油微生物采油技术.化学工业出版社,2009,1.31-34

  [3]郭玲玲等.喷气燃料中微生物的研究现状.能源研究与信息,2007,23(4):187-191

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