海洋材料的微生物附著腐蝕

內(nèi)容概要

海洋材料的微生物附著腐蝕結合近年來對微生物腐蝕研究的進展情況，論述了海水環(huán)境中生物膜的生長與特征、微生物腐蝕機理和材料科學中微生物腐蝕，尤其是微生物附著表面的研究方法等幾個方面的內(nèi)容。全書共五章，內(nèi)容包括材料的海洋微生物附著腐蝕概況、海洋微生物及其實驗室研究技術、海洋微生物腐蝕機理及研究方法、海洋材料微生物附著腐蝕的防護技術、深海極端環(huán)境下材料腐蝕模式與研究趨勢。
海洋材料的微生物附著腐蝕可供海洋工程、材料科學與工程及相關專業(yè)的研究人員、工程技術人員參考，也可作為高年級本科書、研究生參考用書。

書籍目錄

前言第1章 材料的海洋微生物附著腐蝕概況1.1 引言1.2 海洋材料的概述1.2.1 傳統(tǒng)海洋材料1.2.2 新型海洋材料1.3 海洋環(huán)境中材料的腐蝕1.3.1 海洋飛濺帶的腐蝕1.3.2 海洋潮差區(qū)的腐蝕1.3.3 海水全浸層的腐蝕1.3.4 深海及海泥中的無氧腐蝕層1.4 海洋微生物的附著生長1.4.1 海洋微生物的運動軌跡1.4.2 海洋微生物的生命活動參考文獻第2章 海洋微生物及其實驗室研究技術2.1 引言2.2 海洋微生物之病毒2.3 海洋微生物之古菌2.3.1 產(chǎn)甲烷細菌2.3.2 嗜熱酸細菌2.3.3 嗜鹽細菌2.4 海洋微生物之細菌2.4.1 細菌的結構2.4.2 細菌的繁殖和代謝2.4.3 細菌的分類2.5 海洋微生物之真核微生物2.5.1 微藻2.5.2 化能異養(yǎng)真核微生物2.6 海洋微生物之極端環(huán)境微生物2.6.1 海洋極端環(huán)境的形成2.6.2 海洋極端環(huán)境中奇異的生物2.7 海洋微生物的實驗室技術2.7.1 無菌技術2.7.2 用固體培養(yǎng)基分離培養(yǎng)2.7.3 用液體培養(yǎng)基分離培養(yǎng)2.7.4 單細胞(單孢子)分離法2.7.5 選擇培養(yǎng)分離2.7.6 海洋微生物生長和測定2.7.7 海洋微生物腐蝕實驗分析第3章 海洋微生物腐蝕機理及研究方法3.1 海洋微生物的特性3.2 海洋微生物腐蝕機理3.2.1 海洋微生物附著腐蝕的研究進展及研究方向3.2.2 海水環(huán)境中生物膜的生長與特征3.2.3 微生物腐蝕機理的概述3.2.4 微生物腐蝕界面理論3.3 海洋微生物腐蝕的研究方法3.3.1 微生物研究方法3.3.2 微生物膜的化學分析3.3.3 電化學研究方法3.3.4 表面分析方法3.4 硫酸鹽還原菌引起的微生物腐蝕3.4.1 硫酸鹽還原菌對不銹鋼腐蝕的影響3.4.2 硫酸鹽還原菌腐蝕作用機理3.4.3 環(huán)境因素對SRB生長的影響與SRB的變異3.4.4 硫酸鹽還原菌腐蝕防控措施3.5 需鈉弧菌引起的微生物腐蝕3.5.1 需鈉弧菌對不銹鋼腐蝕的影響3.5.2 需鈉弧菌對銅腐蝕的影響3.5.3 需鈉弧菌的腐蝕機理研究3.6 海洋其他優(yōu)勢菌種引起的微生物腐蝕3.6.1 其他海洋菌種對鐵鋁金屬間化合物腐蝕的影響3.6.2 Fe3 Al表面微生物膜附著量分析3.6.3 Fe3 Al表面微生物膜附著動力學3.6.4 Fe3 Al表面微生物膜結合力分析3.7 海洋微生物腐蝕的研究展望參考文獻第4章 海洋材料微生物附著腐蝕的防護技術4.1 物理方法4.2 化學方法4.3 生物方法4.4 其他方法4.5 納米技術的應用4.5.1 國外應用研究4.5.2 綠色納米防污劑的應用4.5.3 仿生技術的應用4.6 海洋防污涂料的應用4.6.1 防污劑研究的發(fā)展與現(xiàn)狀4.6.2 樹脂基料的發(fā)展及現(xiàn)狀4.6.3 防污涂料的研究現(xiàn)狀4.6.4 防污涂料及技術的最新研究進展4.7 防污涂層的應用及進展4.7.1 抗蛋白質(zhì)吸附涂層4.7.2 蛋白質(zhì)降解薄膜4.7.3 防細菌附著涂層4.7.4 殺菌涂層4.7.5 聚陽離子涂層4.7.6 納米載體材料4.7.7 釋放和接觸式抗菌涂層4.7.8 酶基防污涂層4.7.9 抗污涂層表面的微觀形貌參考文獻第5章 深海極端環(huán)境下材料腐蝕模式與研究趨勢5.1 深海腐蝕研究5.1.1 模擬裝置設計與制備5.1.2 深海菌類及其實驗室培養(yǎng)5.2 深海材料的研究趨勢5.2.1 金屬材料的深海腐蝕5.2.2 非金屬材料的深海腐蝕5.3 深海探測與材料5.3.1 深海技術發(fā)展與問題5.3.2 深海材料技術參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 材料的海洋微生物附著腐蝕概況 1.1 引言 隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和資源開采技術的進一步開發(fā)及應用，人類面臨越來越嚴重的能源危機。陸地上的石油資源、森林資源及各種礦產(chǎn)資源逐漸趨于枯竭。能源爭奪所引發(fā)的戰(zhàn)爭連年不斷，給全世界人民的生產(chǎn)生活帶來巨大的痛苦。在這種情況下，占地球面積70%的海洋逐漸成為各國科學家、政治家及經(jīng)濟學家所重視的新的“戰(zhàn)場”。海洋面積廣闊、資源豐富，能為人類帶來巨大的能源支持，但是，由于海洋環(huán)境苛刻、海水對材料腐蝕嚴重、海洋生物加劇腐蝕進行、深海環(huán)境下水壓過強、海洋設備尺寸巨大等多方面因素，各國目前的海洋技術皆不夠發(fā)達，海洋產(chǎn)業(yè)受到極大限制，尚處于開發(fā)初期。在這種形勢下，立足于海洋產(chǎn)業(yè)，發(fā)展海洋經(jīng)濟，成為各國科研工作的重中之重，而制約海洋科技發(fā)展的重要因素就是海洋新材料的研發(fā)和應用。 海洋環(huán)境涉及氣象、流體、物理、化學及生物等多領域復雜因素。傳統(tǒng)金屬材料越來越不能滿足先進海洋設備和機械的使用條件。高速船體材料、高耐腐蝕海洋建筑材料及深海探測材料都面臨更新?lián)Q代的局面。改進傳統(tǒng)海洋材料，針對海洋環(huán)境設計高性能、耐腐蝕、環(huán)保、綠色的新材料及對新材料的可應用性進行深度的探索已經(jīng)迫在眉睫。 在海洋中，材料應用最主要的破壞形式就是腐蝕。其中，與海洋微生物附著有關的材料破壞占到涉海材料總量的70%～80%，每年因微生物腐蝕造成的損失高達上千億美元。要研發(fā)新型海洋材料，必須從機理上考查其抗微生物附著腐蝕性能，并透徹研究材料表面與微生物之間發(fā)生的反應。該類研究對于從材料微觀結構上提高其耐海水及海洋微生物腐蝕能力至關重要。 1.2 海洋材料的概述 所謂海洋材料，宏觀上是指能從海洋中提取的材料和專屬用于海洋開發(fā)的各類特殊材料。以往，我們只是在材料家族中為海洋挑選已經(jīng)存在的普通材料，當該材料適應不了海洋的特殊環(huán)境時，人們再去研究如何防護和改進，總是處在一種被動的尋求狀態(tài)，而沒有像航天航空、生物材料那樣旗幟鮮明地提出來而進行專門研究。隨著海洋科技開發(fā)的廣度和深度的不斷拓展，適時提出海洋材料的概念和戰(zhàn)略，對于海洋和材料兩大領域都具有重要意義。 目前，海洋材料按原料來源可分為以下兩類。第一類是指用提取于海洋環(huán)境的原料所制備的材料。例如，印度Iyer等從中印度洋盆地提取火山熔巖富鐵材料，通過研究這種材料中的多金屬結核（poly-metallicnodule），成功從海洋中提取戰(zhàn)略金屬（鎳、銅、鈷、錳和鐵等），具有巨大的經(jīng)濟開發(fā)潛力；日本從海洋礦物中開發(fā)甲烷水合物（可燃冰），將其作為新能源的化石燃料（見圖1.1），并將分別于2012年和2014年度在日本近海進行海洋提取試驗；杜希萍研究了七種海洋真菌的次級代謝產(chǎn)物，得到多種抗腫瘤、抗菌、抗氧化等活性物質(zhì)；廈門大學劉四光等利用微波法在海洋小球藻（Chlorellaautotrophica）中提取多糖，這種方法不僅不會破壞多糖的結構，還具有耗時短、多糖產(chǎn)率較高的優(yōu)勢。第二類是指原料來源于陸地，但是針對海洋具體環(huán)境條件設計并制造的材料。例如，意大利學者Lavinio設計并制備的鈦基纖維復合材料符合深海環(huán)境的必備條件，可承受3500m深度以下的水壓，并可進行正常測量。作者研究團隊研發(fā)的鐵鋁金屬間化合物及其復合材料也屬于這類材料。 根據(jù)海洋材料的創(chuàng)新性又可以將之分為傳統(tǒng)海洋材料和新型海洋材料兩個領域。傳統(tǒng)海洋材料是指以往人們從材料家族中為海洋挑選出的、已經(jīng)存在的、普通的或針對性制備的材料。當該材料適應不了海洋的特殊環(huán)境時，人們再去研究如何防護和改進，而新型海洋材料則指人們將海洋材料作為一個研究領域進行專門研究。隨著海洋科技開發(fā)的廣度和深度的不斷拓展，海洋和材料兩大領域互相融合交叉，新型海洋材料的設計和研發(fā)都具有重大意義。 1.2.1 傳統(tǒng)海洋材料 傳統(tǒng)應用于海洋中的材料主要是金屬及合金類材料，如鋼鐵材料、鋁及鋁合金材料和銅及銅合金材料等。傳統(tǒng)金屬材料在海洋中耐腐蝕性較差，極易在富含氧和各種離子的海水中發(fā)生物理化學反應，并導致整個體系的破壞（見圖1.2），但是應用十分廣泛，屬于急需改進或替換的材料。由于物理性能優(yōu)越、可加工性強、價格低廉、國內(nèi)外存儲量高、環(huán)境友好等優(yōu)點，鋼鐵材料占據(jù)著無可替代的海洋工程材料領導地位。但是，由于海洋環(huán)境的特殊性和腐蝕性，各國專家對于如何提高鋼鐵材料在海洋中的抗腐蝕、抗附著性能的研究從未停止。鋁及鋁合金質(zhì)量輕，大量用于海上交通運輸，其在海水中的腐蝕行為主要取決于： 海水環(huán)境因素的影響；②鋁合金自身的組織結構和表面狀態(tài)，主要是指鋁合金表面鈍化膜的組成和覆蓋情況。鈍化膜越完整，抵抗海水腐蝕的能力就越強，否則就容易受到外界腐蝕性介質(zhì)的侵蝕。而鈍化膜的破裂最初往往發(fā)生在表面結構有缺陷的地方，因此鋁合金的耐海水腐蝕性能都取決于鈍化膜的完好程度及其破裂后的自修復能力。銅及銅合金由于具有較好的機械加工性能、較高的正電位、極好的熱傳導性能和優(yōu)異的耐腐蝕特性，成為一種重要的海洋材料。銅及銅合金能夠耐腐蝕和抗污損的主要原因是在海水中發(fā)生了電化學反應，反應的過程主要生成了銅離子。這些有毒的銅離子不斷向海水中釋放，可以有效防止海洋生物的附著，但是也會嚴重影響海洋環(huán)境。 常用在海洋環(huán)境中的材料還有無機非金屬材料，主要是水泥混凝土，這種材料在海洋建筑工程中的應用十分廣泛，但是由于海洋環(huán)境下存在大量的鹽類，容易對混凝土結構造成腐蝕，并最終影響這種材料的性能和使用壽命（見圖1.3），而頻繁更換建筑工程材料造成的經(jīng)濟損失更是相當巨大。 常用在海洋環(huán)境中的有機材料類主要包括塑料類和橡膠類材料，這些材料耐蝕性較強，且材質(zhì)比較輕，適用于海洋中建設的油氣開發(fā)海上平臺。橡膠防腐涂料大多采用氯磺化聚乙烯和氯化橡膠作為基體材料合成，雖然這種防腐涂料防腐效果顯著，但是由于不能滿足某些特定環(huán)境下的要求，導致可應用性受到限制。 1.2.2 新型海洋材料 新型海洋材料的研發(fā)途徑主要有兩個：一是使用市場上已用的產(chǎn)品，設計使之增加系統(tǒng)可靠性及可應用性；二是通過研究材料性能，建立一個新型的材料體系。而上述的設計及應用都必須符合市場要求，價格合適，能夠進入消費體系，才能被海洋工業(yè)生產(chǎn)領域所接受和認知。在這里，將新型海洋材料按照新型合金類材料及新型復合材料分別進行介紹。 新型的海洋用金屬材料包括改進的傳統(tǒng)金屬材料及開發(fā)適應于海洋特種環(huán)境的新型材料。目前海洋中應用最為廣泛的材料還是各類合金類碳鋼及改良后的不銹鋼材料。研究表明，高Cr的不銹鋼耐海水侵蝕性能優(yōu)于低Cr鋼，且Ni-Cr鋼的耐海水侵蝕性能更好。因此，新型的不銹鋼可以通過以下三個方面提高其耐蝕性：增加Ni、Cr含量；②降低含C量，提高耐蝕性；③在不銹鋼中加入Mo，提高表面鈍化膜對Cl-的抵抗力。Arenas及Damborenea研究了Zn-Ti-Cu在NaCl模擬海洋環(huán)境中的耐蝕性，發(fā)現(xiàn)該類合金在沒有緩蝕劑存在的環(huán)境下，在軋制方向上會出現(xiàn)局部腐蝕，而在浸泡溶液中添加鋁酸鈰緩蝕劑后，材料表面會出現(xiàn)含有TiZn15的3D層片。Mahmoud研究了Cu-Fe合金在氯化鈉環(huán)境中的點蝕現(xiàn)象，他指出，合金在不同濃度NaCl溶液中的點蝕電位與NaCl溶液濃度關系如下： Epit＝a-blgCCl-（1.1）式中，a、b為常數(shù)，取決于NaCl的濃度。 另外，金屬鈦物理性能十分優(yōu)秀且化學性能也很穩(wěn)定，鈦及鈦合金具有強度高、相對密度小、耐熱性強、耐海水和海洋氣氛腐蝕等許多有益的特性，被譽為“未來的金屬”。海洋中存在大量NaCl、KCl等鹽類分子，對海洋工程材料有嚴重的腐蝕性，導致許多優(yōu)良工程用金屬不能適應這種強電解質(zhì)環(huán)境，制約了海洋工業(yè)的發(fā)展及各類海洋建筑的建設。研究發(fā)現(xiàn)，鈦金屬抗海水腐蝕能力遠超其他各類金屬。Gurrappa討論了Ti-6Al-4V在化學、海洋及工業(yè)中的應用性，發(fā)現(xiàn)鈦合金無論在高溫或低溫環(huán)境中，均可極好地抑制氧化腐蝕現(xiàn)象。Narayanan和Seshadri使用電化學方法在Ti-6Al-4V的基體上制備了陽極氧化涂層，并通過點蝕破壞試驗得知，含有Ca的涂層耐蝕性明顯低于不含有Ca的涂層。Li等研究了TiN及（Ti，Al）N涂層在模擬海洋鹽類溶液環(huán)境中的電化學腐蝕行為，試驗結果證明，這兩類涂層都能達到很好的抗腐蝕效果，且（Ti，Al）N在鹽類溶液環(huán)境中還有自修復功能。但是，鈦及鈦合金材料昂貴的價格及與其他類型材料較差的可連接性也直接制約了其在海洋工程領域的推廣使用。從20世紀80年代起，F(xiàn)e-Al金屬間化合物作為一種新型的材料，被廣泛研究，其制備工藝逐漸被完善，并且各國研究人員將其作為一種優(yōu)秀的添加物，與各類陶瓷基材料及高分子材料進行復合，以達到材料之間優(yōu)勢互補、互相增強的作用。Fe-Al金屬間化合物本身也是一種優(yōu)良的工程材料，其優(yōu)秀的機械性能和耐腐蝕性吸引很多專家的注意，在各種環(huán)境下的腐蝕行為及添加合金元素對其腐蝕性能的影響成為研究熱點。 1.3 海洋環(huán)境中材料的腐蝕 材料在海洋環(huán)境中必然要經(jīng)受各種惡劣條件的腐蝕和侵蝕作用，其中不僅包括海浪沖刷、海水濺射、海水腐蝕，還包括海洋中各種微生物附著腐蝕和海洋大型生物，如貝類、軟體類的附著腐蝕作用。另外，不同海域海水成分及生物種類不同，以及不同深度海水中含氧量、光照和海水流速等方面的差異，要求應用于不同海域的海洋材料具備不同的抗腐蝕性能和機械性能。研究各種因素對海洋材料的腐蝕作用，對于更好地研發(fā)新型海洋材料，具有重要意義。 海洋環(huán)境十分復雜（海浪、潮汐、大氣等），海水中含有多種物質(zhì)，影響海洋微生物腐蝕的因素也有很多，且隨著季節(jié)變更，占主導地位的因素也不斷變化。存在于這個體系中的物質(zhì)大致可分為兩種類型：一類是溶解物質(zhì)，包括溶解無機鹽類、有機化合物和氣體；另一類是不溶于液相的物質(zhì)，包括以氣相存在于水體中的氣泡和以固相存在于水體中的無機和有機物質(zhì)，其固相的顆粒大小不一，從微細的膠體到較大的懸浮顆粒。這兩種類型的物質(zhì)在海水中的含量隨空間和時間的變化而變化。 要想提高材料的耐腐蝕性能，設計針對海洋環(huán)境使用的新型材料，歸根結底是要先了解材料在海洋中的腐蝕形式和腐蝕機理，只有在根本上切斷材料腐蝕的途徑，才能真正達到防腐耐用的目的。在不同深度、不同海域的各類海洋環(huán)境中，材料被海水腐蝕的形式也各不相同。海洋各類極端環(huán)境主要包括：海洋大氣及飛濺區(qū)，海洋潮差區(qū)，淺海高鹵離子、氧元素含量的海水浸蝕區(qū)，深海及海泥中的無氧腐蝕區(qū)等。 1.3.1 海洋飛濺帶的腐蝕 最初提出的海洋飛濺帶這一概念是泛指在海水平均高潮位（M.H.W.L）以上部分，腐蝕最嚴重的部位（峰值）取決于海洋氣象條件，并沒有明確的范圍。Fuente等確定在海水M.H.W.L以上0～1m處為飛濺帶，最大處在M.H.W.L以上0.5m。而Jonsson等也指出，港灣內(nèi)飛濺帶嚴重區(qū)應在M.H.W.L以上0.45～0.6m處。 金屬在飛濺帶受到的嚴重腐蝕有它的特殊性，如沒有海生物附著、供氧充分、浪花的沖擊和潤濕及日光照射形成干濕交替的環(huán)境等。由文獻可知，海鹽粒子在飛濺帶上積聚的量要比海洋大氣中高3～5倍，甚至十幾倍，而且在峰值附近含鹽粒子量更高。飛濺帶的金屬表面被海霧、水滴潤濕的電量值遠大于大氣帶，而且有較高的干濕交替頻率。因此，在飛濺帶水膜潤濕時間長、干濕交替頻率高和海鹽粒子的大量積聚，加上飛濺的海水粒子沖擊是造成激烈腐蝕的主要外因。 飛濺帶上含鹽粒子量在各個月份均遠大于大氣帶，且飛濺帶峰值附近的含鹽粒子量也遠大于飛濺帶其他位置。通過比較處在飛濺帶的金屬表面和處于大氣帶的鋼樣表面的水膜濕潤時間及干濕交替頻率可以發(fā)現(xiàn)，飛濺帶處材料表面的潤濕 。

編輯推薦

《海洋材料的微生物附著腐蝕(精)》作者（尹衍升）根據(jù)多年的研究經(jīng)驗和科研成果系統(tǒng)的介紹了涉海材料的微生物腐蝕機理、微生物腐蝕防護技術和“半活性”界面理論。全書共分六章，內(nèi)容包括材料的海洋微生物附著腐蝕概況、海洋微生物種類及分布、海洋微生物的生長與代謝、海洋微生物腐蝕機理及研究方法、附著微生物與材料的“半活性”界面、微生物附著腐蝕的防護技術。

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