微生物對飛機油箱腐蝕的電化學研究
中國民航大學重點科研項目（CAUC2009ZD0204）資助項目
摘要：本課題通過電化學方法研究了微生物對飛機油箱的腐蝕情況，分別在含有微生物和不含微生物的介質中放置掛片，定期取出掛片進行極化曲線和阻抗分析，得出微生物的存在對油箱腐蝕起到了加速作用。飛機油箱是飛機的一個極其重要的部件，一旦出問題，將會帶來災難性的後果，因此本研究顯得極其重要。
關鍵詞：電化學；微生物；腐蝕；油箱
The electrochemical Study on microbial corrosion of aircraft fuel tank
Abstract: This topic was studied by electrochemical on microbial corrosion of aircraft fuel tank ,the film was hanging in no-micro-organisms and microbes containing medium. The polarization curve and impedance analysis were started at different time, and we know the presence of microbial corrosion of the tank played an important role in accelerating. Aircraft fuel tank is a very important aircraft parts, once the problems, the consequences will be catastrophic, it seems extremely important in this study.
Keywords: electrochemistry; microorganisms; corrosion; tank
1綜述[1-4]
民航業的飛速發展，使得很多原來被忽略的問題和隱患暴露了出來，其中微生物對燃油系統的汙染就是其中之一。近幾年來發生了多起由微生物汙染引起的航空事故，造成了巨大的經濟損失。國外相關機構很早以前就對此展開了研究，如美國ASTM發布的「燃油和燃油系統微生物汙染指南」，以及IATA的「飛機油箱微生物汙染指南材料」。
微生物是一切肉眼看不見或看得見的微小生物，它們都是一些個體微小構造簡單（大部分是單細胞）的低等生物。微生物種類繁多，在自然界無處不在，很難避免其進入供油系統及飛機燃油系統並在其中繁殖生長，造成汙染。
因此對微生物汙染問題展開研究，分析微生物汙染對飛機油箱腐蝕的影響具有重要意義。
2實驗
2.1實驗儀器、材料
本實驗主要用到電化學工作站和生化恆溫培養箱
IMes6電化學工作站 德國製造
SPX-150B-Z型生化培養箱 上海博訊實業有限公司醫療設備廠
實驗材料為油箱下表面材質 編號為7075-T6
2.2試驗介質的配置
目前發現航空煤油中含有微生物種類上達百種，包括細菌、真菌、放線菌、酵母等，所以本試驗測試所用介質為混合培養基，其中各成分配比如下表：
| 培養基成分（按每升計算） | 各成分質量 （g） |
| K2HPO4 | 0.4969 |
| FeSO4 | 0.0158 |
| MgSO4 | 0.1887 |
| NaCl | 4.9612 |
| NaNO3 | 3.1505 |
| 牛肉浸膏 | 4.8912 |
| 蛋白腖 | 5.1079 |
| 蔗糖 | 26.8642 |
| 澱粉 | 12.8816 |
| KNO3 | 1.0830 |
| H2O | 500 |
2.3試樣的預處理
使用鋼鋸把鎂鋁合金板切成30mm*10mm的掛片，工作面積為10mm*10mm，在非工作面上用封膠封住，實驗前依次用280#、600#和1000#的水磨砂紙打磨工作面，使表面光滑，用酒精、丙酮檫試乾淨，放於紫外燈下滅菌20min備用。
2.4化學試驗介質和裝置
把電化學測試試樣分別放入有菌和無菌培養基中恆溫培養。
無菌培養基：將滅菌後的培養基在無菌環境下轉移到滅菌後的燒杯中，將製備好的鎂鋁合金掛片直接浸泡在培養基中，試樣上端必須全部浸在液中，放入32℃恆溫培養箱內，每一周更換一次相同成分溶液。
有菌培養基：將滅菌後的培電養基接入菌種，將鎂鋁合金掛片浸入其中，在32℃下恆溫放置，每一周更換一次培養液。
2.5電化學測試[5-7]
將鎂鋁合金掛片放置在無菌和有菌培養基中，每次取出掛片放入電解池中，放置半小時後開始進行電化學測試。電化學測量儀器用德國生產的IM6ex系統。分別測試極化曲線和交流阻抗譜。工作電極為鎂鋁合金掛片，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極。所有進行的電化學測試都是在室溫條件下進行的。
電化學交流阻抗法：電化學體系中的阻抗是指電極阻抗或電化學池阻抗，電極阻抗是指當金屬導體被其周圍的導電性溶液（電解液）所包圍，電極與電解液之間的阻抗。電化學池阻抗是指電解液中兩個導體電極之間的阻抗。電阻、電容和電感是典型的阻抗元件，在電化學領域主要的阻抗元件是法拉第阻抗，但其不具有直接等效的電子電路，可將其分解為電阻和電容的並聯組合，電化學阻抗測試在自腐蝕電位下進行，其頻率範圍為10mHZ-100KHZ，交流信號幅值為5mV。
極化測試：範圍為-300mV-500mV（絕對電位）。掃描速度為1Mv/s。
圖1：經典三電極體系示意圖
3實驗結果與討論
3.1極化曲線測試分析
圖2是掛片在無菌介質中不同浸泡時間的極化曲線。發現Ecorr基本維持在-0.5V，而且隨著電位的升高，腐蝕電流密度按比例增加，說明腐蝕電流的增加並不含有微生物活動的影響因素。
圖2：鎂鋁合金在無菌溶液中不同浸泡時間的極化曲線
圖3是掛片在有菌介質中不同浸泡時間的極化曲線。在0-2天時間裡Ecorr從-0.519V下降到-0.547V，這是由於微生物在充足營養下急速繁殖代謝造成的，在鎂鋁合金表面形成了生物膜，加速了局部腐蝕過程。但是從2-4天電位稍有升高，這可能是由於微生物在生物膜大量消耗膜內的營養，但是膜內與膜外是隔離的，所以膜內的微生物因為得不到充足的營養物質，而不能繼續發生繁殖和代謝作用，因此漸漸死亡，膜因此繼而發生了破壞，生物膜剝離，局部腐蝕減輕。從4-6天Ecorr繼續下降，是因為，破壞了的生物膜表面又引入了新的微生物，並著床在合金表面進行繁殖代謝，由於微生物數量的增多再次形成了新的生物膜，又發生了局部腐蝕加速。從6-8天又重複了生物膜形成和生物膜破壞的過程，直至營養消耗完畢微生物全部死亡。
浸泡到第8天後的自腐蝕電位為-0.488V，而無菌的則為-0.450V。隨著電位的增加，腐蝕電流密度急劇增大，直至電位升高至-0.2V時仍沒有進入鈍化狀態，說明，生物膜的生成和剝離影響了鈍化的形成，在微生物大量存在的條件下，鎂鋁合金表面不容易發生鈍化，也就是沒有不可溶解的腐蝕代謝產物沉積在金屬掛片表面。從兩個圖中可以總結，只要微生物大量存在，就會發生嚴重的腐蝕，而且不會發生鈍化作用，即其腐蝕代謝產物不能促使鎂鋁合金髮生鈍化，延緩腐蝕。
由於腐蝕介質中含有Fe2+、SO42-等，而硫酸鹽還原菌-SRB會利用此離子獲得的能量供繁殖代謝用，生成產物為黑色的FeS，附著在金屬表面上，發生鈍化作用，但是在此實驗過程中，並未發現明顯的鈍化效果，由此可以推斷，在航油中可能不含有SRB。
圖3鎂鋁合金在有菌溶液中不同浸泡時間的極化曲線
3.2交流阻抗譜分析
圖4為鎂鋁合金在無菌介質中0-8天的Nyquist圖。可以看出隨著浸泡時間的變化，其阻抗大小也隨之發生了變化。金屬掛片在無菌培養基中只是阻抗值隨時間變化，其阻抗譜的形式沒有變化，但是圓心有下移，說明有彌散現象，不鏽鋼浸泡在無菌培養基中的電極表面腐蝕產物膜分布不均勻，電極表面粗糙度高，電場分布不均勻以及馳豫過程的發生，均會產生彌散現象。
圖4鎂鋁合金在無菌介質中的Nyquist圖
圖5為鎂鋁合金在無菌介質中0-8天的bode圖。由圖（a）可以看出，在浸泡初期，其相位角曲線只有一個低頻段的時間常數，當浸泡到第四天時，開始出現兩個時間常數，說明此時，鎂鋁合金掛片開始在無菌介質中發生了腐蝕，並且在外加電流的影響下，金屬表面開始鈍化，形成了一種鈍化膜，並且這種鈍化一直持續下去，說明在無菌溶液中，金屬掛片形成了比較穩定的腐蝕過程。而且由圖可以看出，相位角基本穩定在一個角常數，腐蝕過程一直在穩定的繼續。
（a）
（b）
圖5：鎂鋁合金在無菌介質中的bode圖（a、b）
圖6為鎂鋁合金在有菌介質中0-8天的Nyquist圖。在最初兩天，阻抗隨著浸泡時間增大而迅速減小，這是由於，細菌的大量繁殖，產生了較多酸鹼物質，加快了腐蝕速度。從第2-4天，阻抗開始增大，說明是由於金屬表面微生物膜的形成，腐蝕減輕，進而使得阻抗增大，由此可以說明，微生物膜的存在對鎂鋁合金腐蝕起到了一定的延緩作用。但是在後期，即為4-6-8天，阻抗一直減小，說明，微生物對掛片起到了穩定的腐蝕作用。由於Re代表介質及金屬的阻抗，因此可以用Re/1來表示腐蝕速度，隨著時間的延長，腐蝕過程一直繼續，而且腐蝕速度急劇增大，但是可能由於微生物數量在後期缺乏營養物質，數量減少，因此得到的阻抗值會比腐蝕初期略大。
圖6：鎂鋁合金在有菌介質中的Nyquist圖
圖7為鎂鋁合金在有菌介質中的bode圖。由圖（a）可以看出，腐蝕初期也同無菌一樣，為一個低頻段的時間常數。但是第四天開始出現兩個時間常數，說明此時有」鈍化「產生，但是此時是由於微生物膜的生成造成的，伴隨著生物膜的生成和破裂，導致會出現兩個時間常數和一個時間常數的交替。由極化曲線也可以得出，金屬表面並未發生鈍化，這也是由於掛片材質為Mg和Al這種輕金屬的原因，很難形成不溶沉積物，不易發生明顯的鈍化。
（a）
（b）
圖7：鎂鋁合金在有菌介質中的bode圖
參考文獻：
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