Механизмы морской коррозии
Коррозия под микробиологическим воздействием (MIC)
Коррозия под микробиологическим воздействием (МКВ) - это коррозия металлических материалов, которая ускоряется прямо в результате жизнедеятельности микроорганизмов или косвенно в результате их метаболизма. Значительную часть экономических потерь в морской промышленности наносит MIC. Согласно статистике, на долю ВПК приходится около 20% от общего объема экономических потерь. MIC часто производится смесью анаэробных сульфат-редукционных бактерий (SRB) и аэробных окисляющих железо бактерий. В реальных условиях работы эти два микроорганизма ускоряют коррозию материалов за счет синергетического действия. IOB потребляет кислород в среде для создания соответствующей среды роста анаэробных SRB, а затем способствует коррозии матрицы SRB. В ходе этого процесса SRB и IOB совместно формируют биопленки на металлических поверхностях, которые обычно состоят из клеток растяжения, внеклеточных полимерных веществ (EPS) и продуктов коррозии этих двух бактерий. Биопленка играет очень важную роль в MIC, и развитие теории биопленок и аналитических методов привело к лучшему пониманию всего процесса MIC. Весь процесс обычно состоит из 6 этапов: (1) на металлической поверхности создается адсорбированная пленка; (2) планктонные микроорганизмы мигрируют на поверхность материала, привлекаемую адсорбированной пленкой; (3) планктонные микроорганизмы прикрепляются к активным участкам на поверхности материала и превращаются в растяжимые микроорганизмы; (5) с увеличением количества метаболитов и продуктов коррозии образуются зрелые и стабильные биопленки, которые начинают вызывать коррозию; (6) с течением времени стабильность биопленок снижается, а затем часть из них отпадает для образования гетерогенных биопленок.
Многие исследования показали, что состав биопленок является сложным, что приводит к сложным воздействиям на коррозию материалов, и биопленки, образующиеся в разные периоды, также оказывают различное воздействие на коррозию, и, наконец, неоднородные биопленки, вызванные срывом неустойчивых биопленок, создают локализованную коррозию материалов для ускорения темпов коррозии. Причину, по которой гетерогенные биоплёнки вызывают локализованную коррозию, можно объяснить теорией о концентрации кислорода в клетках. Когда на поверхности материала образуются неоднородные биопленки, участки с плотными биопленками препятствуют проникновению в них кислорода, а аэробные бактерии в биопленках также исключают попадание кислорода под биопленки. Оба они приводят к созданию сайтов с низкой концентрацией кислорода. Следовательно, эти участки служат анодными объектами для коррозии материала. В то же время участки с менее плотными биопленками или без биопленок с более высокими концентрациями кислорода служат катодными площадками для реакции восстановления кислорода и потребления электронов.
Традиционные теории, которые пытаются объяснить механизм MIC, такие как теория клеток концентрации кислорода, используемая выше, считают, что микроорганизмы и биопленки не участвуют в процессе коррозии напрямую. Однако, с развитием исследований MIC, Гу и др. предложили новую теорию под названием биокаталитическая катодная сульфатная реакция (БККР), которая впервые в 2009 г. более точно объясняет механизм МИК с точки зрения биоэнергетики и биоэлектрохимии. После этого много литературы и исследований провели исследования для объяснения, подтверждения и завершения этой теории BCSR. В общей ситуации микроорганизмы требуют донора электронов в качестве источника энергии и акцептора электронов для обеспечения своего метаболизма энергией. Для ключевого микроорганизма, вызывающего MIC, SRB, жирные кислоты, такие как лактат, обычно выступают в качестве источника органического углерода и донора электронов для его роста, а сульфат используется в качестве терминального акцептора электронов для завершения процесса реакции окисления и восстановления. В теории BCSR, когда SRB образует биопленки на поверхности железа, биопленки действуют как барьеры для массового переноса для предотвращения диффузии источника углерода. Когда верхний слой биопленки поглощает источник углерода, растягивающийся SRB вблизи металлической поверхности будет жить в среде с меньшим количеством источников углерода. Поскольку нет источника углерода и электрона извне, голодающие СРБ будут использовать элементарное железо в качестве донора электронов для коррозии и производства энергии для поддержания. Когда железо корродирует SRB, электроны, высвобождающиеся при окислении железа, будут транспортироваться через клеточную стенку SRB и, наконец, применяться для восстановления сульфатов, происходящего в цитоплазме SRB. В результате BCSR ответил на первый вопрос, что цель микроорганизмов для коррозии металла заключается в получении энергии в процессе, чтобы сохранить свою жизнь из-за отсутствия источника углерода в биопленках.