富营养淡水环境中金属腐蚀后期反转加速行为与机理研究

前期研究发现富营养淡水环境中金属腐蚀后期具有反转加速的特征，研究证实其普遍规律性，揭示其主要环境影响因子及作用机理，是一个具有科学原创性的课题。将户外挂片试验与模拟水体实验室研究相结合、腐蚀监测与环境监测相结合、电化学测试技术与表面分析技术相结合、化学实验与生物实验相结合，运用微电极、电化学阻抗谱和微生物腐蚀电化学实验等适合高阻淡水体系的测试方法，研究证实富营养淡水环境中碳钢、铜合金等金属腐蚀后期反转加速的普遍规律性，确定其腐蚀反转孕育期；考察溶解氧、含磷含氮营养物质、有毒重金属离子、微生物群落等环境因子对生物膜形成及腐蚀反转加速的影响；探讨金属由氧扩散控制的全面腐蚀向生物膜下闭塞区局部腐腐蚀转化的机理；尝试建立富营养化淡水体中金属腐蚀全过程预测模型。研究成果将丰富和充实金属自然环境腐蚀的理论和研究内容。对淡水环境中水利水电工程的设计施工及水工结构、船舶航运的安全都具有重大的实际意义。

按照项目计划任务书要求，本课题的研究主要完成了以下五个方面的工作：1）通过清洁水体和污染水体的现场挂片试验，进一步验证了Q235钢黑色金属在污染淡水体中前期腐蚀速度比清洁淡水体低，而后期会发生腐蚀速率反转加速的现象。2）进行实验室的加速腐蚀实验和腐蚀微环境测试，进一步探索了Q235钢黑色金属在污染模拟水体中的腐蚀行为。3）通过实验室内的模拟实验，评价了氮磷等营养元素对微生物生长过程的影响，发现氮磷水平对于微生物腐蚀存在促进作用。4)通过对现场挂片试样进行生物取样，并通过高通量测序，分析了腐蚀产物的微生物细菌种群结构和丰度。 5) 结合现场挂片实验样品和实验室加速试验的试片的表征分析，进一步明确了氮磷营养元素对硫酸还原菌活性的促进作用，从而加速黑色金属腐蚀的机制。. 实验结果表明，在水果湖污染淡水体和龙源水库清洁水体的三年现场挂片实验验证了我们的前期结果，同时也表明，水体的富营养化水平提高（主要是有机C、N、P污染物的增加），导致黑色金属的腐蚀反转诱导期缩短。加速腐蚀实验结果表明，模拟水中Q235黑色金属腐蚀与离子电导率呈紧密的相关关系，并未出现自然水体中的金属腐蚀的反转加速现象，主要是由于室内的模拟水与自然水体的差异性造成的。实验室模拟实验表明，高水平的氮磷营养元素能够促进细菌的生长繁殖。在现场试验样品中，腐蚀产物与悬浮物质快速形成生物膜，且腐蚀产物膜内细菌的数量比清洁水体中的多。通过高通量DNA测序分析了腐蚀产物中微生物，发现在UTO数目和种群丰度等方面，富营养水体样品腐蚀产物（三年全浸后）中硫酸盐还原菌的水平更加显著，这一结果，确证了富营养水体的硫酸还原菌具有更高的活性。用XPS研究了靠近金属基体界面的腐蚀产物，结果清楚的反映出，富营养化水体中，包含了一定量的硫化物，从而确证了富营养化水体中金属的厌氧腐蚀过程的发生。通过本项目的研究，我们确证了黑色金属在富营养化淡水中后期反转加速的现象，并通过高通量测序、腐蚀产物分析，进一步明确了硫酸盐还原菌在后期反转加速中的作用，深化了我们对污染水体中金属腐蚀规律的认识。本项目研究期间，参加国际学术会议1次。国内学术会议2次（第八届全国环境化学大会和2012年长江水环境会议）。联合培养博士生2人，硕士生2人。发表SCI论文1篇。