物理化学论文-金属材料海洋腐蚀和防护.doc

金属材料的海洋腐蚀与防护 金属材料与电解质溶液相接触时，在界面上将发生有自由电子参与的广义氧化和广义还原过程，致使接触面金属变成单纯离子，络离子而溶解，或者生产氢氧化物，氧化物等稳定化合物，从而破坏了金属材料的特性。这被称为电化学腐蚀或湿腐蚀。 海洋生物的生命活动会改变金属—海水的界面状态和介质的性质，对金属产生不可忽视的影响。海水中金属腐蚀是金属﹑溶液﹑生物群三个要素互相作用的结果。由于附着微生物对钢结构表面的覆盖作用，阻碍了氧的运输，有利于减少钢的平均腐蚀；但是附有海生物的金属难以形成完整致密的覆盖层，钢的局部腐蚀却增加了。这严重影响了在海洋环境下工作的材料的寿命。由于微生物的生命活动也可以使金属遭到破坏, 故称为微生物腐蚀。 海洋腐蚀的热力学基础： 海洋腐蚀是金属与周围海洋环境发生化学或者电化学反应而产生的一种破坏性腐蚀。很多金属元素如铜、铁、镁等在自然界都是以化合物的形式存在，也就是以它们的最稳定态——氧化态存在。人们通过冶炼时使这些元素吸收并储存一定能量后变为中性金属态，相对于氧化态而言，这是一种能量较高的不稳定态，在合适的条件下便自发的便会为稳定的氧化态。中性金属态到氧化态的转变的吉布斯自由能小于零，可自发进行；从热力学上来讲，海洋腐蚀上由于金属与其周围介质构成一个热力学不稳定的体系，此体系具有自发的从这种不稳定状态趋向稳定状态的倾向。 海水腐蚀的电化学特征： 海水是一种含有多种盐类近电解质溶液，并溶有一定的氧，含盐量、海水电导率、溶解物质、PH值、温度、海水流速和波浪、海生物等都会对腐蚀产生影响，这就决定海水腐蚀的电化学特征： (1) 海水中的氯离子等卤素离子能阻碍和破坏金属的钝化, 海水腐蚀的阳极过程较易进行。氯离子的破坏作用有: 对氧化膜的渗透破坏作用以及对胶状保护膜的解胶破坏作用; 比某些钝化剂更容易吸附; 在金属表面或在薄的钝化膜上吸附, 形成强电场, 使金属离子易于溶出; 与金属生成氯的络合物, 加速金属溶解。以上这些作用都能减少阳极极化阻滞, 造成海水对金属的高腐蚀性。 ( 2) 海水腐蚀的阴极去极化剂是氧, 阴极过程是腐蚀反应的控制性环节。 ( 3) 海水腐蚀的电阻性阻滞较小, 异种金属的接触能造成显著的电偶腐蚀。 ( 4) 在海水中由于钝化的局部破坏, 很易发生点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。 金属的电化学腐蚀的基础： 腐蚀学里，通常规定电位较低的电极为阳极，电位较高的电极为阴极。阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。如果金属与氢电极构成原电池，当金属的电位比氢的平衡电位更负时，两电极间存在一定的电位差，发生氢去极化腐蚀。当电解质溶液中有氧气存在时，在阴极上发生氧去极化反应而导致阳极金属不断溶解的现象叫氧去极化腐蚀。在海洋环境下，钢铁腐蚀的主要反应为氧去极化腐蚀： Fe 处于离子状态的阳极反应，在未达到相当大的深度时,海水充气良好,海水被氧所饱和,非常有利于氧去极化的阴极反应进行,还原大量的OH- ,并使海水碱性提高, Fe2 + 继续腐蚀并形成腐蚀产物。海水中含有大量Cl - 离子,其对Fe 的腐蚀危害极大。 5.微生物腐蚀[3] 能够腐蚀金属的微生物包括许多属。但是这些微生物都具有一个共同特征, 即硫和硫的化合物在它们的代谢作用中起着重要作用, 并与自然界硫的循环有密切关系 。其中细菌氧化作用特别是细菌还原作用与微生物腐蚀关系密切。 5.1微生物腐蚀金属的方式 a. 微生物的生长与代谢作用能够产生一些腐蚀性代谢产物, 如酸、碱、硫化物以及其他有害物质。 b. 在嫌气环境中硫酸盐还原菌直接参予电极反应的动力学过程, 从而诱导或加速潜在的电极反应。 c. 微生物的活动在金属表面造成氧的浓度不同, 形成氧浓差电池而腐蚀金属。 d.海生物附着不完整，不均匀是，腐蚀过程将局部的进行，附着层内外可能产生 氧浓差电极腐蚀。 5.2腐蚀中的主要微生物 与金属腐蚀有关的细菌主要有[4]：硫氧化菌﹑ 硫酸盐还原菌 ﹑铁细菌。微生物腐蚀分为好养细菌腐蚀和厌氧细菌腐蚀。 硫酸盐还原菌造成的腐蚀其类型主要是局部腐蚀, 腐蚀产物通常是硫化物。在缺氧情况下, 金属腐蚀的阴极反应是氢的逸出, 但放出氢的活化电位太高, “腐蚀电池” 本身难于供给这样的电位, 阴极被一层原子氢所覆盖致使腐蚀作用中止。而硫酸盐还原菌的作用正是从金属表面除去氢, 从而使腐蚀反应进行。反应如下： 铁细菌的种类很多, 与腐蚀有关的主要是氧化铁铁杆菌。它是好氧性自养菌。此外还有球衣细菌属和纤毛菌属的铁细菌等。好氧铁细菌如含铁嘉氏铁柄杆菌, 纤毛菌属及铁细菌属的细菌可以氧化二价铁为三价铁，形成氢氧化铁沉淀, 在管道内壁上生成“ 锈结核 ” 。锈结核下部的金属不能与氧接触而变成腐蚀电池的阳极导致水管的局部腐蚀并很快穿孔。锈结核中好氧细菌与厌氧细