CN104212712A - 一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，包括H₂S制取装置和细菌腐蚀装置，所述H₂S制取装置和细菌腐蚀装置通过导气管相连接，所述H₂S制取装置包括装有Na₂S溶液的Na₂S瓶、装有HCl溶液的HCl瓶和装有清水的H₂S反应瓶，所述Na₂S瓶和HCl瓶下部出液口分别连接有伸入至H₂S反应瓶内清水液面以下的出液管，所述H₂S反应瓶上部连接有氧气泵，所述细菌腐蚀装置通过导气管与H₂S反应瓶上部相连接，所述细菌腐蚀装置包括装有硫氧化细菌菌液的细菌培养池，所述H₂S制取装置通过导气管连接至细菌培养池上部，所述导气管伸入至细菌菌液液面以下，该装置贴近海洋细菌生长的最佳环境。

Description

一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置及使用方法

技术领域

本发明属于土木工程与生物工程交叉技术领域，涉及一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置及使用方法。

背景技术

模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置是研究细菌生物硫酸对混凝土腐蚀过程的一种装置，其目的是更好地研究细菌生物硫酸腐蚀的作用机制，并提出相应的抗腐蚀方法。该装置提供了一个贴近实际、方便快捷的模拟方法，有利于对海洋细菌生物硫酸腐蚀的研究。

生物硫酸腐蚀混凝土，是指微生物产生的硫酸对混凝土的破坏，生物硫酸使混凝土表层疏松、砂浆脱落，产生开裂和最终的钢筋锈蚀，缩短混凝土构件的使用寿命，影响设施的整体功能，并带来严重的经济损失。微生物对建筑的破坏受到越来越多的关注，2009年，海洋腐蚀造成中国超过1万亿人民币的直接损失，约占GDP的3%～5%；在德国，微生物腐蚀约占建筑材料破坏的10%～20%。生物硫酸腐蚀是微生物腐蚀的重要组成部分。生物硫酸腐蚀主要是由硫氧化细菌引起的。硫氧化细菌可以将硫单质、H₂S、硫代硫酸盐等低价硫氧化成硫酸，生成的硫酸对混凝土产生腐蚀，硫氧化细菌产生的硫酸，可以使腐蚀对象的pH值下降低到1，pH=1足以对各种材料造成严重破坏。硫氧化细菌广泛存在于海水、下水管道、矿井等与人们息息相关的地方，它对这些地方设施造成了不可忽视的破坏。

对于细菌生物硫酸腐蚀的破坏，有必要对其进行研究。但是由于细菌自然腐蚀的周期太久，一般长达几年、十几年，为了科学研究的方便，需要进行加速腐蚀试验。目前为止，由于该领域刚刚起步，人们对该加速腐蚀试验的方法并没有形成规范，也没有相关的专利，而且，现有的加速实验都是针对下水管道设计的，对于海洋情况下的细菌生物硫酸腐蚀实验研究装置和方法非常缺乏。下水道和海洋情况的区别在于，下水管道的腐蚀发生在液面以上，而海洋中的腐蚀则发生在液面以下。

德国汉堡建立了一个模拟试验舱，将60cm×11cm×7cm的混凝土试块一端竖立在温度为30°C、pH值为7的10cm深的水中，并用硫酸杆菌菌液周期性地喷洒，而菌液在另一个分离的发酵装置中培养，整个试验舱保持在30°C恒温和饱和空气湿度条件下进行，该实验得出的腐蚀速率为自然环境的8倍，但是达到研究要求需要长达1年的时间。

为了得到更快的腐蚀速度，德国海德堡建立了另一个系统，系统分生长和反应两部分，生长部分即最优条件培养硫氧化细菌，反应部分为一玻璃制的反应容器，内置10mm×10mm×60mm的砂浆试件，用菌液每隔1小时喷淋5min。该装置的腐蚀时间需要3～5个月。

Mori等人将40mm×40mm×160mm的试块浸在80mm高的细菌液中，液面以下是培养基，液面以上的部分充满了高浓度H₂S气体，试验持续6个月。起初两个月里每两周试件进行一次硫氧化菌的接种，最后得出6.1mm/a的腐蚀速率，最重的腐蚀发生在液面以上20mm处。

硫氧化细菌是好氧菌，能很好地氧化H₂S产生硫酸并获得能量，自然界中的腐蚀也大部是通过氧化H₂S产生硫酸的。对于德国汉堡的试验舱，泡清水不能为细菌提供营养，而且水中氧气不足，也没有外界H₂S，细菌生长慢试验时间太长。海德堡试验频繁喷淋新的菌液，为细菌提供了较多的营养，而且与空气充分接触，但是没有使用H₂S，试验周期还可以进一步缩短。

Mori等人有了足够的菌液营养和H₂S，但是试块的腐蚀局部差别太大，液面以上以H₂S作为主要养分，液面以下以菌液的培养基作为营养来源，而且只有前两个月周期性地接种细菌不能让试块表面一直处于细菌充沛的状态。

结合以上文献，本专利针对硫氧化细菌在海洋里的生长特点进行模拟腐蚀装置的设计，使细菌整体浸泡在菌液里边，使试块表面细菌充沛，菌液使用专用的9K培养基，养分充足，通入氧气保证了好氧细菌的需氧量，而且将H₂S直接通入液面以下，让细菌也能利用H₂S生长。该方法贴近细菌生长的最佳环境，与海洋里边的腐蚀环境一致，整个实验过程和对实验参数的调整操作方便快捷，有利于海洋细菌产生的生物硫酸对海洋中结构物腐蚀的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，该装置不仅贴近细菌生长的最佳环境，而且整个实验操作过程和对实验参数的调整操作方便快捷，有利于海洋细菌产生的生物硫酸对海洋中结构物腐蚀的研究。

本发明解决技术问题所采用的方案是，一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，包括H₂S制取装置和细菌腐蚀装置，所述H₂S制取装置和细菌腐蚀装置通过导气管相连接，所述H₂S制取装置包括装有Na₂S溶液的Na₂S瓶、装有HCl溶液的HCl瓶和装有清水的H₂S反应瓶，所述Na₂S瓶和HCl瓶下部出液口分别连接有伸入至H₂S反应瓶内清水液面以下的出液管，所述H₂S反应瓶上部连接有氧气泵，所述细菌腐蚀装置通过导气管与H₂S反应瓶上部相连接，所述细菌腐蚀装置包括装有硫氧化细菌菌液的细菌培养池，所述H₂S制取装置通过导气管连接至细菌培养池上部，所述导气管伸入至细菌菌液液面以下。

进一步的，所述Na₂S瓶、HCl瓶上部设置有进氧口，所述进氧口处设置有带有流速控制阀的进液管。

进一步的，所述Na₂S瓶和HCl瓶设置于H₂S反应瓶上方。

进一步的，所述细菌培养池顶部还通过H₂S排出管与装有醋酸锌溶液的H₂S吸收瓶连接，所述H₂S排出管伸入至醋酸锌溶液液面以下。

进一步的，所述硫氧化细菌菌液里放置有作为腐蚀对象的混凝土试块。

进一步的，所述细菌菌液为以标准9K培养基作为营养物质，将菌种活化后培养到活性最佳状态，以10%的接种量放入9K培养基制得的溶液。

进一步的，所述Na₂S瓶、HCl瓶、H₂S反应瓶、细菌培养池均为密闭性良好的容器。

进一步的，所用的导气管、进液管、出液管、H₂S排出管均采用耐酸性腐蚀材料的硅胶管，所述细菌培养池采用耐酸性腐蚀材料的塑料桶，所述Na₂S瓶、HCl瓶、H₂S反应瓶和H₂S吸收瓶采用耐酸性腐蚀的玻璃瓶。

一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的方法，其使用本模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，步骤如下：

（1）将Na₂S瓶、HCl瓶置于高处，H₂S反应瓶置于低处，并在H₂S反应瓶内预装一定量的清水，连接好Na₂S瓶、HCl瓶、H₂S反应瓶和氧气泵，注意将导管伸入H₂S反应瓶清水液面之下，Na₂S瓶、HCl瓶内分别放入一定量的Na₂S、HCl溶液，装上带有流速控制阀的进液管，并将流速调为零；

（2）以标准9K培养基作为营养物质，将硫氧化细菌菌种活化后培养到活性最佳状态，以10%的接种量放入9K培养基制得硫氧化细菌细菌菌液，将硫氧化细菌菌液和混凝土试块放入细菌培养池，用导气管连接好H₂S反应瓶和细菌培养池，注意将导气管伸入硫氧化细菌菌液底部，用H₂S排出管连接好细菌培养池和装有醋酸锌溶液H₂S吸收瓶，注意将H₂S排出管伸入至醋酸锌溶液液面以下；

（3）将各种导管连接好后，打开氧气泵，调节好通氧量，观察整个装置运行状态，确保整个装置无气体泄露，之后将进液管上的流速控制阀打开，调节好流速，向Na₂S瓶和HCl瓶分别注入特定浓度的Na₂S溶液和HCl溶液整个系统开始运作；

（4）考虑到细菌的生长周期，细菌菌液应定期更换，具体更换周期按细菌生长特性确定，更换周期为2周。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：该装置不仅贴近细菌生长的最佳环境，而且整个实验操作过程和对实验参数的调整操作方便快捷，有利于细菌对生物硫酸腐蚀的研究。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为 0ppmv、350ppmv、700ppmvH₂S浓度下菌液的pH值变化曲线；

图2是本发明模拟生物硫酸腐蚀装置图；

图3为9K培养基成分表。

图中：1-Na₂S瓶；2-HCl瓶；3-H₂S反应瓶；4-细菌培养池；5-H₂S吸收瓶；6-混凝土试块；7-氧气泵；8-进液管；9-Na₂S溶液；10-HCl溶液；11-H₂S、氧气混合气；12-硫氧化细菌菌液；13-醋酸锌溶液；14-清水。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1～3所示，一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，包括H₂S制取装置和细菌腐蚀装置，所述H₂S制取装置和细菌腐蚀装置通过导气管相连接，所述H₂S制取装置包括装有Na₂S溶液9的Na₂S瓶1、装有HCl溶液10的HCl瓶2和装有清水14的H₂S反应瓶3，所述Na₂S瓶1和HCl瓶2下部出液口分别连接有伸入至H₂S反应瓶3内清水14液面以下的出液管，以便Na₂S溶液9和HCl溶液10混合均匀，并减少HCl的挥发，所述H₂S反应瓶3上部连接有氧气泵7，发生反应后H₂S反应瓶3中充满了H₂S、氧气混合气11，氧气泵7将氧气送入H₂S反应瓶3并将反应产生的H₂S排出到细菌腐蚀装置中，所述细菌腐蚀装置包括装有硫氧化细菌菌液12（如氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等）的细菌培养池4，所述H₂S制取装置通过导气管连接至细菌培养池4上部，所述导气管伸入至细菌菌液12液面以下，以保证细菌有充足的氧气并将H₂S氧化成硫酸。

在本实施例中，所述Na₂S瓶1、HCl瓶2上部设置有进氧口，所述进氧口处设置有带有流速控制阀的进液管8，以控制Na₂S溶液9和HCl溶液10的流速。

在本实施例中，所述Na₂S瓶1和HCl瓶2设置于H₂S反应瓶3上方，Na₂S溶液9和HCl溶液10依靠重力从底部的出液口流向H₂S反应瓶3，两溶液混合产生H₂S气体。

在本实施例中，所述细菌培养池4顶部还通过H₂S排出管与装有醋酸锌溶液13的H₂S吸收瓶5连接，所述H₂S排出管伸入至醋酸锌溶液13液面以下，以保证醋酸锌溶液13将排出的H₂S充分吸收转化为无毒物质，保证实验环境的安全。

在本实施例中，所述硫氧化细菌菌液12里放置混凝土试块6作为腐蚀对象，硫氧化细菌菌液12呈酸性会自动酸化混凝土试块6，以利于细菌附着在混凝土试块6上生长，细菌在混凝土试块6表面都产生的硫酸会将混凝土试块6腐蚀。

在本实施例中，所述细菌菌液为以标准9K培养基作为营养物质，将菌种活化后培养到活性最佳状态，以10%的接种量放入9K培养基制得的溶液。

在本实施例中，所述Na₂S瓶1、HCl瓶2、H₂S反应瓶3、细菌培养池4均为密闭性良好的容器。

在本实施例中，所用的导气管、进液管、出液管、H₂S排出管均采用耐酸性腐蚀材料的硅胶管，所述细菌培养池4采用耐酸性腐蚀材料的塑料桶，所述Na₂S瓶1、HCl瓶2、H₂S反应瓶3和H₂S吸收瓶5采用耐酸性腐蚀的玻璃瓶。

一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的方法，其使用本模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，步骤如下：

（1）将Na₂S瓶1、HCl瓶2置于高处，H₂S反应瓶3置于低处，并在H₂S反应瓶内预装一定量的清水14，连接好Na₂S瓶1、HCl瓶2、H₂S反应瓶3和氧气泵7，注意将导管伸入H₂S反应瓶3清水13液面之下，Na₂S瓶1、HCl瓶2内分别放入一定量的Na₂S、HCl溶液9、10，装上带有流速控制阀的进液管8，并将流速调为零；

（2）以标准9K培养基作为营养物质，将硫氧化细菌菌种活化后培养到活性最佳状态，以10%的接种量放入9K培养基制得硫氧化细菌细菌菌液，将硫氧化细菌菌液12和混凝土试块6放入细菌培养池4，用导气管连接好H₂S反应瓶3和细菌培养池4，注意将导气管伸入硫氧化细菌菌液12底部，用H₂S排出管连接好细菌培养池4和装有醋酸锌溶液13的H₂S吸收瓶5，注意将H₂S排出管伸入至醋酸锌溶液13液面以下；

（3）将各种导管连接好后，打开氧气泵7，调节好通氧量，观察整个装置运行状态，确保整个装置无气体泄露，之后将进液管8上的流速控制阀打开，调节好流速，向Na₂S瓶1和HCl瓶2分别注入特定浓度的Na₂S溶液9和HCl溶液10整个系统开始运作；

（4）考虑到细菌的生长周期，细菌菌液应定期更换，具体更换周期按细菌生长特性确定，更换周期为2周。

9K培养基配制方法如下，培养基成分如图3所示：

（1）A液配制：取1个2.5L洁净锥形瓶，将图3中A液各成分称好并用800 mL蒸馏水溶解，用1:1的硫酸将A液pH值调为2.5。

（2）B液配制：取1个2.5L洁净锥形瓶，称取44.78g FeSO₄·7H₂O并用200 mL蒸馏水溶解，用1:1的硫酸将B液pH值调为2.5。

（3）A液用白纱布封口放入立式压力蒸汽灭菌锅灭菌。灭菌温度为121℃，持续30 min。

（4）B液中由于Fe²⁺很容易被空气氧化，高温灭菌会使其全部转化为Fe³⁺并产生沉淀，所以不能使用高温灭菌，应使用一次性针头过滤器进行过滤除菌。B液很容易被氧化，因此需要随配随用，不可放置过长时间。

（5）A、B液经灭菌后，混合即成初始pH=2.5的标准9K培养基。

下面是本发明具体实施经过所实测得出的数据：

实验过程中，只变换H₂S的浓度，通氧量保持不变，确定了三种H₂S的浓度：0ppmv（pH=2.0）、 350ppmv（pH=1.6）、700ppmv（pH=1.1）。三种情况的通氧量（H₂S与空气的混合气体）都为30ml/min，HCl和Na₂S的流速均为1ml/min。0ppmv的不通H₂S，350ppmv浓度的H₂S使用0.0428M的Na₂S溶液和0.0211M的HCl溶液产生，700ppmv的则使用0.0856ppmv的Na₂S溶液和0.0422M的HCl溶液。实验中使用的硫氧化细菌菌液量均为250ml，接种量均为10%。

按照以上三种H₂S浓度得出的实际硫氧化细菌菌液pH值变化曲线如图1所示，从pH值曲线上看到菌液在第4天都已经达到很低的pH值，5~14天的平均值分别是2.0、1.6、1.1，足以对混凝土试块产生强烈的腐蚀。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：包括H₂S制取装置和细菌腐蚀装置，所述H₂S制取装置和细菌腐蚀装置通过导气管相连接，所述H₂S制取装置包括装有Na₂S溶液的Na₂S瓶、装有HCl溶液的HCl瓶和装有清水的H₂S反应瓶，所述Na₂S瓶和HCl瓶下部出液口分别连接有伸入至H₂S反应瓶内清水液面以下的出液管，所述H₂S反应瓶上部连接有氧气泵，所述细菌腐蚀装置通过导气管与H₂S反应瓶上部相连接，所述细菌腐蚀装置包括装有硫氧化细菌菌液的细菌培养池，所述H₂S制取装置通过导气管连接至细菌培养池上部，所述导气管伸入至细菌菌液液面以下。

2.根据权利要求1所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所述Na₂S瓶、HCl瓶上部设置有进氧口，所述进氧口处设置有带有流速控制阀的进液管。

3.根据权利要求1所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所述Na₂S瓶和HCl瓶设置于H₂S反应瓶上方。

4.根据权利要求1所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所述细菌培养池顶部还通过H₂S排出管与装有醋酸锌溶液的H₂S吸收瓶连接，所述H₂S排出管伸入至醋酸锌溶液液面以下。

5.根据权利要求1所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所述硫氧化细菌菌液里放置有作为腐蚀对象的混凝土试块。

6.根据权利要求1所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所述细菌菌液为以标准9K培养基作为营养物质，将菌种活化后培养到活性最佳状态，以10%的接种量放入9K培养基制得的溶液。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所述Na₂S瓶、HCl瓶、H₂S反应瓶、细菌培养池均为密闭性良好的容器。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，其特征在于：所用的导气管、进液管、出液管、H₂S排出管均采用耐酸性腐蚀材料的硅胶管，所述细菌培养池采用耐酸性腐蚀材料的塑料桶，所述Na₂S瓶、HCl瓶、H₂S反应瓶和H₂S吸收瓶采用耐酸性腐蚀的玻璃瓶。

9.一种模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的方法，其使用权利要求1中的模拟海洋细菌生物硫酸腐蚀的装置，步骤如下：

（1）将Na₂S瓶、HCl瓶置于高处，H₂S反应瓶置于低处，并在H₂S反应瓶内预装一定量的清水，连接好Na₂S瓶、HCl瓶、H₂S反应瓶和氧气泵，注意将导管伸入H₂S反应瓶清水液面之下，Na₂S瓶、HCl瓶内分别放入一定量的Na₂S、HCl溶液，装上带有流速控制阀的进液管，并将流速调为零；

（2）以标准9K培养基作为营养物质，将硫氧化细菌菌种活化后培养到活性最佳状态，以10%的接种量放入9K培养基制得硫氧化细菌细菌菌液，将硫氧化细菌菌液和混凝土试块放入细菌培养池，用导气管连接好H₂S反应瓶和细菌培养池，注意将导气管伸入硫氧化细菌菌液底部，用H₂S排出管连接好细菌培养池和装有醋酸锌溶液H₂S吸收瓶，注意将H₂S排出管伸入至醋酸锌溶液液面以下；

（3）将各种导管连接好后，打开氧气泵，调节好通氧量，观察整个装置运行状态，确保整个装置无气体泄露，之后将进液管上的流速控制阀打开，调节好流速，向Na₂S瓶和HCl瓶分别注入特定浓度的Na₂S溶液和HCl溶液整个系统开始运作；

（4）考虑到细菌的生长周期，细菌菌液应定期更换，具体更换周期按细菌生长特性确定，更换周期为2周。