CN104480472B - 一种生物金属缓蚀剂及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种生物金属缓蚀剂及其应用。该生物金属缓蚀剂含有新喀里多尼亚弧菌(Vibrio neocaledonicus sp)，可在金属表面生成，形成具有金属缓蚀作用的生物膜，使金属在水相体系中的耐腐蚀性能得到大幅提高。能够替代传统的电镀、化学镀等有污染的防护技术，实现金属结构的绿色防护，同时还可以大幅减低维护成本。
Description
技术领域
本申请涉及一种生物金属缓蚀剂和用途，属于缓蚀剂领域。
背景技术
很多海洋环境中使用的金属制品，如港口、石油平台，因其长期浸泡在海洋环境中而受到腐蚀，而定期维护费用高昂，有必要开发延长维护周期的防护技术和方法。目前防护技术多为采用对环境释放毒性的物质而且处理费用高，例如，采用有机化合物涂层(Finkenstadt et al.,Biotechnology Letters,2011,33:1093–1100)，或者在钢中加入较贵的合金元素以达到不锈效果(Marcus et al.,Corrosion Science,1988,28:589–602；Sugimoto et al.,Corrosion Science,1977,17:425–445)。开发环保可替代技术成为人们关注的热点。
目前，由于生物基材料可生物降解以及可再生、低毒性、不含杀虫剂等，作为防腐蚀剂的研究不断扩展，(Tang et al.,Colloids and Surfaces A,2010,369:101–105；Felix et al.,Journal of Food Engineering,2014,125:7–16)。这些都是常规产品的理想替代品，他们被定义为“生物制品”(US Department of Agriculture,FederalRegister,2005,70:1792–1812)。
有研究报道，细菌及其代谢产物制成的生物制品可减缓金属腐蚀(Zarasvand etal.,International Biodeterioriation&Biodegradegradation,2014,87:66-74)。Pedersen等人首次报导具有减缓腐蚀作用细菌(Pedersen et al.,Journal ofmicrobiological methods,1988,8:191–198)。其后，Jayaraman等人研究了缓蚀机理，认为生物膜的形成是导致这一现象的重要原因(Jayaraman et al.,Applied Microbioliologyand Biotechnology,1977,47:62–68)。人们对几种的细菌的缓蚀作用进行了测量(Pedersen et al.,Biofouling,1989,1:313-322；Pedersen et al.,Biofouling,1991,3:1-11；Zuo et al.,Applied Microbiology and Biotechnology,2007,76:1245-1253；Ornek et al.Applied Microbiology and Biotechnology,2002,58:651-657)。其中最好效果细菌可提高十倍的缓蚀作用，为门多萨假单胞菌KR1(Pseudomonas mendocina KR1)(Jayaraman et al.,Applied Microbiology and Biotechnology,1997,48:11–17)。
尽管研究发现一些细菌具有缓蚀作用，但仍未见将细菌制备成金属缓蚀剂并应用于金属缓蚀的报道。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供一种生物金属缓蚀剂，该生物金属缓蚀剂通过在金属表面形成一层生物膜，用于在海洋环境下、盐溶液条件下以及在有水环境下金属材料腐蚀的抑制。该缓蚀剂可将金属的抗腐蚀性能提高，对于碳钢大约是60倍左右。
所述生物金属缓蚀剂，其特征在于，含有新喀里多尼亚弧菌(Vibrioneocaledonicus sp)。所述新喀里多尼亚弧菌为生物金属缓蚀剂的活性组分。
本领域技术人员，可以根据实际需要和使用条件，选择生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌活菌的含量。理论上，生物金属缓蚀剂中只要有新喀里多尼亚弧菌活菌的存在，即可实现本申请中的技术方案。进一步，新喀里多尼亚弧菌的胞外产物在移除新喀里多尼亚弧菌(Vibrio neocaledonicus sp)后仍然具有缓蚀作用。
优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于10000CFU/g。进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于105CFU/g。进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于5×107CFU/g。进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于109CFU/g。进一步优选地，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度为109～1012CFU/g。
优选地，所述新喀里多尼亚弧菌为新喀里多尼亚弧菌KJ841877菌种。
优选地，所述生物金属缓蚀剂的制备方法为，将新喀里多尼亚弧菌接种于培养基中，在20～35℃下，100～200r/min震荡发酵培养12～48h，获得活菌浓度不低于105CFU/g的生物金属缓蚀剂。所述培养基可以为液相培养基，也可以为固相培养基，本领域技术人员，可以根据实际需要和使用的条件，选择合适的培养基。
根据本申请的又一方面，提供了一种所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在于，将金属与含有生物金属缓蚀剂的体系接触，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长，形成具有金属缓蚀作用的生物膜。
优选地，所述金属与含有生物金属缓蚀剂的体系接触方式选自涂覆、喷涂或浸泡中的至少一种。
优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有新喀里多尼亚弧菌和培养基。
优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系由新喀里多尼亚弧菌和培养基组成。
根据一种优选的实施例方式，所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在于，含有至少以下步骤：
(a)对金属样品的表面进行清洗处理；
(b)将培养基涂覆在金属样品表面；
(c)将所述生物金属缓蚀剂涂覆或喷涂于金属样品表面的培养基上；生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌活菌的质量与培养基的质量比为0.01～10：1。
(d)将步骤(c)所得样品置于25～35℃之间，新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长不少于24小时，形成具有缓蚀作用的生物膜。
本领域技术人员可以根据实际需要和使用的条件，选择合适的体系以及新喀里多尼亚弧菌和培养基的比例。
优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有海水、淡水、泥浆、原油、携带水蒸气的天然气中的至少一种。进一步优选地，所述含有金属缓蚀剂的体系为含有新喀里多尼亚弧菌和培养基的海水和/或淡水。
本领域技术人员可以根据实际需要和使用的条件，选择含有生物金属缓蚀剂的pH值范围。一般情况下，只要新喀里多尼亚弧菌能够存活的pH范围均可。
优选地，所述含有生物金属缓蚀剂的体系的pH值为6～8。
优选地，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长的温度为10～35℃。进一步优选地，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长的温度为25～35℃。
根据一种优选的实施方式，所述生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在于，含有至少以下步骤：
(a)将培养基加入海水和/或淡水中，得到培养基的浓度为0.1g/mL～20g/mL的混合液；
(b)将所述生物金属缓蚀剂加入步骤(a)所得的混合液，得到所述含有生物金属缓蚀剂的体系；所述含有生物金属缓蚀剂的体系中，新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度为103～1012CFU/mL；
(c)对金属样品的表面进行清洗处理；
(d)将步骤(c)所得的经过清洗的金属样品置于步骤(b)所得的含有生物金属缓蚀剂的体系中，在25～35℃之间，新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长不少于24小时，形成具有缓蚀作用的生物膜。
所述生物金属缓蚀剂用于减缓和抑制金属的腐蚀，达到防护的目的，通过细菌在金属表面形成的生物膜实现。这类生物膜可以用作缓蚀层减低材料表面的腐蚀。这层生物膜可稳定存在，且随时间延长其性能还会有所增加。生物膜的主要成分为有机物质如蛋白质和碳水化合物等。
根据本申请的又一方面，提供一种金属材料，其特征在于，表面具有上述任一生物金属缓蚀剂在金属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜和/或根据上述任一方法在金属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜。
优选地，所述金属选自铁基、铜基、铝基金属及其合金中的至少一种。进一步优选地，所述金属选自碳素钢、铜、铜合金、铝、铝合金中的至少一种。
根据本申请的又一方面，所述金属材料可用于海洋、湖泊、河流或油田环境。所述金属材料可用做船体、水池、水箱、冷凝塔水箱、船舶的压载水舱、液气输运管路、槽罐等方面的金属材料。
本申请所述技术方案的有益效果为：
(1)本申请提供一种新型的生物金属缓蚀剂，与传统电镀或化学镀镍处理方法相比，对碳素钢防护效果相当，但是具有无毒、环保、绿色无污染、可再生等优点。
(2)本申请所提供的生物金属缓蚀剂，可以有效抑制碳素钢至少98％的腐蚀，即腐蚀速率下降50倍以上。随在海水中浸泡时间延长，耐腐蚀性能还会有所提高，如从经过24小时浸泡腐蚀速率下降40倍，1个月浸泡腐蚀速率下降60倍。只要维持细菌的生存，这种腐蚀抑制作用就始终保持。
(3)本申请所提供的生物金属缓蚀剂，可使目前使用于淡水的压载舱或其他使用淡水的场合的金属部件，改为在海水直接使用。
(4)本申请所提供的生物金属缓蚀剂用于金属防护，工艺方法简单，可大幅减低生产成本和维护成本。
附图说明
图1为实施例4碳钢在海水浸泡试验前的形貌。
图2为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡1天后的形貌。
图3为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡7天后的形貌。
图4为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡14天后的形貌。
图5为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡30天后的形貌。
图6为实施例4碳钢在无生物金属缓蚀剂的海水浸泡30天后清除表面腐蚀物质后基体的形貌。
图7为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡1天后的形貌。
图8为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡7天后的形貌。
图9为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡14天后的形貌。
图10为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡30天后的形貌。
图11为实施例4碳钢在含生物金属缓蚀剂J2的海水浸泡30天后清除表面腐蚀物质后基体的形貌。
图12为实施例6中M1和M2表面的傅里叶变换红外光谱。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
实施例中所采用的新喀里多尼亚弧菌(Vibrio neocaledonicus sp)KJ841877菌种，购买自中国海洋微生物菌种保藏管理中心(地址：厦门市大学路178号)，编号为1K00266。所购买得到的菌种保存在-80℃含30wt％甘油的海生菌肉汤中。
实施例中，样品化学成分采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)以及X射线光电子能谱(XPS)进行分析。
实施列中所述无菌海水为经过灭菌、模拟海水成分配置的溶液，成份如下：23.476g/L NaCl；1.469g/L CaCl2·6H2O；0.192g/L NaHCO3；10.61g/L MgCl2·6H2O；3.917g/L Na2SO4；0.026g/L硼酸；0.667g/L KCl；0.096g/L KBr。
实施例1生物金属缓蚀剂的制备
购买得到的菌种保存在-80℃含30wt％甘油的海生菌肉汤中，取上述肉汤100μL，接种于固态LB培养基中(放置于10cm直径的培养皿)，在30℃下，在培养箱中发酵培养24小时，得到所述生物金属缓蚀剂记为J1。
取上述购买得到含有菌种的肉汤100μL，接种于100cc液态LB培养基中，在30℃下，130r/min震荡发酵培养24小时，得到所述生物金属缓蚀剂记为J2。
取上述购买得到含有菌种的肉汤100μL，接种于100cc液态培养基(人工海水+3g/L蛋白胨+1.5g/L酵母膏)中，在30℃下，130r/min震荡发酵培养24小时，得到所述生物金属缓蚀剂记为J3。
实施例2生物金属缓蚀剂的活菌浓度检测
取实施例1制备得到的生物金属缓蚀剂J1约1mm3，加入lL的灭菌海水中稀释。取0.1mL稀释液加到已制备好的平板上，然后用无菌涂棒将菌液涂布整个平板表面，在30℃下培养24小时，计算菌落数，得到J1中的活菌浓度分别为8×109CFU/g。
取实施例1制备得到的生物金属缓蚀剂J2、J3各0.1g，分别加入lL的灭菌海水中稀释。取0.1mL稀释液加到已制备好的平板上，然后用无菌涂棒将菌液涂布整个平板表面，在30℃下培养24小时，计算菌落数，得到J2、J3中的活菌浓度分别为8×109CFU/g，5×107CFU/g、
实施例3对A36碳素钢的缓蚀性能测定
采用A36碳素钢作为金属样品。将金属样品切成边长为10cm的正方形，背面焊接上铜导线，然后用环氧树脂对背面进行封装。金属样品的正面采用2000目砂纸打平，在95％的乙醇中清洗，然后去离子水清洗，然后浸泡在95％的乙醇中放置在紫外灯下灭菌1小时。
分别取上述2组(每组4个)金属样品作为实验样品组和对照样品组。
实验样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的烧瓶中，加入蛋白胨，使蛋白胨在无菌海水中的浓度为3g/L；加入实施例1所得的生物金属缓蚀剂J1，使体系中活菌浓度为105CFU/g；将烧瓶放置在培养箱摇床上，温度30℃，转速80rpm/min。
对照样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的烧瓶中，将烧瓶放置在培养箱摇床上，温度30℃，转速80rpm/min。
分别从实验样品组和对照样品组，取出经过1天、7天、14天和30天处理的样品，采用交流阻抗以及极化曲线评估样品腐蚀速率。
其中，交流阻抗和极化曲线的具体测试方法为：
工作电极采用试样尺寸为10mm×10mm×3mm的片状碳钢。采用瑞士万通的AutoLab302电化学工作站(PGSTAT302)测量交流阻抗和极化曲线。电化学测试采用三电极体系，试样为工作电极，面积为10mm×10mm，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。测试介质为模拟海水。EIS测试频率范围为10kHz～5Hz，测试激励电位为10mV。极化曲线的电位扫描速率为0.l66mV/s。
采用腐蚀电流密度表示腐蚀速率(Corrosin Rate)的计算方法为：
其中，i表示腐蚀电流密度，单位，安培/平方米；dt表示时间的微分，单位，秒；F为法拉第常数；n是金属价态的变化；m表示金属的摩尔体积，等于原子量/密度，单位，立方米/摩尔；(μm/Y)表示腐蚀速率的单位(微米/年)。
腐蚀电阻通过交流阻抗测量得到。
缓蚀效果用缓蚀率P(％)表示，用以下公式计算：
其中，Rct,0为空白溶液中的电荷转移电阻，Rct为含细菌溶液中的电荷转移电阻。
腐蚀速率、腐蚀电阻和缓蚀率的数据如表1所示。由表1数据可以看出，本申请所提供的生物金属缓蚀剂，可以有效抑制碳素钢至少98％的腐蚀，即腐蚀速率下降50倍以上。随在海水中浸泡时间延长，耐腐蚀性能还会有所提高，如从经过24小时浸泡腐蚀速率下降40倍，1个月浸泡腐蚀速率下降60倍。只要维持细菌的生存，这种腐蚀抑制作用就始终保持。
表1
实施例4海水循环状态下对中碳素钢的缓蚀性能测定
采用中碳素钢作为金属样品。将金属样品切成边长为10cm的正方形，背面焊接上铜导线，然后用环氧树脂对背面进行封装。金属样品的正面采用2000目砂纸打平，在95％的乙醇中清洗，然后去离子水清洗并然后浸泡在95％的乙醇中放置在紫外灯下灭菌1小时。
分别取上述2组(每组4个)金属样品作为实验样品组和对照样品组。
实验样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的30升的密闭容器中，加入蛋白胨，使蛋白胨在无菌海水中的浓度为3g/L；加入实施例1所得的生物金属缓蚀剂J2，使体系中活菌浓度为109CFU/g；保持密闭容器中温度为30℃，采用密闭的循环泵保持水流。每隔2天，将密闭容器中体积50％的液相，更换为等体积的无菌海水。
对照样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的30升的密闭容器中，保持密闭容器中温度为30℃，采用密闭的循环泵保持水流。每隔2天，将密闭容器中体积50％的液相，更换为等体积的无菌海水。
分别从实验样品组和对照样品组，取出经过1天、7天、14天和30天处理的样品，分别测定各样品的电化学数据，并用数码相机记录样品表面形貌。
样品的电化学数据测定方法为：
工作电极采用试样尺寸为100mm×100mm的片状碳钢。采用AutoLab302电化学工作站(PGSTAT302)测量腐蚀电流和电位。电化学测试采用两个电极，试样为工作电极，对电极为铂电极。
结果如表2所示。由试验结果可知，在无缓蚀剂海水中样品电极电位随暴露时间延长增加，然而对于含有缓蚀剂的海水电极电位保持稳定。电极电位正移可使得铁素体进入钝化区并引起表面点蚀发生。在无金属缓蚀剂海水中腐蚀电流先下降然后上升，表明初期的腐蚀产物起一定保护作用，但随时间延长腐蚀加剧。而对于含有金属缓蚀剂的海水，腐蚀电流下降后基本保持不变。
表2
各样品的表面形貌的照片如图1～图10所示。由图可以看出，在不含细菌的空白溶液浸泡中，随浸泡时间延长，第一天后就在钢铁基体上出现大面积红色锈斑(图2)；第7天锈斑面积有所增加，锈蚀层加厚，部分锈蚀层与钢铁基体分离；第14天、第30天后锈蚀层面积和厚度进一步加重(图4，图5)。将浸泡30天后的样品表面锈蚀层经超声清洗去除后，发现基体已经出现严重腐蚀。而浸泡在含细菌溶液中的样品，在30天对比试验中表面基本无锈蚀产生(图7，图8，图9，图10)，基体形貌(图11)与初始态(图1)基本一致。
实施例5
其他条件和步骤同实施例3，仅将金属样品换成铜，生物金属缓蚀剂换成J3。
腐蚀速率、腐蚀电阻和缓蚀率结果如表3所示。从表中数据可以看出，本申请所述金属缓蚀剂，对于纯铜金属，也表现出了良好的缓蚀效果。
表3
实施例6金属表面生物膜的表征
采用A36碳素钢作为金属样品。将金属样品切成边长为10cm的正方形，背面焊接上铜导线，然后用环氧树脂对背面进行封装。金属样品的正面采用2000目砂纸打平，在95％的乙醇中清洗，然后去离子水清洗并然后浸泡在95％的乙醇中放置在紫外灯下灭菌1小时。
分别取上述2个金属样品作为实验样品组和对照样品组。
实验样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的烧瓶中，加入蛋白胨，使蛋白胨在无菌海水中的浓度为3g/L；加入实施例1所得的生物金属缓蚀剂J1，使体系中活菌浓度为105CFU/g；将烧瓶放置在培养箱摇床上，温度30℃，转速80rpm/min，处理10天，所得金属样品记为M1。
对照样品组：分别将金属样品放置在装有无菌海水的烧瓶中，将烧瓶放置在培养箱摇床上，温度30℃，转速80rpm/min，处理10天，所得金属样品记为M2。
分别在Nicolet 6700(Thermo,USA)型红外光谱仪上，采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对M1和M2表面的化学成分进行分析，结果如图12所示。
由图可以看出，对于无金属缓蚀剂条件的空白试验对比试样，M2的表面仅可以观察到水和γ-Fe2O3两个峰，而经过在有金属缓蚀剂溶液中浸泡的样品M1可以观察到至少6个峰。其中1639.9cm-1和1493.6cm-1对应于羧酸阴离子以及氨基酸中的C＝O峰(Ghafari etal.,International Biodeterioration&Biodegradation,2013,80:29-33)。该氨基酸应该对应于生物膜中的蛋白质(Reubena et al.,Water Research,2014,64:123–133)。另外两个位于1130.4cm-1和854.4cm-1的峰分别对应于多糖和脂类中的C–O键(Hessler et al.,Water Research,2012,46:4687–4696).Schmitt和Flemming (InternationalBiodeterioration&Biodegradation,1998,41:1–11)指出峰位位于(1150–750cm-1)属于多糖类化合物。因此，傅里叶变换红外光谱确认在生物膜中含有多糖以及蛋白质。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (9)
1.一种生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在于，所述生物金属缓蚀剂含有新喀里多尼亚弧菌；所述新喀里多尼亚弧菌为新喀里多尼亚弧菌KJ841877菌种；
将金属与含有生物金属缓蚀剂的体系接触，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长，形成具有金属缓蚀作用的生物膜。
2.根据权利要求1所述的生物金属缓蚀剂用于金属缓蚀的方法，其特征在于，所述生物金属缓蚀剂中新喀里多尼亚弧菌的活菌浓度不低于10000CFU/g。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有新喀里多尼亚弧菌和培养基。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有生物金属缓蚀剂的体系含有海水、淡水、泥浆、原油、携带水蒸气的天然气中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有生物金属缓蚀剂的体系的pH值为5～9。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新喀里多尼亚弧菌在金属表面生长的温度为10～35℃。
7.一种金属材料，其特征在于，表面具有根据权利要求1-6任一项所述方法在金属表面形成的具有金属缓蚀作用的生物膜。
8.根据权利要求7所述的金属材料，其特征在于，所述金属选自碳素钢、铜、铜合金、铝、铝合金中的至少一种。
9.权利要求7所述金属材料在海洋、湖泊、河流、水池、水箱、冷凝塔或油田环境中的应用。
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2014
- 2014-12-11 CN CN201410763707.8A patent/CN104480472B/zh active Active
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| CN104480472A (zh) | 2015-04-01 |
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