辽宁大学毕业论文-含铜抗菌不锈钢在硫酸盐还原菌中的抗腐蚀行为研究.doc
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1、 题 目: 含铜抗菌不锈钢在硫酸盐还原菌中 的腐蚀行为研究 学 院: 化学院 专 业: 姓 名: 指导教师: 完成日期: 2014年5月13日 毕业论文题目:含铜抗菌不锈钢在硫酸盐还原菌溶液中的腐蚀行为研究 选题意义、创新性、科学性和可行性论证:硫酸盐还原菌等细菌微生物导致不锈钢在重工业领域、海洋作业等环境中发生腐蚀。本文的研究内容和研究成果对推动抗菌不锈钢新材料的应用与发展具有非常重要的现实意义。主要内容:本文通过电化学测试方法,研究和分析304-Cu SS和304 SS在硫酸盐还原菌溶液中耐细菌的腐蚀行为。 目的要求: 1.熟悉查阅文献,实验设计,实验操作,数据处理,论文撰写过程。初步培养
2、科学研究的基本方法。 2.通过电化学方法对304含铜不锈钢和304普通不锈钢进行检测表征。 3.将所学的理论知识与实践相结合,提高分析问题解决问题的能力。计 划 进 度 :2月22日2月26日:查阅文献,确定论文提纲和实验方案设计2月27日4月15日:按设计方案完成实验工作4月16日5月10日:整理,分析实验数据,完成毕业论文初稿5月11日5月13日:完成修改稿,最终完成论文指 导 教 师 签 字: 主管院长(系主任)签字: 年 月 日毕业论文任务书辽 宁 大 学本科毕业论文(设计)指导记录表论文题目含铜抗菌不锈钢在硫酸盐还原菌溶液中的腐蚀行为研究学生姓名学 号年级、专业学指导教师姓名指导教师
3、职称副教授所在院系第一次指导(对确定题目、毕业论文(设计)任务书的指导意见):对实验方向进行了具体讲解,确定论文题目,介绍了题目相关内容,指导查找相关文献,并要求阅读一定量的相关文献。指导方式:(请选择) 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字: 2014年2月22 日第二次指导(对论文提纲的指导意见): 确定具体实验方案,要求做好相关实验的准备工作,并结合文献写出相关的论文提纲。指导方式:(请选择) 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字: 2014年2月27日第三次指导(对初稿的指导意见): 针对实验中出现的问题进行了指导,并提出解决方案,加速实验的进行,要求整理实验数据,写出论文初稿。指导方式:
4、(请选择) 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字: 2014年4月15日第四次指导(对修改稿的指导意见): 对论文初稿中的问题进行分析指正,并按照学校要求的形式对论文初稿进行指导修改。指导方式:(请选择) 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字: 2014年4月30日第五次指导(对是否定稿、进入答辩及其它指导意见): 对修改稿进行审核,并对答辩提出要求、进行指导。指导方式:(请选择) 面谈 电话 电子邮件 指导教师签字: 2014年5月10日主管院长(主任)签名 院系盖章 年 月 日学 生: 专 业: 论文题目:含铜抗菌不锈钢在硫酸盐还原菌溶液中的腐蚀行为研究 论文共 21 页,设计图纸 张。 指导
5、教师评语: 该同学在做毕业设计期间,认真查阅了相关文献,做了充分的准备工作。在实验过程中态度积极认真,专业基础理论知识比较扎实,动手能力较强,比较善于分析解决问题。 撰写的论文思路清晰,逻辑性较好。实验结果分析准确,是一篇合格的毕业论文。指导教师评分: 指导教师签字: 2014年5月15日指导教师评语辽宁大学毕业论文(设计)成绩评定单评阅人评语:论文选题在技术上可行,方法上合理,具有较强的现实意义和创新性。论文撰写格式规范,思路清晰,实验数据真实可靠,分析合理,符合本科生毕业论文的要求。评阅人评分:评阅人签字: 2014年5月17日答辩委员会评语: 化学院(系)毕业论文答辩委员会(小组)于20
6、14年5月21日审查了2014 届 材料化学 专业学生 范晨露 的毕业论文。答辩委员会评语:该论文选题新颖,设计合理,书写规范,思路清晰。答辩中语言表达通顺,较准确地回答了答辩过程中的提问,委员会一致同意其通过答辩。答辩成绩:答辩委员会成员: 答辩委员会(小组)组长签字: 2014年5月20日 毕业论文(设计)成绩:评阅人评分:指导教师评分 :答辩成绩:总成绩:院长(系主任)签字: 2014年5月20日注:评阅人评分满分为100分,指导教师评分满分为100分,答辩成绩满分为100分;总成绩为三者的算术平均值(四舍五入)。摘 要随着人们对健康及环保意识的增强,具有强烈、持久和广谱杀菌作用的含铜抗
7、菌不锈钢已引起了人们愈来愈多的关注。利用抗菌不锈钢的抗菌特性来抑制微生物对不锈钢的腐蚀是一个有创新性的思路。然而这方面的研究工作报道非常少见,对抗菌不锈钢的微生物腐蚀行为及相关机理还缺乏系统和深入的研究。本文的研究内容和研究成果对推动抗菌不锈钢新材料的应用与发展具有非常重要的现实意义。本文选择304-Cu SS为抗菌不锈钢样品,以304 SS作为对照不锈钢样品,在厌氧条件下参考MPN法培养SRB,研究抗菌不锈钢和对照不锈钢对SRB的抗菌效果;通过测试开路电位、阻抗、极化曲线等电化学手段深入地研究了两种不锈钢在SRB溶液中的腐蚀行为。研究结果表明:两种不锈钢在SRB菌液中分别浸泡2d、7d、14
8、d和21d后,304-Cu SS的开路电位高于304 SS的开路电位,与304 SS相比,304-Cu SS表现出更为优异的耐微生物腐蚀性能;通过Bode图谱分析,304-Cu SS的阻抗和相角峰值频率高于304 SS,表明304 SS 表面更容易形成细菌微生物薄膜,为微生物腐蚀提供了有利的条件,加速了材料表面的腐蚀进程。关键词:微生物,腐蚀,硫酸盐还原菌,抗菌不锈钢IAbstract In modern life with scientific and technological advances, much attention is paid to the safety, sanitati
9、on and health of environments. Therefore, daily appliances are increasingly being designed with antibacterial features. Austenitic stainless steels, such as 304 SS, are widely used, because they exhibit superior corrosion resistance. The development of Cu-containing austenitic antibacterial stainles
10、s steels with excellent antibacterial property would expand the applications of such steels. The effects of SRB on antibacterial properties of 304-Cu SS and 304 SS were studied. The corrosion properties of 304-Cu austenitic stainless steels and 304 austenitic stainless steels were researched by open
11、-circuit-potential, EIS (AC impedance) and polarization curves. Microbiologically membrane of 304-Cu SS and 304 SS was observated in SEM pictures. Microbiological adherenction is tested by surface energy. The results of the antibacterial test reveal that SEM micrographotos show that microbiological
12、membrance is adhered to 304 SS surface thickly. The corrosion test indicates that Cu-containing 304 austenitic stainless steels can improve corrosion resistance with ennoblement of the OCP and decline corrosion current. The results of surface energy test reveal that 304-Cu SS form passivation membra
13、ne against microbiologically corrosion easily. Key words: Microbiologically influenced, Corrosion, SRBII目 录序 言1 第1章 实验内容61.1实验材料及实验用品61.1.1实验材料6 1.1.2细菌种类61.1.3实验药品61.2实验设备及器材 6 1.2.1实验设备61.2.2实验耗材61.3实验方法7 1.3.1电化学测量方法7 1.3.2样品表面细菌生物膜及腐蚀产物形貌观察8 第2章 实验结果与讨论92.1 SRB菌液pH值测量结果92.2电化学测量结果10 2.2.1 无菌培养基溶
14、液中的OCP曲线102.2.2 SRB菌液中的OCP曲线112.2.3SRB菌液中的EIS曲线11 2.2.4 SRB菌液极化曲线15第3章 结论16文献综述18 致谢21 序 言微生物腐蚀(Microbiologically Influenced Corrosion,简称MIC)通常指在有微生物生命活动参与时发生的腐蚀过程。微生物腐蚀是微生物生命活动时直接或者间接地对金属造成腐蚀的电化学过程。当金属表面附着微生物膜时,金属表面和微生物膜界面的pH值、溶解氧的浓度、有机和无机物的种类等条件的变化都会导致甚至加速腐蚀的发生,微生物膜内反应确定了不同腐蚀方式的机理和速率,其作用机理如下所示1,2:
15、(1)微生物产生的新陈代谢产物,如酸、碱、硫化物以及其它有害离子,会对金属表面造成腐蚀。(2)微生物的生命活动直接参与微生物膜/金属界面的电极反应动力学过程。(3)微生物的生物膜在金属/电解质界面上引起状态的变化,从而引起腐蚀反应的发生例如,形成氧的浓差电池反应。(4)微生物与金属表面接触后破坏金属表面钝化层,从而降低缓蚀剂的稳定性。1.细菌微生物的生命活动细菌微生物的腐蚀主要由细菌微生物的新陈代谢引起,细菌微生物与金属材料表面接触,通过新陈代谢产生具有腐蚀性质的产物,这些具有腐蚀性质的产物对金属材料表面具有腐蚀作用,例如硫酸盐还原菌和大肠杆菌等细菌都会造成金属材料的腐蚀。其中,硫酸盐还原菌(
16、SRB)是一种厌氧菌,能够利用有限的几种有机化合物例如,乳酸盐、丙酸盐、马来酸盐、乙醇、葡萄糖等作为电子供体3过化学反应和电化学反应过程,将含氢的有机物作为供氢体,可以同时把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和连二亚硫酸盐还原成硫化氢4,5,腐蚀产物大多为乙酸盐类。细菌从最初的沉积到生长繁殖主要经历以下几个过程6:(1)沉积。一旦洁净的材料接触到细菌以后,细菌就有可能停留在材料的表面,即沉积在材料表面,使材料表面带菌。(2)粘附。即沉积在材料表面的细菌由可逆的沉积到不可逆的沉积的转化过程。(3)生长。完成粘附的细菌很快恢复生长,细菌开始分泌细胞外基质,尤其是黏性基质,并逐渐开始生长繁殖。(4)形成菌
17、膜。随着菌落中细菌进一步生长繁殖和分泌的细胞外基质量进一步提高,材料表面的细菌菌落逐渐相互凝集,形成一个完整的复合菌落网。细菌微生物参与金属腐蚀过程主要有以下三种作用方式7:(1)微生物的生长和新陈代谢作用产生一些能够腐蚀金属的代谢产物,如酸、碱、硫化物以及其它有害离子,加速了材料的腐蚀。(2)微生物的活动直接影响电极反应动力学过程,从而诱导或加速氧化还原反应的进程。(3)微生物在金属表面的活动,引起电解质界面状态的变化,从而导致了腐蚀的发生。例如,形成了氧的浓差电池。硫酸盐还原菌(SRB)是微生物腐蚀中最重要的细菌之一8。SRB在自然界分布很广,是典型的专性厌氧菌,宜在厌氧条件下生长,有关这
18、中细菌对钢铁腐蚀的影响目前存在以下两种机制。(1)阴极氢去极化作用机制。按照荷兰学者Kukr的理论以及Booth和Tilller的研究成果,在缺氧的情况下,含有氢化酶的硫酸盐还原菌可以从铁的阴极表面除掉氢原子,并利用其使硫酸盐还原,从而使阴极反应加快,促使阳极溶解,加速了钢铁的腐蚀过程。(2)硫化物促进腐蚀作用机制。细菌的作用主要在于提供了硫化物,而硫化物加速 了钢铁的腐蚀。Booth早在1968年就通过实验证明FeS有阴极去极化作用,并且随其浓度的增加,去极化趋势愈显著9。JohnPGudas和HarveyPHack10通过几种不同组成的铜镍合金在含不同浓度硫化物离子的天然海水中进行暴露试验
19、,发现其对铜镍合金的腐蚀具有促进作用。GonzaalezJEG等11同样认为厌氧腐蚀可能主要是由于铁的硫化物充当去极化剂而不是通过细菌直接除掉氢。另外,硫酸盐还原菌(SRB)对钢铁腐蚀的影响并非总是起促进作用,在特定的介质条件下可起到相反的作用。许立铭和刘宏芳等12对未接种与接种SRB的介质中Fe2+对A3钢的腐蚀影响进行了比较实验,发现当Fe2+浓度较低时,未接种SRB的介质中的平均腐蚀速度相比接种SRB的介质高,只有当Fe2+浓度增至很大时,SRB才对A3钢的腐蚀产生显著影响。2.抗菌材料的种类抗菌材料是一类新型功能材料,其本身具有抑制或杀灭微生物的特性。随着科学技术的发展和人们生活水平的
20、日益提高,人们对卫生标准和健康水平的要求也越来越高,因而对抗菌材料数量和种类的需求也越来越多13。目前对于抗菌材料的研究主要集中在抗菌塑料、抗菌陶瓷和抗菌金属材料方面。天然抗菌材料是是利用各种天然物质特有的抗菌性能而制造的人类最早使用的材料14,15。目前比较常用的天然抗菌剂是一种可再生的壳聚糖,壳聚糖是无毒的生物高分子,具有较强的抗菌性,并且在医疗卫生、生物工程等领域得到广泛应用。山梨酸常用于食品、塑料、橡胶、涂料、胶黏剂等领域,是通过与微生物生物酶系中的-SH结合,破坏酶系作用而达到抗菌防霉的作用,对细菌、霉菌、酵母菌等都有明显的抑制功能。黄姜根醇是一种具有的安全性和极低的毒性,常用于制作
21、药物和食品,是抗菌性能优异的新一代的抗菌剂。虽然天然抗菌材料在生产和使用过程中对人类、动物或环境不产生污染,但天然原材料完全从天然食物或植物中提取或直接使用,由于大多受到加工条件的制约,所以目前还不能实现大规模市场化。有机抗菌剂种类繁多,主要产品有:季胺盐类、醇类、酚类、有机金属类、吡啶类、咪唑类、噻吩类等。有机抗菌剂与微生物细胞壁接触后通过化学反应破坏细胞膜,使微生物细胞内生物酶和蛋白质变性,从而使微生物新陈代谢受阻,进而抑制微生物繁殖,达到杀菌、防腐及防霉等作用。其抑制微生物繁殖的途径主要有破坏细胞壁的合成、阻碍微生物的呼吸作用、阻碍微生物的生物体复制、破坏孢子的发芽生殖、破坏细胞的正常生
22、理机能、抑制类脂的合成等17-19。 有机抗菌剂具有工艺技术成熟,杀菌迅速,将其添加在材料中具有较高的可操作性。但是由于其化学稳定性差,遇热、光或水等环境容易挥发和散失,以及时效性差等缺点,使其在生产和使用有机抗菌剂时,有机抗菌剂分解和挥发的物质,会对人畜和环境构成严重威胁。无机抗菌剂的开发相对较晚,始于20世纪80年代中期,但是目前其应用最为广泛,具有巨大的开发潜力和良好的发展前景。无机抗菌剂一般是利用银、铜、锌、镍、锰、钛等金属及其离子的杀菌、抑菌功能,在材料中添加此类抗菌元素并通过一定的加工处理从而获得的一类抗菌剂20。现代科学普遍认为,按照其杀抑菌能力的大小,杀菌性可排列为:Hg2+A
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