一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法及装置与流程

本发明属于海洋环境材料耐久性设备领域，尤其涉及一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法及装置，用于海洋平台、海洋构件长期耐蚀性能的加速腐蚀试验研究。

背景技术：

海洋蕴藏着丰富的资源，具有潜在的巨大经济利益和战略性的国防地位。海洋资源的开发利用离不开海上基础设施，海洋腐蚀问题是海上基础设施面临的重要威胁之一。世界各国均投入巨大人力物力进行海洋腐蚀问题的研究。最近，中国科协年会上将“近海污染物作用下金属材料的腐蚀机制”确立为“2020年十大海洋科学前沿问题和工程技术难题”之一。可见，近海金属材料腐蚀问题已成为制约我国海洋科学的技术难题。为了在实验室模拟加速金属材料腐蚀过程，揭示海洋环境中金属材料腐蚀机制，需要开发模拟海洋环境的方法并研制相应设备。海洋潮汐腐蚀装置就是其中一种重要的模拟海岸线附近金属材料腐蚀失效的设备。调研所知，现有模拟海洋潮汐腐蚀的可行方法和专用设备不多，且功能不够完善。例如，有些设备仅作为海洋潮汐的演示之用，主要用于观赏和教学，无科学研究意义；有些设备仅考虑了潮汐涨落对金属腐蚀行为的影响，用途有限；有些设备只能进行简单的浸泡试验，不能进行在线监检测，不能考虑海洋物理、化学和生物等因素的作用，无法用于腐蚀机制的探索；绝大部分设备都人为地将潮汐涨落设置为线性的，这与自然界中潮汐涨落规律不相符，不能真实地模拟海洋潮汐对金属腐蚀机制的影响。因此，对于揭示近海污染物作用下金属材料的腐蚀机制，开发适用于近海环境中金属材料腐蚀和微生物腐蚀的试验方法及装置，无疑是丞待解决的问题。针对现有技术的不足，本发明拟从潮汐形态、在线监测、海洋物理、化学和生物因素等方面提供一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法及装置。

技术实现要素：

本发明针对海洋潮汐区金属材料腐蚀和微生物腐蚀的试验方法和装置存在潮汐形态不妥、在线监测困难、海洋物理、化学和生物因素考虑不周的问题，提供了一种结构简单、价格合理、稳定性好的海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法及装置。

本发明所述的海洋潮汐区微生物腐蚀的试验装置，包括底座、盐水池、潮汐控制系统、环境控制系统、在线监测系统。所述的底座上方设置有支架、第一盐水池和第二盐水池，支架从下至上依次设置有第一水泵和第二水泵、第一风机和第二风机、控制箱，第一盐水池和第二盐水池分布在支架两边。

所述的控制箱中集成有潮汐控制单元和环境控制单元；所述的控制箱中设置有atmeqa328单片机、12v电源适配器和冷却风扇等，所述单片机程序通过arduino1.8.3软件包编写，通过arduinounor3开发板进行写入。可以实现对潮汐形态的模拟、对海洋物理、生物和化学参数的调节。

所述第一盐水池和第二盐水池，内部和外部均采用316l不锈钢板，厚度为3mm，中间采用硬质发泡氨基甲酸乙酯，用于保持海水温度；所述的第一盐水池和第二盐水池外部分别设置有连接盐水池内部的第一液位管和第二液位管，用于显示盐水池内液面高度；所述的第一盐水池和第二盐水池顶部分别设置有第一盖板和第二盖板，第一盖板上安置有第一超声液位传感器、第一吹风口、第一风速传感器、第一气体交换孔、微生物接种和测试孔，第二盖板上安置有第二超声液位传感器、第二吹风口、第二风速传感器、第二气体交换孔；所述第一盐水池和第二盐水池底部分别设置有第一测试板、第一造浪泵、第一流速传感器、第一加热棒、第一温度传感器和第二测试板、第二造浪泵、第二流速传感器、第二加热棒、第二温度传感器。所述的第一超声液位传感器通过信号线连接控制箱，用于测量第一盐水池内液面高度，所述的第二超声液位传感器通过信号线连接控制箱，用于测量第二盐水池内液面高度；所述的第一气体交换孔和第二气体交换孔，在使用过程中用透气硅胶封堵，用于气体交换，同时防止外界微生物污染；所述的微生物接种和测试孔连接有毛细管，所述毛细管深入到箱体中部，用于接种微生物和测试微生物数量，试验过程中微生物接种和测试孔处于密闭状态，在接种和测试时暂时性打开。

所述的潮汐控制系统，包括控制箱中的潮汐控制单元、第一超声液位传感器、第二超声液位传感器、第一水泵、第二水泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第一导水管、第二导水管、第三导水管和第四导水管；所述的第一超声液位传感器通过信号线与控制箱相连，用于传送第一盐水池液位高度数据；所述的第二超声液位传感器通过信号线与控制箱相连，用于传送第二盐水池液位高度数据；所述的第一导水管与第一盐水池底部贯穿相连，经第一电磁阀与第一水泵相连，所述的第二导水管与第二盐水池顶部贯穿相连，并与第一水泵直接相连；所述的第三导水管与第二盐水池底部贯穿相连，经第二电磁阀与第二水泵相连，所述的第四导水管与第一盐水池顶部贯穿相连，并与第二水泵直接相连；所述的第一水泵和第二水泵均与控制箱相连，潮汐控制单元控制第一水泵和第二水泵的电压，进而控制水流速度；所述的第一电磁阀和第二电磁阀均与控制箱相连，潮汐单位控制第一电磁阀和第二电磁阀的开启和关闭；所述的潮汐控制单元可以根据用户设定，调节第一水泵和第二水泵的电压，控制第一盐水池和第二盐水池液面高度变化规律，形成正弦、三角和梯形涨落的潮汐规律。

所述的环境控制系统，包括第一风机、第二风机、第一风速传感器、第二风速传感器、第一造浪泵、第二造浪泵、第一流速传感器、第二流速传感器、第一加热棒、第二加热棒、第一温度传感器、第二温度传感器和控制箱中的环境控制单元。所述的第一风机、第二风机、第一风速传感器、第二风速传感器与控制箱相连，环境控制单元分别控制第一风机和第二风机的转速和接收第一风速传感器和第二风速传感器的风速数据；所述的第一造浪泵、第二造浪泵、第一流速传感器、第二流速传感器与控制箱相连，环境控制单元控制第一造浪泵和第二造浪泵的转速和接收第一水流传感器和第二水流传感器的水流数据；所述的第一加热棒、第二加热棒、第一温度传感器、第二温度传感器与控制箱相连，环境控制单元控制第一加热棒和第二加热泵的电压和接收第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据。所述的环境系统，可以根据用户设定，接收来自第一风速传感器和第二风速传感器的风速数据、来自第一水流传感器和第二水流传感器的流速数据、来自第一温度传感器和第二温度传感器的温度数据，分别控制第一风机和第二风机的转速、第一造浪泵和第二造浪泵的转速、第一加热棒和第二加热棒的电压，从而形成用户制定的海浪、海风和温度环境。

所述的在线监测系统，包括第一测试板、第二测试板和外接电化学测试系统；所述第一测试板和第二测试板上分别安置有第一测试样品、第一辅助电极、第一参比电极和第二测试样品、第二辅助电极、第二参比电极；所述的第一测试样品、第一辅助电极、第一参比电极、第二测试样品、第二辅助电极和第二参比电极均连接导线，所述的导线均贯穿第一盐水池和第二盐水池与外接电化学测试系统相连；所述的外接电化学测试系统是金属材料腐蚀试验室常用设备，不在本发明范围之内；所述的在线监测系统可以实时地监测海洋潮汐区不同位置样品的腐蚀程度和过程。

本发明还提供一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法，该微生物腐蚀试验方法自动化程度高、操作简单，能够科学合理地评价海洋潮汐区金属材料微生物腐蚀特性，可为海洋潮汐环境中金属材料微生物腐蚀行为和机理研究提供技术支持。

一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法，包括如下步骤。

步骤一：菌种和海水准备：根据菌种选择和配制培养基，在培养基中进行菌种培养；从海洋中取洁净海水，利用滤纸过滤去除海水中的杂质；培养基、海水及所用器皿均采用高温蒸汽灭菌，防止杂菌污染。

步骤二：待测试样和电极准备：按照图1所示准备好第一测试板和第二测试板，安置好测试样品、辅助电极和参比电极，并将第一测试板和第二测试板按照图1所示安置到试验装置中。

步骤三：试验装置灭菌：将试验装置放置在可紫外灭菌的房间，进行紫外线杀菌。

步骤四：海水加注和微生物接种：往第一盐水池中缓慢注入灭菌海水至水平面刚好没过第一测试板顶端，往第二盐水池中注入灭菌海水至水平面刚好没过第二温度传感器；用透气硅胶封堵第一气体交换孔和第二气体交换孔，通过微生物接种和测试孔接种微生物。

步骤五：潮汐和环境参数控制：将控制箱与电脑相连，启动相应执行程序，输入潮汐周期和形态、环境温度、海水流速和海风速度等参数，启动程序。

步骤六：在线监测：将第一测试样品、第一辅助电极、第一参比电极、第二测试样品、第二辅助电极和第二参比电极通过导线与外接电化学测试系统相连，开始监测样品在海洋潮汐区微生物腐蚀过程和行为。

步骤一中的菌种可以是天然海水中分离出的，也可以从国家微生物保存中心购买；不同菌种采用不同的液态培养基，推荐选用现有技术中的常用液态配方；为了减少培养基对试验结果的影响，建议接菌量小于或等于海水体积的千分之一；海水可以是取自天然海水的自然海水，也可以采用3.5%nacl或海水晶替代。

步骤二中待测试样的规格为φ10mm的圆片，辅助电极为商用石墨片，参比电极为商用饱和甘汞电极，通过自制盐桥连接。

步骤四中微生物接种通过微生物接种和测试孔执行，该孔还能用于微生物腐蚀过程中海水中微生物计数，计数技术采用现有方法进行。试验过程中微生物接种和测试孔处于密闭状态，在接种和测试时暂时性打开。

步骤五中潮汐形态控制、环境温度调节、洋流和海风重现、微生物培养和测试等功能通过所述的潮汐控制系统、环境控制系统和在线监测系统实现，且上述功能集成于控制箱中，通过软件控制和调节。

步骤六中所述的外接电化学测试系统是腐蚀和电化学实验室常用的电化学工作站，可以进行开路电位、电化学阻抗谱、极化曲线、循坏极化等电化学测试，所述电极的外接导线在步骤二中进行准备。

与现有技术和方法相比，本发明具有的有益效果在于以下几点。

1、本发明通过潮汐控制单元、超声液位传感器、水泵等组成的潮汐控制系统，可以根据用户需求控制盐水池液面，形成正弦、三角和梯形潮汐节律，其中正弦更加接近自然环境中潮汐节律，使得对金属材料潮汐腐蚀机制的研究更加准确和科学。

2、本发明通过环境控制系统对海洋环境温度、海浪和海风进行控制，可以模拟自然环境中金属材料潮汐腐蚀行为，更加真实和可靠。

3、本发明通过在线监测系统对金属材料腐蚀过程进行检测，有利于揭示金属材料在海洋潮汐区腐蚀机制。

4、本发明设置有气体交换孔和微生物接种和测试孔，能完成海洋区金属材料微生物腐蚀，又能防止微生物污染。

5、本发明通过集成控制箱和单片机集中控制，可以实现自然海洋环境中潮汐形态、海洋物理、化学和生物等方面参数的全真模拟，能真实重现海洋潮汐区金属材料腐蚀环境。

附图说明

图1为本发明的示意图。

图2接种和灭菌海水中碳钢海洋潮汐区腐蚀速率。

图3接种和灭菌海水中海洋潮汐区碳钢的电化学阻抗谱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明所述的一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验装置，其底座1上方设置有支架8、第一盐水池2和第二盐水池16，支架从下至上依次设置有第一水泵9和第二水泵11、第一风机7和第二风机10、控制箱32。第一盐水池2和第二盐水池16外部分别设置有连接盐水池内部的第一液位管45和第二液位管20；第一盐水池2和第二盐水池16顶部分别设置有第一盖板41和第二盖板28，第一盖板41上安置有第一超声液位传感器40、第一吹风口38、第一风速传感器39、第一气体交换孔37、微生物接种和测试孔36，第二盖板28上安置有第二超声液位传感器27、第二吹风口26、第二风速传感器25、第二气体交换孔29；第一盐水池2和第二盐水池16底部分别设置有第一测试板3、第一造浪泵4、第一流速传感器48、第一加热棒49、第一温度传感器47和第二测试板17、第二造浪泵15、第二流速传感器19、第二加热棒18、第二温度传感器21。第一导风管33贯穿第一盖板41与第一吹风口相连，另一端连接第一风机7；第二导风管30贯穿第二盖板28与第二吹风口26相连，另一端连接第二风机10。第一导水管5与第一盐水池2底部贯穿相连，经第一电磁阀6与第一水泵9相连，第二导水管12与第二盐水池16顶部贯穿相连，并与第一水泵9直接相连；第三导水管14与第二盐水池16底部贯穿相连，经第二电磁阀13与第二水泵11相连，第四导水管34与第一盐水池2顶部贯穿相连，并与第二水泵11直接相连。

本实施例中，优选的，微生物接种和测试孔36连接有毛细管35；第一盖板41和第二盖板28分别安置有第一气体交换孔37和第二气体交换孔29。可实现微生物接种、培养和测试，适用于金属材料海洋潮汐区微生物腐蚀研究。

本实施例中，优选的，第一水泵9、第二水泵11、第一电磁阀6、第二电磁阀13、第一风机7、第二风机10、第一造浪泵4、第二造浪泵15、均与控制箱32相连。第一风速传感器39、第二风速传感器25、第一流速传感器48、第二流速传感器19、第一加热棒49、第二加热棒18、第一温度传感器47、第二温度传感器21、第一超声液位传感器40、第二超声液位传感器27均通过信号线31与控制箱32相连。可实现对潮汐形态的模拟、对海洋物理、生物和化学参数的个性化调节。

本实施例中，优选的，第一测试板3、第二测试板17分别安置有第一测试样品42、第一辅助电极44、第一参比电极43和第二测试样品24、第二辅助电极22、第二参比电极23；第一测试样品42、第一辅助电极44、第一参比电极43、第二测试样品24、第二辅助电极22和第二参比电极23均通过导线贯穿第一盐水池2和第二盐水池16与外接电化学测试系统相连。可实现金属材料腐蚀程度和过程的在线监测。

本发明所述的一种海洋潮汐区微生物腐蚀的试验方法，包括如下步骤。

步骤一：菌种和海水准备：选择和配制培养基，进行菌种培养；取洁净海水，过滤去除海水中的杂质；培养基、海水及所用器皿均采用高压蒸汽灭菌，高压蒸汽灭菌的优选条件为：103kpa，121℃，时长大于21min，以下类同。

上述海水可以是取自天然海水的自然海水，也可以采用3.5%nacl或海水晶替代，也在本发明的保护范围之内。

步骤二：待测试样和电极准备：制备第一测试板3和第二测试板17，安置好第一测试样品42、第二测试样品24、第一辅助电极44、第二辅助电极22、第一参比电极43和第二参比电极23，并将第一测试板3和第二测试板17按照图1所示安置到试验装置中。测试试样的规格为φ10mm的圆片，辅助电极为商用石墨片，参比电极为商用饱和甘汞电极，通过自制盐桥连接。

作为替换，上述测试试样也可以为一种或多种规格，甚至可以安置在第一测试板3和第二测试板17之外做失重分析之用，均在本发明的保护范围之内。

步骤三：试验装置灭菌：将试验装置放置在可紫外灭菌的房间，进行紫外线杀菌。紫外杀菌的优选条件为：负压灭菌房间，有缓冲空间，灭菌时长2h。灭菌后，操作人员均需穿戴无菌工作服进行后续操作。

步骤四：海水加注和微生物接种：往第一盐水池2中缓慢注入灭菌海水46至水平面刚好没过第一测试板3顶端，往第二盐水池16中注入灭菌海水至水平面刚好没过第二温度传感器21；用透气硅胶封堵第一气体交换孔37和第二气体交换孔29，通过微生物接种和测试孔36接种微生物，接种完成后密封该孔，对照组实验中添加等量的培养基。

步骤五：潮汐和环境参数控制：将控制箱32与电脑相连，启动相应执行程序，输入潮汐周期和形态、环境温度、海水流速和海风速度等参数，启动程序。

潮汐形态可以在正弦、三角和梯形三种形态中选择，潮汐周期可控制在1~24h范围，环境温度范围正常水温（约为20℃）~45℃，海水流速范围0~1m/s，海风速度范围0~10m/s。

步骤六：在线监测：将第一测试样品42、第一辅助电极44、第一参比电极43、第二测试样品24、第二辅助电极22和第二参比电极23通过导线与外接电化学测试系统相连，开始监测样品在海洋潮汐区微生物腐蚀过程和行为。间隔性地进行微生物计数，计数技术采用现有方法进行。

步骤六中所述的监测方法有开路电位、电化学阻抗谱、极化曲线、循坏极化等电化学测试。所述电极的外接导线在步骤二中进行准备。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

海洋潮汐区碳钢的铁细菌腐蚀试验结果如下：

上述实施例中接种的细菌为铁细菌，潮汐形态为正弦，潮汐周期为12h，实验时长为60周。实验样品分别安放在全浸区、低潮区、中潮区和高潮区，如图1所示。实验过程中间隔性地进行电化学阻抗谱、极化曲线、线性极化电阻的监测，实验结束后通过腐蚀失重表征平均腐蚀速率。图2列出了第60周时全浸区和高潮区样品的电化学阻抗谱图，可见相同海水环境中高潮区样品腐蚀速率远高于全浸区样品腐蚀速率，铁细菌的存在加速了高潮区样品的腐蚀速率，但降低了全浸区样品腐蚀速率。图3列出了经过60周潮汐循环后样品的平均腐蚀速率，明显地腐蚀速率的结果与电化学阻抗谱结果一致。

通过上述实例，详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术进行多种等同变换，这些等同变化均属于本发明的保护范围。