微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统的制作方法

本发明涉及接地金属材料微生物腐蚀检测技术领域，特别是涉及一种微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统。

背景技术：

微生物腐蚀是微生物通过自身的生命活动直接或者通过其代谢产物间接的影响金属材料腐蚀过程的现象。全世界每年因腐蚀造成的损失约占国民生产总值的3％～5％以上。硫酸盐还原菌(srb)、铁细菌、铁氧化细菌、硫氧化细菌等微生物为重要元凶，许多国家将15％～20％的工程费用用于防腐。2016年，全国腐蚀调查显示，我国腐蚀成本占全部gdp的3.34％，总额超过21000亿元人民币。

srb是指一类能够把硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等硫化物以及s还原成h2s的细菌的统称。srb广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道、油气井等处。由于各地土壤类型、气候状况、地理位置等因素的差异，土壤中的srb含量差别较大。我国库尔勒、格尔木、拉萨、成都、大庆、沈阳、大港、鹰潭8个土壤试验站的表层土壤的srb含量小于或等于10～1800cell·g-1不等。浙江省象山港海域表层海水和上覆水的srb含量的年度均值分别为173和1000cell·ml-1，沉积物中为1440cell·g-1；胶州湾潮间带和沿岸区、克莱德海表层沉积物中的srb含量则分别高达4.1×107和2.7×107cell·g-1。大部分陆生srb是中温菌，其最适宜生长温度为30～40℃；海洋中srb的最适宜生长温度稍低一些。srb并不是严格的厌氧菌，分离自长庆油田采油回收污水水样的srb可耐受4.5mg·l-1浓度的溶解氧。适合srb生长的ph值范围较广，在5.5～9.0的酸碱度范围内均能生长繁殖，其中7.5是比较合适的酸碱度条件。

微生物活性可通过以下方式控制材料表面电化学腐蚀过程：(1)微生物代谢过程影响材料的阴、阳极反应过程；(2)微生物的代谢产物影响材料的阴阳极反应；(3)微生物通过在材料表面生成生物膜改变材料表面腐蚀环境；(4)微生物直接参与金属的腐蚀过程。

现有技术中，在检测微生物对接地金属材料的腐蚀性时，缺乏有效的室内试验系统，只能在原地进行测试，测试周期长，限制了微生物对接地金属材料腐蚀性的研究。

技术实现要素：

鉴于上述状况，本发明的目的在于提供一种微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统，以解决测试周期长、限制了微生物对接地金属材料腐蚀性的研究的问题。

一种微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统，包括腐蚀试验子系统、微生物子系统、气体子系统以及加热子系统；

所述腐蚀试验子系统至少包括有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱、无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱、电化学工作站，所述无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱以及所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱内均设有与实际土壤理化性质相近的土壤模拟溶液，土壤模拟溶液内设有三电极体系，所述三电极体系中的研究电极由接地金属材料组成，所述电化学工作站分别与各个试验箱内的三电极体系电性连接，用于测试各个试验箱内的研究电极的极化和阻抗，以分析和比较接地金属材料腐蚀程度；

所述微生物子系统用于向所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱输送微生物量可调的微生物；

所述气体子系统用于为所述腐蚀试验子系统提供预设的气体氛围；

所述加热子系统用于控制所述腐蚀试验子系统的温度条件。

相比现有技术，本发明提供的系统至少具有以下有益效果：

该系统通过设置用于对比的有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱、无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱，两个试验箱均设有土壤模拟溶液，土壤模拟溶液内设有三电极体系，三电极体系中的研究电极由接地金属材料组成，通过微生物子系统向有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱输送微生物量可调的微生物，最后由电化学工作站测试各个试验箱内的研究电极的极化和阻抗，以分析和比较接地金属材料腐蚀程度，从而实现了将研究实际土壤中微生物对接地金属材料腐蚀影响转化为研究土壤模拟溶液中微生物对接地金属材料腐蚀影响，具有较强的对比性，通过气体子系统以及加热子系统能够实现人为控制实验条件，以达到腐蚀加速的目的，进而在短时间内进行土壤腐蚀研究，此外，该系统可调试验环境因素多，包括微生物量、气体氛围、温度等，配置合理，有助于研究微生物对接地金属材料腐蚀机理和防腐效果。

此外，本发明提供的微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统，还具有以下技术特征：

进一步的，所述腐蚀试验子系统还包括原土壤腐蚀试验箱和无菌原土壤腐蚀试验箱，所述原土壤腐蚀试验箱内设有采集的实际土壤，所述无菌原土壤腐蚀试验箱内设有经过杀菌处理后的实际土壤，所述原土壤腐蚀试验箱和所述无菌原土壤腐蚀试验箱内均设有三电极体系，该三电极体系中的研究电极由接地金属材料组成。

进一步的，所述三电极体系由参比电极、铂电极以及所述研究电极组成。

进一步的，各个试验箱内还设有辅助电极，每个试验箱内的辅助电极与研究电极构成回路，所述辅助电极用于对接地金属材料进行阴极保护。

进一步的，所述辅助电极为牺牲阳极接地电极或外加电流阴极保护接地电极。

进一步的，所述微生物子系统包括微生物培养基、微生物检测装置、微生物流量监控模块，所述微生物培养基用于培养微生物，所述微生物检测装置用于检测所述微生物培养基中的微生物量，所述微生物流量监控模块用于监测并控制所述微生物培养基流向所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱内的微生物量。

进一步的，所述微生物培养基内设有抽提装置，所述抽提装置用于将所述微生物培养基培养的微生物运输到所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱内。

进一步的，所述微生物培养基培养的微生物为硫酸盐还原菌，所述微生物培养基的成分包括：k2hpo4，nh4cl，na2so4，cacl2·6h2o，mgso4·7h2o，乳酸钠，酵母汁，维生素c，巯基醋酸，硫酸亚铁铵，蒸馏水。

进一步的，所述气体子系统包括气瓶、气体流量监控模块、测氧模块，所述气瓶内存储预设的气体，所述气体流量监控模块用于监测并控制所述气瓶流向所述腐蚀试验子系统的气体含量，所述测氧模块用于测量所述腐蚀试验子系统的氧气浓度。

进一步的，所述加热子系统包括加热震荡一体化模块和感温模块，所述加热震荡一体化模块设于所述腐蚀试验子系统的底部，用于加热并振动各个试验箱，所述感温模块用于监测所述腐蚀试验子系统内的温度。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一实施例的微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明一实施例提供了一种微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统，至少包括腐蚀试验子系统、微生物子系统、气体子系统以及加热子系统。

所述腐蚀试验子系统至少包括有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱11、无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱12、电化学工作站13，所述无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱12以及所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱11内均设有与实际土壤理化性质相近的土壤模拟溶液。具体的，可以先采集变电站埋地金属接地材料处的土壤为作为原土壤，即为有菌的实际土壤，然后对原土壤进行处理及分析，得出其理化性能，根据其理化性能，配置对应的土壤模拟溶液，该土壤模拟溶液初始为无菌的，因此为无菌土壤模拟溶液。若向该土壤模拟溶液加入微生物，即成为有菌土壤模拟溶液。此外，将原土壤经杀菌处理后即可得无菌的实际土壤。需要指出的是，采集的原土壤最好富含微生物，且微生物对金属材料的腐蚀影响最好较大。

例如，对某地变电站地区地面深度0.5m以下的土壤进行采集，采集的原土壤的理化性能如表1所示。

表1采集的原土壤的理化性能

对应的土壤模拟溶液可以采用以下方法进行配置：

a)用容量瓶分别配制250mlph＝4.00和ph＝6.86的缓冲剂。将药品倒入烧杯后，用纯水冲洗药袋，防止残留，加纯水溶解后用玻璃棒引流到容量瓶中，再将烧杯玻璃棒冲洗，冲洗液继续引流至容量瓶中，重复三次。再加入纯水，液面临近刻度线时停止，摇匀后用胶头滴管定容，待用；

b)用天平依次称取0.0388gna2so4，00078gmgso4，0.0.0092gnano3，0.0353gnahco3，每种药品称取后及时用纯水溶解于1号烧杯中，再称取0.0068gcacl2置于2号烧杯中用玻璃棒搅匀备用；将1号烧杯的溶液倒入1l容量瓶，再将2号烧杯的溶液倒入容量瓶，加入超纯水至快到刻度线，摇匀后，测量ph值，若不符合要求，则用hcl或naoh调整至所需值，然后定容至刻度线；

c)将ph计电极从饱和kcl溶液中取出，用纯水冲洗后用滤纸擦干。各取50ml缓冲液，分别校准ph值。先用6.86的标准液校准，再用4.00的标准液校准。每次测量不同溶液的ph值前都要用纯水冲洗ph计电极再擦干，测量时注意溶液要没过电极的头部，然后要时常摇晃电极防止电极表面生成水膜影响测量效果；

d)将前面定容的模拟溶液倒入到2l的烧杯中，用移液枪抽取1μl4mol/lhcl加入烧杯中，用玻璃棒搅匀。将ph计插入溶液中，边观察ph计示数，边用移液枪加hcl，根据ph计示数的大概变化规律，再加入hcl，要注意的是每次加入hcl后要搅匀，等ph计示数稳定后再加。快接近我们需要的ph值时，再每1μlhcl的加一直到溶液的ph＝5.00±0.10时停止。

所述微生物子系统用于向所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱输送微生物量可调的微生物。所述气体子系统用于为所述腐蚀试验子系统提供预设的气体氛围。所述加热子系统用于控制所述腐蚀试验子系统的温度条件。

各个试验箱内的土壤模拟溶液内均设有三电极体系，所述三电极体系中的研究电极31由接地金属材料组成，所述电化学工作站13分别与各个试验箱内的三电极体系电性连接，用于测试各个试验箱内的研究电极31的极化和阻抗，以分析和比较接地金属材料腐蚀程度。

具体的，所述三电极体系由研究电极31、参比电极32、铂电极33组成。

此外，作为一种可选的实施方式，所述腐蚀试验子系统还可以包括原土壤腐蚀试验箱14和无菌原土壤腐蚀试验箱15。

有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱11、无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱12、原土壤腐蚀试验箱14和无菌原土壤腐蚀试验箱15，这四个试验箱各自独立设置，但处于相同的温度、气体氛围的条件下。具体可以设置一个体积较大的试验箱体10，将这两个试验箱均放置在试验箱体10内。

所述原土壤腐蚀试验箱14内设有采集的实际土壤，所述无菌原土壤腐蚀试验箱15内设有经过杀菌处理后的实际土壤，所述原土壤腐蚀试验箱14和所述无菌原土壤腐蚀试验箱15内均设有三电极体系，该三电极体系中的研究电极31同样由接地金属材料组成。且电化学工作站13也分别与原土壤腐蚀试验箱14和无菌原土壤腐蚀试验箱15内的三电极体系电性连接。电化学工作站13具体为多通道结构，电化学工作站13通过单独的通道与各个试验箱内的三电极体系电性连接。具体实施时，腐蚀试验子系统还可以包括计算机16，计算机16与电化学工作站13电性连接，通过计算机16进行具体的分析工作，以分析和比较腐蚀试验箱内的金属接地材料腐蚀程度。分析比较时可以采用多种技术和指标结合进行，例如腐蚀失重、点蚀、极化曲线、阻抗、xrd、sem等。

通过有菌土壤模拟溶液、无菌土壤模拟溶液、有菌的实际土壤、无菌的无菌土壤这四种腐蚀介质，能够对模拟溶液浸泡和埋设现场的金属发生腐蚀的条件进行比较，找出实验室模拟溶液和室外实验之间的相关性，从而更好的利用电化学来测量土壤腐蚀中的参数。避免土壤模拟溶液在离子浓度的提高时，因此溶液理化性质改变影响分析结果。

具体的，所述微生物子系统包括微生物培养基21、微生物检测装置22、微生物流量监控模块23，所述微生物培养基21用于培养微生物，所述微生物检测装置22用于检测所述微生物培养基21中的微生物量，所述微生物流量监控模块23用于监测并控制所述微生物培养基21流向所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱11内的微生物量。通过微生物培养基21、微生物检测装置22、微生物流量监控模块23三者联控，能计算有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱11内的微生物量。

其中，可以在所述微生物培养基21内设置抽提装置，以将所述微生物培养基培养21的微生物运输到所述有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱11内。

所述微生物培养基11培养的微生物例如为硫酸盐还原菌，该微生物培养基11的成分具体包括：k2hpo40.5g，nh4cl0.1g，na2so40.5g，cacl2·6h2o0.1g，mgso4·7h2o2.0g，乳酸钠3.5g，酵母汁1.0g，维生素c0.1g，巯基醋酸0.1g，硫酸亚铁铵微量，蒸馏水100ml，并将培养基的ph值调至7.2～7.5。各成分的含量也可以根据实际情况进行调整。以上成分除硫酸亚铁铵、维生素c、巯基醋酸过滤灭菌外，其它成分可以都在15磅压力下30分钟灭菌。

需要指出的是，微生物培养基11培养的微生物种类可以具体的研究内容进行更换，对应的微生物培养基的成分也可以对应调整，在此不做限制。

具体的，所述气体子系统包括气瓶41、气体流量监控模块42、测氧模块43，所述气瓶41内存储预设的气体，所述气体流量监控模块42用于监测并控制所述气瓶11流向所述腐蚀试验子系统的气体含量，所述测氧模块43用于测量所述腐蚀试验子系统的氧气浓度。气体流量监控模块42、测氧模块43具体可以与计算机16电性连接，通过计算机16进行控制。

具体的，所述加热子系统包括加热震荡一体化模块51和感温模块52，所述加热震荡一体化模块51设于所述腐蚀试验子系统的底部，用于加热并振动各个试验箱，使得微生物在各试验箱均匀分布的目的。

所述感温模块52用于监测所述腐蚀试验子系统内的温度。加热震荡一体化模块51和感温模块52具体可以与计算机16电性连接，通过计算机16进行控制。

此外，作为一种可选的实施方式，可以在各个试验箱内还设置辅助电极34，每个试验箱内的辅助电极34与研究电极31构成回路，所述辅助电极34用于对接地金属材料进行阴极保护。所述辅助电极34例如可以为牺牲阳极接地电极或外加电流阴极保护接地电极。通过设置辅助电极34能够研究阴极保护对含有微生物的土壤模拟溶液中金属接地材料腐蚀保护的效果，以实现研究有菌土壤模拟溶液阴极保护的机理和保护效果。

上述微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统的试验方法为：

(1)腐蚀：安装调试好试验子系统，通过气体子系统使得试验达到所需气体氛围，通过加热震荡子系统使得试验达到所需温度条件，通过微生物子系统使有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱达到所需微生物量，通过电化学工作站使得试验达到电化学测试条件；

(2)阴极保护：相比腐蚀研究方法，通过辅助电极，对金属接地材料进行阴极保护。

(3)最后通过分析评价方法，分析和比较接地金属材料腐蚀程度，分析评价方法具体可以包括腐蚀失重、点蚀、极化曲线、阻抗、xrd、sem。

综上所述，采用本实施例提供的微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统，通过设置用于对比的有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱、无菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱，两个试验箱均设有土壤模拟溶液，土壤模拟溶液内设有三电极体系，三电极体系中的研究电极由接地金属材料组成，通过微生物子系统向有菌土壤模拟溶液腐蚀试验箱输送微生物量可调的微生物，最后由电化学工作站测试各个试验箱内的研究电极的极化和阻抗，以分析和比较接地金属材料腐蚀程度，从而实现了将研究实际土壤中微生物对接地金属材料腐蚀影响转化为研究土壤模拟溶液中微生物对接地金属材料腐蚀影响，具有较强的对比性，通过气体子系统以及加热子系统能够实现人为控制实验条件，以达到腐蚀加速的目的，进而在短时间内进行土壤腐蚀研究，此外，该系统可调试验环境因素多，包括微生物量、气体氛围、温度等，配置合理，有助于研究微生物对接地金属材料腐蚀机理和防腐效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。