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미생물 부식(MIC)은 막대한 경제적 손실을 초래할 수 있기 때문에 많은 산업에서 심각한 문제입니다. 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 스틸 2707(2707 HDSS)은 뛰어난 내화학성으로 인해 해양 환경에서 사용됩니다. 그러나 MIC에 대한 내성은 실험적으로 입증되지 않았습니다. 이 연구에서는 해양 호기성 박테리아인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에 의해 발생하는 MIC 2707 HDSS의 거동을 조사했습니다. 전기화학 분석 결과 2216E 배지에 녹농균 바이오필름이 존재할 경우 부식 전위가 긍정적으로 변하고 부식 전류 밀도가 증가합니다. X선 광전자 분광법(XPS) 분석 결과 바이오필름 아래 샘플 표면의 Cr 함량이 감소한 것으로 나타났습니다. 피트의 시각적 분석 결과 녹농균 바이오필름은 14일 배양 동안 최대 피트 깊이 0.69µm를 생성했습니다. 이는 규모는 작지만 2707 HDSS가 P. aeruginosa 바이오필름의 MIC에 완전히 면역이 되지 않는다는 것을 나타냅니다.
듀플렉스 스테인리스강(DSS)은 우수한 기계적 성질과 내식성의 완벽한 조합으로 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.1,2 그러나 국부적인 피팅(pitting)이 여전히 발생하여 강의 건전성에 영향을 미칩니다.3,4 DSS는 미생물 부식(MIC)에 대한 저항성이 없습니다.5,6 DSS의 광범위한 적용 분야에도 불구하고, DSS의 내식성이 장기간 사용하기에 충분하지 않은 환경이 여전히 존재합니다. 이는 더 높은 내식성을 가진 더 비싼 재료가 필요하다는 것을 의미합니다. Jeon 외 연구진7은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(SDSS)조차도 내식성 측면에서 어느 정도 한계가 있음을 발견했습니다. 따라서 경우에 따라 더 높은 내식성을 가진 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(HDSS)이 요구됩니다. 이는 고합금 HDSS의 개발로 이어졌습니다.
내식성 DSS는 알파상과 감마상의 비율에 따라 달라지며, 두 번째 상에 인접한 Cr, Mo 및 W 영역 8, 9, 10에서 고갈됩니다. HDSS는 Cr, Mo 및 N11 함량이 높아 내식성이 우수하고, 중량% Cr + 3.3(중량% Mo + 0.5 중량% W) + 16% 중량% N12로 결정되는 등가 피팅 저항성 지수(PREN)가 45-50으로 높습니다. 우수한 내식성은 약 50%의 페라이트(α) 상과 50%의 오스테나이트(γ) 상을 포함하는 균형 잡힌 조성에 기인합니다. HDSS는 기계적 특성이 우수하고 염화물 부식에 대한 저항성이 더 높습니다. 내식성이 향상되어 해양 환경과 같이 더욱 공격적인 염화물 환경에서 HDSS의 사용이 확대됩니다.
MIC는 석유 및 가스, 수처리 산업과 같은 많은 산업에서 주요 문제입니다.14 MIC는 모든 부식 손상의 20%를 차지합니다.15 MIC는 많은 환경에서 관찰할 수 있는 생물전기화학적 부식입니다. 금속 표면에 형성되는 바이오필름은 전기화학적 조건을 변화시켜 부식 과정에 영향을 미칩니다. MIC 부식은 바이오필름에 의해 발생한다고 널리 알려져 있습니다. 전기를 생성하는 미생물은 생존에 필요한 에너지를 얻기 위해 금속을 먹어치웁니다.17 최근 MIC 연구에 따르면 EET(세포외 전자 전달)가 전기를 생성하는 미생물에 의해 유도된 MIC의 속도 제한 요인임이 밝혀졌습니다. Zhang et al.18은 전자 매개체가 Desulfovibrio sessificans 세포와 304 스테인리스 스틸 사이의 전자 전달을 가속화하여 더 심각한 MIC 공격을 초래한다는 것을 입증했습니다. Anning et al.19 및 Wenzlaff et al. 20건의 연구에서는 부식성 황산염 환원 박테리아(SRB)의 바이오필름이 금속 기질에서 전자를 직접 흡수하여 심각한 부식을 일으킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
DSS는 SRB, 철 환원 박테리아(IRB) 등이 포함된 배지에서 MIC에 취약한 것으로 알려져 있습니다.21 이러한 박테리아는 바이오필름 아래 DSS 표면에 국소적인 구멍을 형성합니다.22,23 DSS와 달리 HDSS24의 MIC는 잘 알려져 있지 않습니다.
녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 그람 음성, 운동성, 막대 모양의 세균으로 자연에 널리 분포합니다.25 녹농균은 해양 환경에서도 주요 미생물군으로, MIC 농도를 증가시킵니다. 녹농균은 부식 과정에 적극적으로 관여하며, 바이오필름 형성 과정에서 선구적인 군집 형성자로 알려져 있습니다. Mahat 외 연구진28과 Yuan 외 연구진29은 녹농균이 수생 환경에서 연강 및 합금의 부식 속도를 증가시키는 경향이 있음을 입증했습니다.
본 연구의 주요 목적은 전기화학적 방법, 표면 분석 방법 및 부식 생성물 분석을 사용하여 해양 호기성 박테리아인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)에 의해 유발된 MIC 2707 HDSS의 특성을 조사하는 것이었습니다. 개방 회로 전위(OCP), 선형 분극 저항(LPR), 전기화학 임피던스 분광법(EIS), 전위 동적 분극을 포함한 전기화학적 연구는 MIC 2707 HDSS의 거동을 연구하기 위해 수행되었습니다. 부식된 표면의 화학 원소를 검출하기 위해 에너지 분산 분광 분석(EDS)이 수행되었습니다. 또한, X선 광전자 분광법(XPS)은 녹농균이 포함된 해양 환경의 영향 하에서 산화막 부동태화의 안정성을 결정하는 데 사용되었습니다. 피트의 깊이는 공초점 레이저 주사 현미경(CLSM)으로 측정되었습니다.
표 1은 2707 HDSS의 화학 조성을 보여줍니다. 표 2는 2707 HDSS가 650 MPa의 항복 강도를 갖는 우수한 기계적 성질을 가지고 있음을 보여줍니다. 그림 1은 용체화 열처리된 2707 HDSS의 광학 미세조직을 보여줍니다. 약 50%의 오스테나이트상과 50%의 페라이트상을 포함하는 미세조직에서, 이차상이 없는 오스테나이트상과 페라이트상의 길쭉한 띠가 관찰됩니다.
그림 2a는 2216E 비생물 배지와 P. aeruginosa 배지에서 37°C에서 14일 동안 2707 HDSS에 대한 개방 회로 전위(Eocp) 대 노출 시간을 보여줍니다. 이는 Eocp에서 가장 크고 가장 유의미한 변화가 처음 24시간 내에 발생한다는 것을 보여줍니다. 두 경우 모두 Eocp 값은 약 16시간에 -145mV(SCE와 비교)에서 최고치를 기록한 후 급격히 떨어져 비생물 샘플의 경우 -477mV(SCE와 비교) 및 -236mV(SCE와 비교)에 도달했습니다. 및 Pseudomonas aeruginosa 쿠폰). 24시간 후, P. aeruginosa의 Eocp 2707 HDSS 값은 -228mV(SCE와 비교)에서 비교적 안정적이었지만, 비생물학적 샘플의 해당 값은 약 -442mV(SCE와 비교)였습니다. P. aeruginosa가 존재할 경우 Eocp는 매우 낮았습니다.
37°C에서 비생물 배지와 녹농균 배지에서 2707개 HDSS 샘플에 대한 전기화학적 연구:
(a) 노출 시간의 함수로서의 Eocp, (b) 14일차의 편광 곡선, (c) 노출 시간의 함수로서의 Rp, (d) 노출 시간의 함수로서의 icorr.
표 3은 14일 동안 비생물학적 배지와 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)이 접종된 배지에 노출된 2707개 HDSS 시료의 전기화학적 부식 매개변수를 보여줍니다. 양극 및 음극 곡선의 접선을 외삽하여 표준 방법30,31에 따라 부식 전류 밀도(icorr), 부식 전위(Ecorr), 그리고 타펠 기울기(βα 및 βc)를 나타내는 교차점을 얻었습니다.
그림 2b에서 볼 수 있듯이, 녹농균 곡선이 위쪽으로 이동하면서 비생물학적 곡선에 비해 Ecorr 값이 증가했습니다. 부식 속도에 비례하는 icorr 값은 녹농균 시료에서 0.328 µA cm-2로 증가했는데, 이는 비생물학적 시료(0.087 µA cm-2)보다 4배 더 높습니다.
LPR은 급속 부식 분석을 위한 고전적인 비파괴 전기화학적 방법입니다. 또한 MIC32 연구에도 사용되었습니다. 그림 2c는 노출 시간에 따른 분극 저항(Rp)을 보여줍니다. Rp 값이 높을수록 부식이 적음을 의미합니다. 처음 24시간 이내에 Rp 2707 HDSS는 비생물학적 시료의 경우 1955 kΩ cm², 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 시료의 경우 1429 kΩ cm²에서 최고치를 기록했습니다. 그림 2c는 또한 Rp 값이 하루 후 급격히 감소한 후 다음 13일 동안 비교적 변화가 없음을 보여줍니다. 녹농균 시료의 Rp 값은 약 40 kΩ cm²로, 비생물학적 시료의 450 kΩ cm²보다 훨씬 낮습니다.
icorr 값은 균일 부식 속도에 비례합니다. 이 값은 다음 Stern-Giri 방정식을 통해 계산할 수 있습니다.
Zoe et al. 33에 따르면, 본 연구에서 Tafel 기울기 B의 일반적인 값은 26 mV/dec로 측정되었습니다. 그림 2d는 비생물학적 시료 2707의 icorr이 비교적 안정적으로 유지된 반면, 녹농균 시료는 처음 24시간 후 크게 변동했음을 보여줍니다. 녹농균 시료의 icorr 값은 비생물학적 대조군보다 10배 더 높았습니다. 이러한 경향은 분극 저항 결과와 일치합니다.
EIS는 부식된 표면의 전기화학 반응을 특성화하는 데 사용되는 또 다른 비파괴 분석법입니다. 비생물적 환경과 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 용액에 노출된 시료의 임피던스 스펙트럼과 계산된 정전용량 값, 시료 표면에 형성된 부동태 피막/생물막 저항 Rb, 전하 이동 저항 Rct, 전기 이중층 정전용량 Cdl(EDL), 그리고 상수 QCPE(상소자 매개변수)를 측정합니다. 이러한 매개변수는 등가 회로(EEC) 모델을 사용하여 데이터를 피팅하여 추가 분석했습니다.
그림 3은 비생물 배지와 녹농균 배지에서 2707개 HDSS 시료에 대한 다양한 배양 시간에 따른 일반적인 나이퀴스트 플롯(a와 b)과 보데 플롯(a'와 b')을 보여줍니다. 녹농균이 존재하면 나이퀴스트 링의 직경이 감소합니다. 보데 플롯(그림 3b')은 총 임피던스의 증가를 보여줍니다. 이완 시간 상수에 대한 정보는 위상 최대값으로부터 얻을 수 있습니다. 그림 4는 단층(a)과 이중층(b)에 기반한 물리적 구조와 해당 EEC를 보여줍니다. CPE는 EEC 모델에 도입되었습니다. CPE의 어드미턴스와 임피던스는 다음과 같이 표현됩니다.
샘플 2707 HDSS의 임피던스 스펙트럼을 맞추기 위한 두 가지 물리적 모델과 해당 등가 회로:
여기서 Y0는 KPI 값이고, j는 허수 또는 (-1)1/2이며, ω는 각진동수이고, n은 1보다 작은 KPI 전력 지수입니다35. 전하 전달 저항 반전(즉, 1/Rct)은 부식 속도에 해당합니다. Rct가 작을수록 부식 속도가 빠릅니다27. 14일 배양 후, 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 시료의 Rct는 32 kΩ cm²에 도달했는데, 이는 비생물학적 시료의 489 kΩ cm²보다 훨씬 낮습니다(표 4).
그림 5의 CLSM 이미지와 SEM 이미지는 HDSS 시료 2707의 표면에 7일 후 바이오필름 코팅이 조밀하게 형성되었음을 명확히 보여줍니다. 그러나 14일 후에는 바이오필름 코팅이 제대로 되지 않았고 죽은 세포가 일부 나타났습니다. 표 5는 7일과 14일 동안 녹농균(P. aeruginosa)에 노출된 2707 HDSS 시료의 바이오필름 두께를 보여줍니다. 최대 바이오필름 두께는 7일 후 23.4µm에서 14일 후 18.9µm로 변화했습니다. 평균 바이오필름 두께 또한 이러한 경향을 확인시켜 주었습니다. 평균 바이오필름 두께는 7일 후 22.2±0.7µm에서 14일 후 17.8±1.0µm로 감소했습니다.
(a) 7일차 3D CLSM 이미지, (b) 14일차 3D CLSM 이미지, (c) 7일차 SEM 이미지, (d) 14일차 SEM 이미지.
EMF 분석 결과, 14일 동안 녹농균(P. aeruginosa)에 노출된 시료의 바이오필름과 부식 생성물에서 화학 원소가 검출되었습니다. 그림 6은 바이오필름과 부식 생성물의 C, N, O, P 함량이 순수 금속보다 훨씬 높음을 보여주는데, 이는 이러한 원소들이 바이오필름 및 그 대사산물과 연관되어 있기 때문입니다. 미생물은 미량의 크롬과 철만 필요로 합니다. 시료 표면의 바이오필름과 부식 생성물에서 높은 수준의 Cr과 Fe가 검출된 것은 금속 기질이 부식으로 인해 원소를 잃었음을 나타냅니다.
14일 후, 배지 2216E에서 P. aeruginosa가 있는 구멍과 없는 구멍이 관찰되었습니다. 배양 전, 샘플 표면은 매끄럽고 결함이 없었습니다(그림 7a). 배양과 바이오필름 및 부식 생성물 제거 후, 그림 7b 및 c에 표시된 대로 CLSM을 사용하여 샘플 표면의 가장 깊은 구멍을 검사했습니다. 비생물학적 대조군의 표면에서는 명확한 구멍이 발견되지 않았습니다(최대 구멍 깊이 0.02µm). P. aeruginosa에 의해 발생한 최대 구멍 깊이는 3개 샘플의 평균 최대 구멍 깊이를 기준으로 7일째에 0.52µm, 14일째에 0.69µm였습니다(각 샘플에 대해 최대 구멍 깊이 10개를 선택했습니다). 각각 0.42±0.12µm 및 0.52±0.15µm를 달성했습니다(표 5). 이러한 구멍 깊이 값은 작지만 중요합니다.
(a) 노출 전, (b) 비생물적 환경에서 14일, (c) Pseudomonas aeruginosa 배지에서 14일.
그림 8은 다양한 시료 표면의 XPS 스펙트럼을 보여주며, 각 표면에 대해 분석된 화학 조성은 표 6에 요약되어 있습니다. 표 6에서 P. aeruginosa(시료 A 및 B)가 존재할 때 Fe와 Cr의 원자 백분율은 비생물학적 대조군(시료 C 및 D)의 원자 백분율보다 훨씬 낮았습니다. P. aeruginosa 시료의 경우, Cr 2p 핵 수준의 스펙트럼 곡선은 결합 에너지(BE)가 각각 574.4, 576.6, 578.3 및 586.8 eV인 네 개의 피크 성분에 맞춰졌으며, 이는 각각 Cr, Cr2O3, CrO3 및 Cr(OH)3에 기인할 수 있습니다(그림 9a 및 b). 비생물학적 시료의 경우, 주요 Cr 2p 농도 스펙트럼에는 그림 9c와 d에서 각각 Cr(BE의 경우 573.80 eV)과 Cr2O3(BE의 경우 575.90 eV)에 대한 두 개의 주요 피크가 포함됩니다. 비생물학적 시료와 녹농균 시료의 가장 두드러진 차이점은 생물막 아래에 Cr6+가 존재하고 Cr(OH)3(BE의 경우 586.8 eV)의 상대적 비율이 더 높다는 것입니다.
두 가지 매체에서 샘플 2707 HDSS 표면의 광범위한 XPS 스펙트럼은 각각 7일과 14일입니다.
(a) P. aeruginosa에 7일간 노출, (b) P. aeruginosa에 14일간 노출, (c) 비생물적 환경에서 7일간 노출, (d) 비생물적 환경에서 14일간 노출.
HDSS는 대부분의 환경에서 높은 수준의 내식성을 나타냅니다. Kim et al.2는 HDSS UNS S32707이 PREN 값이 45 이상인 고합금 DSS로 확인되었다고 보고했습니다. 본 연구에서 2707 HDSS 시료의 PREN 값은 49였습니다. 이는 산성 환경 및 염화물 함량이 높은 환경에서 유용한 크롬 함량이 높고 몰리브덴과 니켈 함량이 높기 때문입니다. 또한, 균형 잡힌 조성과 결함 없는 미세 구조는 구조적 안정성과 내식성에 도움이 됩니다. 그러나 우수한 내화학성에도 불구하고, 본 연구의 실험 데이터는 2707 HDSS가 녹농균 바이오필름 MIC에 완전히 면역되지는 않았음을 시사합니다.
전기화학적 결과는 P. aeruginosa 배지에서 2707 HDSS의 부식 속도가 비생물학적 환경에 비해 14일 후에 상당히 증가했음을 보여주었습니다.그림 2a에서 Eocp의 감소는 처음 24시간 동안 비생물학적 배지와 P. aeruginosa 배지에서 모두 관찰되었습니다.그 후, 바이오필름이 샘플 표면을 완전히 덮고 Eocp는 비교적 안정됩니다36. 그러나 생물학적 Eocp 수준은 비생물학적 Eocp 수준보다 훨씬 높았습니다.이 차이가 P. aeruginosa 바이오필름 형성과 관련이 있다고 믿을 만한 이유가 있습니다.그림 2d에서 P. aeruginosa가 존재할 때 icorr 2707 HDSS 값은 0.627 μA cm-2에 도달했는데, 이는 비생물학적 대조군(0.063 μA cm-2)보다 훨씬 높았으며, 이는 EIS로 측정한 Rct 값과 일치했습니다. 처음 며칠 동안 P. aeruginosa 배지의 임피던스 값은 P. aeruginosa 세포의 부착과 바이오필름 형성으로 인해 증가했습니다. 그러나 바이오필름이 시료 표면을 완전히 덮으면 임피던스가 감소합니다. 보호층은 주로 바이오필름과 바이오필름 대사산물의 형성으로 인해 공격을 받습니다. 결과적으로 부식 저항성은 시간이 지남에 따라 감소하고 P. aeruginosa의 부착은 국소 부식을 유발했습니다. 비생물적 환경에서의 경향은 달랐습니다. 비생물학적 대조군의 부식 저항성은 P. aeruginosa 배지에 노출된 시료의 해당 값보다 훨씬 높았습니다. 또한 비생물학적 접근의 경우 Rct 2707 HDSS 값은 14일째에 489 kΩ cm2에 도달했으며, 이는 P. aeruginosa가 존재할 때의 Rct 값(32 kΩ cm2)보다 15배 높습니다. 따라서 2707 HDSS는 멸균 환경에서 우수한 내식성을 가지지만, P. aeruginosa 바이오필름의 MIC에는 내성이 없습니다.
이러한 결과는 그림 2b의 분극 곡선에서도 관찰할 수 있습니다. 양극 분지는 Pseudomonas aeruginosa 바이오필름 형성 및 금속 산화 반응과 관련이 있습니다. 이 경우 음극 반응은 산소의 환원입니다. P. aeruginosa의 존재는 부식 전류 밀도를 크게 증가시켜 비생물적 대조군보다 약 10배 더 높았습니다. 이는 P. aeruginosa 바이오필름이 2707 HDSS의 국부 부식을 향상시킨다는 것을 나타냅니다. Yuan et al.29은 P. aeruginosa 바이오필름의 작용으로 Cu-Ni 70/30 합금의 부식 전류 밀도가 증가한다는 것을 발견했습니다. 이는 Pseudomonas aeruginosa 바이오필름에 의한 산소 환원의 생물 촉매 작용 때문일 수 있습니다. 이 관찰은 또한 이 작업에서 MIC 2707 HDSS를 설명할 수 있습니다. 또한 호기성 바이오필름 아래에 산소가 적을 수도 있습니다. 따라서 이 연구에서는 금속 표면을 산소로 재수동화하는 것을 거부하는 것이 MIC에 영향을 미치는 요인일 수 있습니다.
Dickinson et al. 38은 화학 및 전기화학적 반응 속도가 시료 표면의 무착균의 대사 활동과 부식 생성물의 특성에 의해 직접적인 영향을 받을 수 있다고 제안했습니다. 그림 5와 표 5에서 볼 수 있듯이, 세포 수와 바이오필름 두께는 14일 후 감소했습니다. 이는 14일 후 2707 HDSS 표면의 무착균 대부분이 2216E 배지의 영양분 고갈 또는 2707 HDSS 매트릭스에서 독성 금속 이온 방출로 인해 사멸했기 때문으로 합리적으로 설명할 수 있습니다. 이는 배치 실험의 한계점입니다.
이 작업에서 P. aeruginosa 바이오필름은 2707 HDSS 표면의 바이오필름 아래에서 Cr과 ​​Fe의 국소적 고갈에 기여했습니다(그림 6). 표 6은 샘플 C와 비교하여 샘플 D에서 Fe와 Cr의 감소를 보여주며, P. aeruginosa 바이오필름에 의해 발생한 용해된 Fe와 Cr이 처음 7일 동안 지속되었음을 나타냅니다. 2216E 환경은 해양 환경을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 여기에는 17700ppm의 Cl-가 포함되어 있으며, 이는 자연 해수의 함량과 비슷합니다. 17700ppm의 Cl-의 존재는 XPS로 분석한 7일 및 14일 비생물적 샘플에서 Cr이 감소한 주된 이유였습니다. P. aeruginosa 샘플과 비교하여 비생물적 샘플에서 Cr의 용해는 비생물적 조건에서 2707 HDSS의 염소에 대한 강한 내성으로 인해 훨씬 ​​적었습니다. 그림 9에서는 부동태화 필름에 Cr6+가 존재하는 것을 보여줍니다. Chen과 Clayton이 제안한 바와 같이, 이것은 P. aeruginosa 바이오필름에 의한 강철 표면의 크롬 제거와 관련이 있을 수 있습니다.
박테리아 증식으로 인해 배양 전후 배지의 pH 값은 각각 7.4와 8.2였습니다. 따라서 녹농균 바이오필름 아래에서는 벌크 배지의 pH가 비교적 높기 때문에 유기산 부식이 본 연구에 영향을 미칠 가능성이 낮습니다. 비생물학적 대조 배지의 pH는 14일 시험 기간 동안 유의미한 변화(초기 7.4에서 최종 7.5)를 보이지 않았습니다. 배양 후 종균 배지의 pH 증가는 녹농균의 대사 활성에 기인하며, 시험지를 사용하지 않은 경우에도 pH에 동일한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
그림 7에서 볼 수 있듯이, P. aeruginosa 바이오필름에 의해 발생한 최대 피트 깊이는 0.69µm로, 비생물적 배지(0.02µm)보다 훨씬 깊습니다. 이는 위에서 설명한 전기화학적 데이터와 일치합니다. 0.69µm의 피트 깊이는 동일 조건에서 2205 DSS에 대해 보고된 9.5µm보다 10배 이상 작습니다. 이 데이터는 2707 HDSS가 2205 DSS보다 MIC에 대한 내성이 더 우수함을 보여줍니다. 이는 2707 HDSS가 더 높은 Cr 농도를 가지고 있어 부동태화 시간이 더 길고, P. aeruginosa의 부동태화 제거가 더 어렵고, 유해한 2차 침전 없이 균형 잡힌 상 구조로 인해 피트가 발생하기 때문에 놀라운 일이 아닙니다.
결론적으로, 녹농균 배지에서 2707 HDSS 표면의 MIC 구덩이가 발견되었지만, 비생물 환경에서는 미미한 구덩이가 발견되었습니다. 이 연구는 2707 HDSS가 2205 DSS보다 MIC에 대한 내성이 우수하지만, 녹농균 바이오필름으로 인해 MIC에 완전히 면역되지는 않음을 보여줍니다. 이러한 결과는 해양 환경에 적합한 스테인리스강의 선정 및 수명 연장에 도움이 될 것입니다.
중국 선양에 있는 Northeastern University(NEU) 야금학부에서 제공하는 2707 HDSS 쿠폰입니다. 2707 HDSS의 원소 조성은 표 1에 나와 있으며, NEU 재료 분석 및 시험 부서에서 분석했습니다. 모든 샘플은 1180°C에서 1시간 동안 고용체로 처리했습니다. 부식 테스트 전에 상단 개방 표면적이 1cm2인 동전 모양의 2707 HDSS를 탄화규소 사포로 2000그릿으로 연마한 다음 0.05µm Al2O3 분말 슬러리로 연마했습니다. 측면과 바닥은 불활성 페인트로 보호했습니다. 건조 후 샘플을 멸균 탈이온수로 세척하고 75%(v/v) 에탄올로 0.5시간 동안 멸균했습니다. 그런 다음 사용하기 전에 자외선(UV)에서 0.5시간 동안 공기 건조했습니다.
해양 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) MCCC 1A00099 균주는 중국 샤먼 해양배양센터(MCCC)에서 구입했습니다. 녹농균은 250ml 플라스크와 500ml 유리 전기화학 셀에서 Marine 2216E 액체배지(칭다오 희망 바이오테크놀로지(Qingdao Hope Biotechnology Co., Ltd.), 칭다오, 중국)를 사용하여 37°C의 호기성 조건에서 배양했습니다. 배지 함량(g/l): NaCl 19.45g, MgCl2 5.98g, Na2SO4 3.24g, CaCl2 1.8g, KCl 0.55g, Na2CO3 0.16g, KBr 0.08g, SrCl2 0.034g, SrBr2 0.08g, H3BO3 0.022g, NaSiO3 0.004g, 6NH26NH3 0.0016g, NH3 3.0016g, 펩톤 5.0g, 효모 추출물 1.0g, 구연산철 0.1g. 접종 전 121°C에서 20분간 고압증기멸균한다. 광학현미경 400배로 혈구계산기를 이용하여 무착세포와 플랑크톤 세포를 계수한다. 접종 직후 플랑크톤성 녹농균의 초기 농도는 약 106 세포/ml였습니다.
전기화학적 실험은 500ml의 중간 용량을 갖는 고전적인 3전극 유리 셀에서 수행되었습니다. 백금 시트와 포화 칼로멜 전극(SAE)은 염다리로 채워진 루긴 모세관을 통해 반응기에 연결되었으며, 이 염다리는 각각 상대 전극과 기준 전극 역할을 했습니다. 작동 전극을 제작하기 위해 고무 구리선을 각 시료에 부착하고 에폭시 수지로 덮어 한쪽 면에 약 1cm²의 보호되지 않은 공간을 남겨두었습니다. 전기화학적 측정 동안, 시료는 2216E 배지에 넣고 수조에서 일정한 배양 온도(37°C)를 유지했습니다. OCP, LPR, EIS 및 동적 전위 분극 데이터는 Autolab 전위차계(Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA)를 사용하여 측정했습니다. LPR 시험은 Eocp와 1Hz 샘플링 속도에서 -5~5mV 범위에서 0.125mV/s의 주사 속도로 기록되었습니다. EIS는 정상 상태 Eocp에서 5mV의 인가 전압을 사용하여 0.01~10,000Hz 주파수 범위에서 사인파로 수행되었습니다. 전위 스윕(potential sweep) 전, 전극은 자유 부식 전위가 안정된 값에 도달할 때까지 유휴 모드에 있었습니다. 그런 다음, 주사 속도 0.166mV/s에서 Eocp의 함수로 -0.2~1.5V 범위에서 분극 곡선을 측정했습니다. 각 시험은 P. aeruginosa를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 각각 3회 반복했습니다.
금속조직학적 분석을 위한 시료는 습식 2000 그릿 SiC 연마지를 사용하여 기계적으로 연마한 후, 광학적 관찰을 위해 0.05 µm Al2O3 분말 현탁액으로 추가 연마했습니다. 금속조직학적 분석은 광학 현미경을 사용하여 수행했습니다. 시료는 10 중량% 수산화칼륨 용액 43으로 에칭했습니다.
배양 후, 시료를 인산완충식염수(PBS)(pH 7.4 ± 0.2)로 3회 세척한 후, 2.5%(v/v) 글루타르알데히드로 10시간 동안 고정하여 바이오필름을 고정했습니다. 에탄올(50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 100% 부피비)로 탈수시킨 후 공기 건조했습니다. 마지막으로, SEM 관찰을 위한 전도도를 제공하기 위해 시료 표면에 금 필름을 증착했습니다. SEM 이미지는 각 시료 표면에서 가장 무균 상태인 녹농균(P. aeruginosa) 세포가 있는 지점에 초점을 맞추었습니다. EDS 분석을 수행하여 화학 원소를 찾았습니다. Zeiss 공초점 레이저 주사 현미경(CLSM)(LSM 710, Zeiss, Germany)을 사용하여 피트 깊이를 측정했습니다. 바이오필름 아래의 부식 구덩이를 관찰하기 위해 먼저 시험 샘플을 중국 국가 표준(CNS) GB/T4334.4-2000에 따라 세척하여 시험 샘플 표면에서 부식 생성물과 바이오필름을 제거했습니다.
X선 광전자 분광법(XPS, ESCALAB250 표면 분석 시스템, Thermo VG, USA) 분석은 단색 X선원(알루미늄 Kα선, 에너지 1500 eV, 출력 150 W)을 사용하여 –1350 eV의 표준 조건에서 넓은 결합 에너지 범위에서 수행되었습니다. 고분해능 스펙트럼은 50 eV의 투과 에너지와 0.2 eV의 간격을 사용하여 기록되었습니다.
배양된 샘플을 꺼내 PBS(pH 7.4±0.2)로 15초 동안 부드럽게 세척했습니다.45 샘플에서 바이오필름의 박테리아 생존력을 관찰하기 위해 LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit(Invitrogen, Eugene, OR, USA)를 사용하여 바이오필름을 염색했습니다. 이 키트에는 SYTO-9 녹색 형광 염료와 프로피듐 요오드(PI) 적색 형광 염료의 두 가지 형광 염료가 들어 있습니다. CLSM에서 형광 녹색과 적색 점은 각각 살아 있는 세포와 죽은 세포를 나타냅니다. 염색을 위해 SYTO-9 3 µl와 PI 용액 3 µl를 섞은 1ml의 혼합물을 실온(23°C)에서 20분 동안 어두운 곳에서 배양했습니다. 그런 다음 염색된 샘플을 Nikon CLSM 장치(C2 Plus, Nikon, Japan)를 사용하여 두 가지 파장(살아 있는 세포의 경우 488nm, 죽은 세포의 경우 559nm)에서 검사했습니다. 바이오필름 두께는 3D 스캐닝 모드로 측정했습니다.
본 논문 인용 방법: Li, H. et al. Pseudomonas aeruginosa 해양 바이오필름에 의한 2707 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 강의 미생물 부식. the science. 6, 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. 티오황산염이 존재하는 염화물 용액에서 LDX 2101 이중 스테인리스 강의 응력 부식 균열. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. 티오황산염이 존재하는 염화물 용액에서 LDX 2101 이중 스테인리스 강의 응력 부식 균열. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Коррозионное растрескивание под напряжением дуплексной нержавекий стали LDX 2101 в растворах хлоридов в присутствии тиосульфата. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. 티오황산염이 존재하는 염화물 용액에서 이중 스테인리스강 LDX 2101의 응력 부식 균열. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 双上스테인리스 스틸은 복대황산염분하남성성생于中图이미지剧情开裂. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Коррозионное растрескивание под напряжением дуплексной нержавекий стали LDX 2101 в растворе хлорида в присутствии тиосульфата. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. 티오황산염이 존재하는 염화물 용액에서 이중 스테인리스강 LDX 2101의 응력 부식 균열.코로스 사이언스 80, 205–212(2014).
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Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 염화물이 존재하는 다양한 pH의 알칼리성 용액에서 2205 이중 스테인리스 강의 전기화학적 거동. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 염화물이 존재하는 다양한 pH의 알칼리성 용액에서 2205 이중 스테인리스 강의 전기화학적 거동.Luo H., Dong KF, Lee HG 및 Xiao K. 염화물이 존재하는 다양한 pH의 알칼리성 용액에서 이중 스테인리스 스틸 2205의 전기화학적 거동. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 双了不锈钢在氯锈钢下不同pH 碱性溶液中的电chemical行为. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 알칼리성 용액에서 다양한 pH에서 염화물이 존재하는 쌍상 스테인리스 강의 전기화학적 거동.Luo H., Dong KF, Lee HG 및 Xiao K. 염화물이 존재하는 다양한 pH의 알칼리성 용액에서 이중 스테인리스 스틸 2205의 전기화학적 거동.전기화학. 잡지. 64, 211–220(2012).
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