Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Ăn mòn do vi sinh vật (MIC) là một vấn đề nghiêm trọng trong nhiều ngành công nghiệp, vì nó có thể dẫn đến tổn thất kinh tế lớn. Thép không gỉ siêu song pha 2707 (2707 HDSS) được sử dụng trong môi trường biển nhờ khả năng kháng hóa chất tuyệt vời. Tuy nhiên, khả năng chống MIC của nó chưa được chứng minh bằng thực nghiệm. Nghiên cứu này đã kiểm tra hành vi ăn mòn do vi sinh vật của thép 2707 HDSS gây ra bởi vi khuẩn hiếu khí biển Pseudomonas aeruginosa. Phân tích điện hóa cho thấy rằng khi có màng sinh học Pseudomonas aeruginosa trong môi trường 2216E, điện thế ăn mòn thay đổi theo chiều hướng tích cực và mật độ dòng điện ăn mòn tăng lên. Phân tích quang phổ điện tử tia X (XPS) cho thấy hàm lượng Cr trên bề mặt mẫu giảm dưới lớp màng sinh học. Phân tích trực quan các vết rỗ cho thấy màng sinh học P. aeruginosa tạo ra vết rỗ sâu tối đa là 0,69 µm trong 14 ngày ủ. Mặc dù con số này nhỏ, nhưng nó cho thấy rằng 2707 HDSS không hoàn toàn miễn nhiễm với MIC của màng sinh học P. aeruginosa.
Thép không gỉ song pha (DSS) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ sự kết hợp hoàn hảo giữa các đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn1,2. Tuy nhiên, hiện tượng rỗ cục bộ vẫn xảy ra và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của loại thép này3,4. DSS không có khả năng chống ăn mòn do vi sinh vật (MIC)5,6. Mặc dù DSS có phạm vi ứng dụng rộng rãi, vẫn có những môi trường mà khả năng chống ăn mòn của DSS không đủ cho việc sử dụng lâu dài. Điều này có nghĩa là cần phải có các vật liệu đắt tiền hơn với khả năng chống ăn mòn cao hơn. Jeon và cộng sự7 đã phát hiện ra rằng ngay cả thép không gỉ siêu song pha (SDSS) cũng có một số hạn chế về khả năng chống ăn mòn. Do đó, trong một số trường hợp, cần phải có thép không gỉ siêu song pha (HDSS) với khả năng chống ăn mòn cao hơn. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của HDSS hợp kim cao.
Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ song pha (DSS) phụ thuộc vào tỷ lệ pha alpha và gamma, cũng như sự suy giảm hàm lượng Cr, Mo và W ở các vùng 8, 9, 10 liền kề với pha thứ hai. Thép không gỉ nặng (HDSS) chứa hàm lượng Cr, Mo và N11 cao, do đó nó có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và giá trị cao (45-50) của chỉ số chống ăn mòn rỗ tương đương (PREN) được xác định bằng công thức: % khối lượng Cr + 3,3 (% khối lượng Mo + 0,5% khối lượng W) + 16% khối lượng N12. Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của nó phụ thuộc vào thành phần cân bằng, chứa khoảng 50% pha ferrit (α) và 50% pha austenit (γ). HDSS có tính chất cơ học tốt hơn và khả năng chống ăn mòn clorua cao hơn. Khả năng chống ăn mòn được cải thiện cho phép sử dụng HDSS trong môi trường clorua khắc nghiệt hơn, chẳng hạn như môi trường biển.
Ăn mòn do vi sinh vật (MIC) là một vấn đề lớn trong nhiều ngành công nghiệp như dầu khí và nước¹⁴. MIC chiếm 20% tổng số thiệt hại do ăn mòn¹⁵. MIC là một dạng ăn mòn điện hóa sinh học có thể quan sát được trong nhiều môi trường. Màng sinh học hình thành trên bề mặt kim loại làm thay đổi các điều kiện điện hóa, do đó ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn. Người ta tin rằng ăn mòn MIC là do màng sinh học gây ra. Vi sinh vật sinh điện ăn mòn kim loại để lấy năng lượng cần thiết cho sự sống¹⁷. Các nghiên cứu MIC gần đây đã chỉ ra rằng EET (truyền electron ngoại bào) là yếu tố giới hạn tốc độ trong MIC do vi sinh vật sinh điện gây ra. Zhang và cộng sự¹⁸ đã chứng minh rằng các chất trung gian electron đẩy nhanh quá trình truyền electron giữa các tế bào Desulfovibrio sessificans và thép không gỉ 304, dẫn đến sự tấn công MIC nghiêm trọng hơn. Anning và cộng sự¹⁹ và Wenzlaff và cộng sự²⁰ đã chỉ ra rằng màng sinh học của vi khuẩn khử sunfat ăn mòn (SRB) có thể trực tiếp hấp thụ electron từ chất nền kim loại, dẫn đến hiện tượng rỗ nghiêm trọng.
DSS được biết là dễ bị MIC trong môi trường chứa SRB, vi khuẩn khử sắt (IRB), v.v. 21. Những vi khuẩn này gây ra hiện tượng rỗ cục bộ trên bề mặt DSS dưới lớp màng sinh học22,23. Không giống như DSS, MIC của HDSS24 chưa được biết rõ.
Pseudomonas aeruginosa là một loại vi khuẩn Gram âm, di động, hình que, phân bố rộng rãi trong tự nhiên25. Pseudomonas aeruginosa cũng là một nhóm vi sinh vật chính trong môi trường biển, gây ra nồng độ MIC cao. Pseudomonas tham gia tích cực vào quá trình ăn mòn và được công nhận là tác nhân tiên phong trong quá trình hình thành màng sinh học. Mahat et al. 28 và Yuan et al. 29 đã chứng minh rằng Pseudomonas aeruginosa có xu hướng làm tăng tốc độ ăn mòn của thép nhẹ và hợp kim trong môi trường nước.
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là điều tra các đặc tính của vật liệu MIC 2707 HDSS gây ra bởi vi khuẩn hiếu khí biển Pseudomonas aeruginosa bằng các phương pháp điện hóa, phương pháp phân tích bề mặt và phân tích sản phẩm ăn mòn. Các nghiên cứu điện hóa, bao gồm điện thế mạch hở (OCP), điện trở phân cực tuyến tính (LPR), quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) và phân cực động điện thế, đã được thực hiện để nghiên cứu hành vi của vật liệu MIC 2707 HDSS. Phân tích phổ tán xạ năng lượng (EDS) được tiến hành để phát hiện các nguyên tố hóa học trên bề mặt bị ăn mòn. Ngoài ra, quang phổ quang điện tử tia X (XPS) được sử dụng để xác định độ ổn định của lớp màng oxit thụ động dưới ảnh hưởng của môi trường biển chứa Pseudomonas aeruginosa. Độ sâu của các vết rỗ được đo dưới kính hiển vi quét laser đồng tiêu (CLSM).
Bảng 1 thể hiện thành phần hóa học của thép không gỉ HDSS 2707. Bảng 2 cho thấy thép không gỉ HDSS 2707 có tính chất cơ học tuyệt vời với giới hạn chảy là 650 MPa. Hình 1 thể hiện cấu trúc vi mô quang học của thép không gỉ HDSS 2707 được xử lý nhiệt dung dịch. Trong cấu trúc vi mô chứa khoảng 50% pha austenit và 50% pha ferrit, có thể nhìn thấy các dải kéo dài của pha austenit và ferrit mà không có pha thứ cấp.
Hình 2a thể hiện điện thế mạch hở (Eocp) theo thời gian tiếp xúc của mẫu 2707 HDSS trong môi trường vô sinh 2216E và môi trường nuôi cấy P. aeruginosa trong 14 ngày ở 37°C. Kết quả cho thấy sự thay đổi lớn nhất và đáng kể nhất của Eocp xảy ra trong vòng 24 giờ đầu tiên. Giá trị Eocp trong cả hai trường hợp đều đạt đỉnh điểm ở mức -145 mV (so với SCE) vào khoảng 16 giờ và sau đó giảm mạnh, đạt -477 mV (so với SCE) và -236 mV (so với SCE) lần lượt đối với mẫu vô sinh và mẫu P. aeruginosa. Sau 24 giờ, giá trị Eocp của mẫu 2707 HDSS đối với P. aeruginosa tương đối ổn định ở mức -228 mV (so với SCE), trong khi giá trị tương ứng đối với mẫu không sinh học là khoảng -442 mV (so với SCE). Nồng độ Eocp khi có sự hiện diện của P. aeruginosa khá thấp.
Nghiên cứu điện hóa học của 2707 mẫu HDSS trong môi trường phi sinh học và môi trường nuôi cấy Pseudomonas aeruginosa ở 37 °C:
(a) Eocp theo thời gian phơi sáng, (b) đường cong phân cực vào ngày thứ 14, (c) Rp theo thời gian phơi sáng, và (d) icorr theo thời gian phơi sáng.
Bảng 3 trình bày các thông số ăn mòn điện hóa của 2707 mẫu HDSS tiếp xúc với môi trường vô sinh và môi trường có cấy Pseudomonas aeruginosa trong khoảng thời gian 14 ngày. Các tiếp tuyến của đường cong anot và catot được ngoại suy để thu được các điểm giao nhau cho mật độ dòng điện ăn mòn (icorr), điện thế ăn mòn (Ecorr) và độ dốc Tafel (βα và βc) theo các phương pháp tiêu chuẩn30,31.
Như thể hiện trong hình 2b, sự dịch chuyển lên trên của đường cong P. aeruginosa dẫn đến sự gia tăng Ecorr so với đường cong phi sinh học. Giá trị icorr, tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn, đã tăng lên 0,328 µA cm-2 trong mẫu Pseudomonas aeruginosa, gấp bốn lần so với mẫu không sinh học (0,087 µA cm-2).
LPR là một phương pháp điện hóa không phá hủy kinh điển để phân tích ăn mòn nhanh chóng. Nó cũng đã được sử dụng để nghiên cứu MIC32. Hình 2c cho thấy điện trở phân cực (Rp) là hàm số của thời gian tiếp xúc. Giá trị Rp càng cao thì mức độ ăn mòn càng ít. Trong 24 giờ đầu tiên, Rp của HDSS 2707 đạt đỉnh điểm ở mức 1955 kΩ cm2 đối với mẫu không sinh học và 1429 kΩ cm2 đối với mẫu Pseudomonas aeruginosa. Hình 2c cũng cho thấy giá trị Rp giảm nhanh chóng sau một ngày và sau đó duy trì tương đối không đổi trong 13 ngày tiếp theo. Giá trị Rp của mẫu Pseudomonas aeruginosa là khoảng 40 kΩ cm2, thấp hơn nhiều so với giá trị 450 kΩ cm2 của mẫu không sinh học.
Giá trị của icorr tỷ lệ thuận với tốc độ ăn mòn đồng đều. Giá trị này có thể được tính toán từ phương trình Stern-Giri sau:
Theo Zoe et al. 33, giá trị điển hình của độ dốc Tafel B trong nghiên cứu này được lấy là 26 mV/dec. Hình 2d cho thấy icorr của mẫu không sinh học 2707 vẫn tương đối ổn định, trong khi mẫu P. aeruginosa dao động mạnh sau 24 giờ đầu tiên. Giá trị icorr của mẫu P. aeruginosa cao hơn một bậc so với các mẫu đối chứng không sinh học. Xu hướng này phù hợp với kết quả về điện trở phân cực.
EIS là một phương pháp không phá hủy khác được sử dụng để đặc trưng hóa các phản ứng điện hóa trên bề mặt bị ăn mòn. Phổ trở kháng và giá trị điện dung tính toán của các mẫu tiếp xúc với môi trường phi sinh học và dung dịch Pseudomonas aeruginosa, điện trở màng thụ động/màng sinh học Rb hình thành trên bề mặt mẫu, điện trở truyền tải điện tích Rct, điện dung lớp điện kép Cdl (EDL) và các thông số phần tử pha QCPE không đổi (CPE). Các thông số này được phân tích thêm bằng cách khớp dữ liệu bằng mô hình mạch tương đương (EEC).
Hình 3 thể hiện đồ thị Nyquist điển hình (a và b) và đồ thị Bode (a' và b') cho 2707 mẫu HDSS trong môi trường phi sinh học và môi trường nuôi cấy P. aeruginosa ở các thời gian ủ khác nhau. Đường kính của vòng Nyquist giảm khi có sự hiện diện của Pseudomonas aeruginosa. Đồ thị Bode (Hình 3b') cho thấy sự gia tăng tổng trở kháng. Thông tin về hằng số thời gian thư giãn có thể thu được từ các cực đại pha. Hình 4 thể hiện cấu trúc vật lý dựa trên lớp đơn (a) và lớp kép (b) và các EEC tương ứng. CPE được đưa vào mô hình EEC. Độ dẫn và trở kháng của nó được biểu thị như sau:
Hai mô hình vật lý và mạch tương đương tương ứng để khớp phổ trở kháng của mẫu 2707 HDSS:
trong đó Y0 là giá trị KPI, j là số ảo hoặc (-1)1/2, ω là tần số góc, n là chỉ số công suất KPI nhỏ hơn một35. Sự đảo ngược điện trở truyền tải điện tích (tức là 1/Rct) tương ứng với tốc độ ăn mòn. Rct càng nhỏ thì tốc độ ăn mòn càng cao27. Sau 14 ngày ủ, Rct của các mẫu Pseudomonas aeruginosa đạt 32 kΩ cm2, thấp hơn nhiều so với 489 kΩ cm2 của các mẫu không sinh học (Bảng 4).
Hình ảnh CLSM và SEM trong Hình 5 cho thấy rõ ràng lớp màng sinh học phủ trên bề mặt mẫu HDSS 2707 sau 7 ngày rất dày đặc. Tuy nhiên, sau 14 ngày, độ phủ màng sinh học giảm đi và xuất hiện một số tế bào chết. Bảng 5 cho thấy độ dày màng sinh học trên mẫu HDSS 2707 sau khi tiếp xúc với P. aeruginosa trong 7 và 14 ngày. Độ dày màng sinh học tối đa thay đổi từ 23,4 µm sau 7 ngày xuống còn 18,9 µm sau 14 ngày. Độ dày màng sinh học trung bình cũng xác nhận xu hướng này. Nó giảm từ 22,2 ± 0,7 μm sau 7 ngày xuống còn 17,8 ± 1,0 μm sau 14 ngày.
(a) Hình ảnh CLSM 3D sau 7 ngày, (b) Hình ảnh CLSM 3D sau 14 ngày, (c) Hình ảnh SEM sau 7 ngày, và (d) Hình ảnh SEM sau 14 ngày.
EMF đã tiết lộ các nguyên tố hóa học trong màng sinh học và sản phẩm ăn mòn trên các mẫu tiếp xúc với P. aeruginosa trong 14 ngày. Hình 6 cho thấy hàm lượng C, N, O và P trong màng sinh học và sản phẩm ăn mòn cao hơn đáng kể so với kim loại nguyên chất, vì các nguyên tố này liên kết với màng sinh học và các chất chuyển hóa của chúng. Vi sinh vật chỉ cần một lượng nhỏ crom và sắt. Nồng độ Cr và Fe cao trong màng sinh học và sản phẩm ăn mòn trên bề mặt mẫu cho thấy ma trận kim loại đã mất các nguyên tố do ăn mòn.
Sau 14 ngày, các vết rỗ có và không có P. aeruginosa được quan sát thấy trong môi trường 2216E. Trước khi ủ, bề mặt của các mẫu nhẵn và không có khuyết tật (Hình 7a). Sau khi ủ và loại bỏ màng sinh học và các sản phẩm ăn mòn, các vết rỗ sâu nhất trên bề mặt của các mẫu được kiểm tra bằng CLSM, như thể hiện trong Hình 7b và c. Không tìm thấy vết rỗ rõ ràng nào trên bề mặt của các mẫu đối chứng không sinh học (độ sâu rỗ tối đa 0,02 µm). Độ sâu rỗ tối đa do P. aeruginosa gây ra là 0,52 µm sau 7 ngày và 0,69 µm sau 14 ngày, dựa trên độ sâu rỗ tối đa trung bình từ 3 mẫu (10 độ sâu rỗ tối đa được chọn cho mỗi mẫu). Kết quả đạt được lần lượt là 0,42 ± 0,12 µm và 0,52 ± 0,15 µm (Bảng 5). Các giá trị độ sâu lỗ này nhỏ nhưng quan trọng.
(a) trước khi tiếp xúc, (b) 14 ngày trong môi trường phi sinh học, và (c) 14 ngày trong môi trường nuôi cấy Pseudomonas aeruginosa.
Hình 8 và Bảng 8 thể hiện phổ XPS của các bề mặt mẫu khác nhau, và thành phần hóa học được phân tích cho mỗi bề mặt được tóm tắt trong Bảng 6. Trong Bảng 6, phần trăm nguyên tử của Fe và Cr khi có mặt P. aeruginosa (mẫu A và B) thấp hơn nhiều so với các mẫu đối chứng không sinh học (mẫu C và D). Đối với mẫu P. aeruginosa, đường cong phổ ở mức hạt nhân Cr 2p được phân tích thành bốn thành phần đỉnh với năng lượng liên kết (BE) là 574,4, 576,6, 578,3 và 586,8 eV, có thể được gán cho Cr, Cr2O3, CrO3 và Cr(OH)3 tương ứng (Hình 9a và b). Đối với các mẫu không sinh học, phổ ở mức Cr 2p chính chứa hai đỉnh chính cho Cr (573,80 eV cho BE) và Cr2O3 (575,90 eV cho BE) trong Hình 9a và 9b. Hình 9c và 9d lần lượt thể hiện điều này. Sự khác biệt nổi bật nhất giữa các mẫu không có vi sinh vật và các mẫu P. aeruginosa là sự hiện diện của Cr6+ và tỷ lệ tương đối cao hơn của Cr(OH)3 (BE 586,8 eV) dưới lớp màng sinh học.
Phổ XPS rộng của bề mặt mẫu 2707 HDSS trong hai môi trường lần lượt là 7 và 14 ngày.
(a) Tiếp xúc với P. aeruginosa trong 7 ngày, (b) Tiếp xúc với P. aeruginosa trong 14 ngày, (c) 7 ngày trong môi trường phi sinh vật, và (d) 14 ngày trong môi trường phi sinh vật.
Thép không gỉ HDSS thể hiện khả năng chống ăn mòn cao trong hầu hết các môi trường. Kim và cộng sự2 đã báo cáo rằng HDSS UNS S32707 được xác định là loại thép không gỉ song pha (DSS) có độ hợp kim cao với chỉ số PREN lớn hơn 45. Giá trị PREN của mẫu HDSS 2707 trong nghiên cứu này là 49. Điều này là do hàm lượng crom cao, hàm lượng molypden và niken cao, rất hữu ích trong môi trường axit và môi trường có hàm lượng clorua cao. Ngoài ra, thành phần cân bằng tốt và cấu trúc vi mô không có khuyết tật có lợi cho sự ổn định cấu trúc và khả năng chống ăn mòn. Tuy nhiên, mặc dù có khả năng kháng hóa chất tuyệt vời, dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu này cho thấy HDSS 2707 không hoàn toàn miễn nhiễm với các tác nhân gây ăn mòn do màng sinh học P. aeruginosa.
Kết quả điện hóa cho thấy tốc độ ăn mòn của thép không gỉ HDSS 2707 trong môi trường nuôi cấy P. aeruginosa tăng đáng kể sau 14 ngày so với môi trường không sinh học. Trong Hình 2a, sự giảm Eocp được quan sát thấy cả trong môi trường phi sinh học và trong môi trường nuôi cấy P. aeruginosa trong 24 giờ đầu tiên. Sau đó, màng sinh học bao phủ hoàn toàn bề mặt mẫu và Eocp trở nên tương đối ổn định36. Tuy nhiên, mức Eocp sinh học cao hơn nhiều so với mức Eocp phi sinh học. Có lý do để tin rằng sự khác biệt này có liên quan đến sự hình thành màng sinh học P. aeruginosa. Trên hình 2d, khi có mặt P. aeruginosa, giá trị icorr của thép không gỉ HDSS 2707 đạt 0,627 μA cm-2, cao hơn một bậc so với mẫu đối chứng phi sinh học (0,063 μA cm-2), phù hợp với giá trị Rct đo được bằng EIS. Trong vài ngày đầu, giá trị trở kháng trong môi trường nuôi cấy P. aeruginosa tăng lên do sự bám dính của tế bào P. aeruginosa và sự hình thành màng sinh học. Tuy nhiên, khi màng sinh học bao phủ hoàn toàn bề mặt mẫu, trở kháng giảm xuống. Lớp bảo vệ bị tấn công chủ yếu do sự hình thành màng sinh học và các chất chuyển hóa của màng sinh học. Do đó, khả năng chống ăn mòn giảm dần theo thời gian và sự bám dính của P. aeruginosa gây ra ăn mòn cục bộ. Xu hướng trong môi trường phi sinh học thì khác. Khả năng chống ăn mòn của mẫu đối chứng không sinh học cao hơn nhiều so với giá trị tương ứng của các mẫu tiếp xúc với môi trường nuôi cấy P. aeruginosa. Ngoài ra, đối với các mẫu tiếp xúc phi sinh học, giá trị Rct 2707 HDSS đạt 489 kΩ cm2 vào ngày thứ 14, cao gấp 15 lần so với giá trị Rct (32 kΩ cm2) khi có mặt P. aeruginosa. Do đó, thép không gỉ HDSS 2707 có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời trong môi trường vô trùng, nhưng không kháng được MIC từ màng sinh học P. aeruginosa.
Những kết quả này cũng có thể được quan sát từ các đường cong phân cực trong Hình 2b. Sự phân nhánh anot có liên quan đến sự hình thành màng sinh học Pseudomonas aeruginosa và các phản ứng oxy hóa kim loại. Trong trường hợp này, phản ứng catốt là sự khử oxy. Sự hiện diện của P. aeruginosa làm tăng đáng kể mật độ dòng điện ăn mòn, cao hơn khoảng một bậc so với đối chứng không có vi sinh vật. Điều này cho thấy màng sinh học P. aeruginosa làm tăng sự ăn mòn cục bộ của thép không gỉ HDSS 2707. Yuan et al.29 đã phát hiện ra rằng mật độ dòng điện ăn mòn của hợp kim Cu-Ni 70/30 tăng lên dưới tác động của màng sinh học P. aeruginosa. Điều này có thể là do sự xúc tác sinh học của quá trình khử oxy bởi màng sinh học Pseudomonas aeruginosa. Quan sát này cũng có thể giải thích hiện tượng ăn mòn do vi sinh vật (MIC) của thép không gỉ HDSS 2707 trong nghiên cứu này. Cũng có thể có ít oxy hơn dưới các màng sinh học hiếu khí. Do đó, việc không thể tái thụ động hóa bề mặt kim loại bằng oxy có thể là một yếu tố góp phần gây ra MIC trong nghiên cứu này.
Dickinson và cộng sự 38 cho rằng tốc độ phản ứng hóa học và điện hóa có thể bị ảnh hưởng trực tiếp bởi hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn bám dính trên bề mặt mẫu và bản chất của các sản phẩm ăn mòn. Như thể hiện trong Hình 5 và Bảng 5, số lượng tế bào và độ dày màng sinh học giảm sau 14 ngày. Điều này có thể được giải thích hợp lý bởi thực tế là sau 14 ngày, hầu hết các tế bào bám dính trên bề mặt 2707 HDSS đã chết do cạn kiệt chất dinh dưỡng trong môi trường 2216E hoặc do sự giải phóng các ion kim loại độc hại từ ma trận 2707 HDSS. Đây là một hạn chế của các thí nghiệm theo mẻ.
Trong nghiên cứu này, màng sinh học P. aeruginosa đã góp phần làm giảm cục bộ hàm lượng Cr và Fe dưới lớp màng sinh học trên bề mặt thép không gỉ HDSS 2707 (Hình 6). Bảng 6 cho thấy sự giảm hàm lượng Fe và Cr trong mẫu D so với mẫu C, cho thấy Fe và Cr hòa tan do màng sinh học P. aeruginosa gây ra vẫn tồn tại trong 7 ngày đầu tiên. Môi trường 2216E được sử dụng để mô phỏng môi trường biển. Nó chứa 17700 ppm Cl-, tương đương với hàm lượng của nó trong nước biển tự nhiên. Sự hiện diện của 17700 ppm Cl- là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm Cr trong các mẫu không có vi sinh vật sau 7 và 14 ngày được phân tích bằng XPS. So với các mẫu P. aeruginosa, sự hòa tan Cr trong các mẫu không có vi sinh vật ít hơn nhiều do khả năng kháng clo mạnh của thép không gỉ HDSS 2707 trong điều kiện không có vi sinh vật. Hình 9 cho thấy sự hiện diện của Cr6+ trong lớp màng thụ động. Nó có thể tham gia vào quá trình loại bỏ crom khỏi bề mặt thép bởi màng sinh học P. aeruginosa, như Chen và Clayton đã đề xuất.
Do sự phát triển của vi khuẩn, giá trị pH của môi trường trước và sau khi nuôi cấy lần lượt là 7,4 và 8,2. Vì vậy, bên dưới màng sinh học P. aeruginosa, sự ăn mòn axit hữu cơ khó có thể góp phần vào nghiên cứu này do pH tương đối cao trong môi trường tổng thể. pH của môi trường đối chứng không sinh học không thay đổi đáng kể (từ 7,4 ban đầu đến 7,5 cuối cùng) trong suốt 14 ngày thử nghiệm. Sự tăng pH trong môi trường nuôi cấy sau khi ủ là do hoạt động trao đổi chất của P. aeruginosa và được nhận thấy có tác động tương tự đến pH khi không có que thử.
Như thể hiện trong Hình 7, độ sâu rỗ tối đa do màng sinh học P. aeruginosa gây ra là 0,69 µm, lớn hơn nhiều so với môi trường phi sinh học (0,02 µm). Điều này phù hợp với dữ liệu điện hóa đã mô tả ở trên. Độ sâu rỗ 0,69 µm nhỏ hơn hơn mười lần so với giá trị 9,5 µm được báo cáo cho 2205 DSS trong cùng điều kiện. Những dữ liệu này cho thấy 2707 HDSS thể hiện khả năng chống ăn mòn do vi sinh vật tốt hơn so với 2205 DSS. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên vì 2707 HDSS có hàm lượng Cr cao hơn, giúp duy trì khả năng thụ động lâu hơn, khó làm mất khả năng thụ động của P. aeruginosa hơn, và do cấu trúc pha cân bằng mà không có sự kết tủa thứ cấp gây hại nên không gây ra hiện tượng ăn mòn.
Tóm lại, các vết rỗ MIC được tìm thấy trên bề mặt thép không gỉ 2707 HDSS trong môi trường nuôi cấy P. aeruginosa, so với các vết rỗ không đáng kể trong môi trường phi sinh học. Nghiên cứu này cho thấy thép không gỉ 2707 HDSS có khả năng kháng MIC tốt hơn thép không gỉ 2205 DSS, nhưng không hoàn toàn miễn nhiễm với MIC do màng sinh học P. aeruginosa. Những kết quả này hỗ trợ việc lựa chọn loại thép không gỉ phù hợp và dự đoán tuổi thọ cho môi trường biển.
Phiếu mua hàng cho thép không gỉ HDSS 2707 do Trường Luyện kim, Đại học Đông Bắc (NEU) tại Thẩm Dương, Trung Quốc cung cấp. Thành phần nguyên tố của thép không gỉ HDSS 2707 được thể hiện trong Bảng 1, được phân tích bởi Bộ phận Phân tích và Thử nghiệm Vật liệu của NEU. Tất cả các mẫu đều được xử lý để tạo dung dịch rắn ở 1180°C trong 1 giờ. Trước khi thử nghiệm ăn mòn, một mẫu thép không gỉ HDSS 2707 hình đồng xu với diện tích bề mặt hở phía trên là 1 cm2 được đánh bóng đến độ mịn 2000 grit bằng giấy nhám silicon carbide và sau đó được đánh bóng bằng hỗn hợp bột Al2O3 0,05 µm. Các mặt bên và đáy được bảo vệ bằng sơn trơ. Sau khi sấy khô, các mẫu được rửa bằng nước khử ion vô trùng và khử trùng bằng ethanol 75% (v/v) trong 0,5 giờ. Sau đó, chúng được sấy khô trong không khí dưới ánh sáng cực tím (UV) trong 0,5 giờ trước khi sử dụng.
Chủng vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa biển MCCC 1A00099 được mua từ Trung tâm Thu thập Mẫu Nuôi cấy Biển Hạ Môn (MCCC), Trung Quốc. Pseudomonas aeruginosa được nuôi cấy trong điều kiện hiếu khí ở 37°C trong bình tam giác 250 ml và bình điện hóa thủy tinh 500 ml sử dụng môi trường lỏng Marine 2216E (Công ty TNHH Công nghệ Sinh học Qingdao Hope, Thanh Đảo, Trung Quốc). Môi trường nuôi cấy chứa (g/l): 19,45 NaCl, 5,98 MgCl2, 3,24 Na2SO4, 1,8 CaCl2, 0,55 KCl, 0,16 Na2CO3, 0,08 KBr, 0,034 SrCl2, 0,08 SrBr2, 0,022 H3BO3, 0,004 NaSiO3, 0,016 6NH26NH3, 3,0016 NH3, 5,0 peptone, 1,0 chiết xuất nấm men và 0,1 sắt citrate. Tiệt trùng ở 121°C trong 20 phút trước khi cấy. Đếm số lượng tế bào bám dính và tế bào trôi nổi bằng buồng đếm hồng cầu dưới kính hiển vi quang học ở độ phóng đại 400x. Nồng độ ban đầu của vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa trôi nổi ngay sau khi cấy là khoảng 106 tế bào/ml.
Các thí nghiệm điện hóa được thực hiện trong một bình thủy tinh ba điện cực cổ điển với thể tích môi trường là 500 ml. Tấm bạch kim và điện cực calomel bão hòa (SAE) được nối với lò phản ứng thông qua các mao quản Luggin chứa cầu muối, lần lượt đóng vai trò là điện cực đối và điện cực tham chiếu. Để chế tạo điện cực làm việc, dây đồng bọc cao su được gắn vào mỗi mẫu và được phủ bằng nhựa epoxy, chừa lại khoảng 1 cm2 diện tích không được bảo vệ cho điện cực làm việc ở một phía. Trong quá trình đo điện hóa, các mẫu được đặt trong môi trường 2216E và giữ ở nhiệt độ ủ không đổi (37°C) trong bể nước. Dữ liệu OCP, LPR, EIS và phân cực động điện thế được đo bằng máy đo điện thế Autolab (Reference 600TM, Gamry Instruments, Inc., USA). Các thử nghiệm LPR được ghi lại ở tốc độ quét 0,125 mV s-1 trong phạm vi từ -5 đến 5 mV với Eocp và tốc độ lấy mẫu 1 Hz. Thí nghiệm EIS được thực hiện với sóng sin trong dải tần số từ 0,01 đến 10.000 Hz, sử dụng điện áp đặt vào là 5 mV ở trạng thái ổn định Eocp. Trước khi quét điện thế, các điện cực ở chế độ chờ cho đến khi đạt được giá trị ổn định của điện thế ăn mòn tự do. Sau đó, các đường cong phân cực được đo từ -0,2 đến 1,5 V theo hàm của Eocp với tốc độ quét là 0,166 mV/s. Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần có và không có P. aeruginosa.
Các mẫu để phân tích cấu trúc kim loại được đánh bóng cơ học bằng giấy nhám SiC 2000 grit ướt và sau đó được đánh bóng thêm bằng huyền phù bột Al2O3 0,05 µm để quan sát quang học. Phân tích cấu trúc kim loại được thực hiện bằng kính hiển vi quang học. Các mẫu được khắc bằng dung dịch kali hydroxit 10% trọng lượng 43.
Sau khi ủ, các mẫu được rửa 3 lần bằng dung dịch đệm phosphat (PBS) (pH 7,4 ± 0,2) và sau đó cố định bằng glutaraldehyde 2,5% (v/v) trong 10 giờ để cố định màng sinh học. Sau đó, mẫu được khử nước bằng ethanol theo từng nồng độ (50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% và 100% theo thể tích) trước khi làm khô bằng không khí. Cuối cùng, một lớp màng vàng được phủ lên bề mặt mẫu để tạo độ dẫn điện cho quan sát SEM. Hình ảnh SEM được tập trung vào các điểm có nhiều tế bào P. aeruginosa bám dính nhất trên bề mặt mỗi mẫu. Tiến hành phân tích EDS để tìm các nguyên tố hóa học. Kính hiển vi quét laser confocal Zeiss (CLSM) (LSM 710, Zeiss, Đức) được sử dụng để đo độ sâu của các hố. Để quan sát các vết ăn mòn dưới lớp màng sinh học, mẫu thử trước tiên được làm sạch theo Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc (CNS) GB/T4334.4-2000 để loại bỏ các sản phẩm ăn mòn và màng sinh học khỏi bề mặt mẫu thử.
Phân tích quang phổ điện tử tia X (XPS, hệ thống phân tích bề mặt ESCALAB250, Thermo VG, Hoa Kỳ) được thực hiện bằng cách sử dụng nguồn tia X đơn sắc (tia Kα của nhôm với năng lượng 1500 eV và công suất 150 W) trong phạm vi rộng các năng lượng liên kết 0 trong điều kiện tiêu chuẩn là –1350 eV. Phổ độ phân giải cao được ghi lại bằng cách sử dụng năng lượng truyền 50 eV và bước 0,2 eV.
Các mẫu đã ủ được lấy ra và rửa nhẹ nhàng bằng dung dịch PBS (pH 7,4 ± 0,2) trong 15 giây. Để quan sát khả năng sống sót của vi khuẩn trong màng sinh học trên các mẫu, màng sinh học được nhuộm bằng bộ kit LIVE/DEAD BacLight Bacterial Viability Kit (Invitrogen, Eugene, OR, USA). Bộ kit này chứa hai chất nhuộm huỳnh quang: chất nhuộm huỳnh quang xanh SYTO-9 và chất nhuộm huỳnh quang đỏ propidium iodide (PI). Trong kính hiển vi laser quét đồng tiêu (CLSM), các chấm huỳnh quang xanh và đỏ lần lượt đại diện cho tế bào sống và tế bào chết. Để nhuộm, 1 ml hỗn hợp chứa 3 µl dung dịch SYTO-9 và 3 µl dung dịch PI được ủ trong 20 phút ở nhiệt độ phòng (23°C) trong bóng tối. Sau đó, các mẫu đã nhuộm được kiểm tra ở hai bước sóng (488 nm cho tế bào sống và 559 nm cho tế bào chết) bằng thiết bị CLSM Nikon (C2 Plus, Nikon, Nhật Bản). Độ dày của màng sinh học được đo ở chế độ quét 3D.
Cách trích dẫn bài báo này: Li, H. et al. Ăn mòn vi sinh vật của thép không gỉ siêu song pha 2707 bởi màng sinh học biển Pseudomonas aeruginosa. Khoa học. 6, 20190. doi: 10.1038/srep20190 (2016).
Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha LDX 2101 trong dung dịch clorua khi có mặt thiosunfat. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha LDX 2101 trong dung dịch clorua khi có mặt thiosunfat. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Коррозионное растрескивание под напряжением дуплексной нержавеющей стали LDX 2101 в растворах хлоридов в присутствии тиосульфата. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha LDX 2101 trong dung dịch clorua khi có mặt thiosulfat. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 Bạn có thể làm được điều đó. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. LDX 2101 Chất liệu thép không gỉ có chứa sunfat. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Коррозионное растрескивание под напряжением дуплексной нержавеющей стали LDX 2101 в растворе хлорида в присутствии тиосульфата. Zanotto, F., Grassi, V., Balbo, A., Monticelli, C. & Zucchi, F. Hiện tượng nứt ăn mòn do ứng suất của thép không gỉ song pha LDX 2101 trong dung dịch clorua khi có mặt thiosulfat.coros khoa học 80, 205–212 (2014).
Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt dung dịch và nitơ trong khí bảo vệ đến khả năng chống ăn mòn rỗ của mối hàn thép không gỉ siêu song pha. Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt dung dịch và nitơ trong khí bảo vệ đến khả năng chống ăn mòn rỗ của mối hàn thép không gỉ siêu song pha.Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS và Park, YS. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt dung dịch và nitơ trong khí bảo vệ đến khả năng chống ăn mòn rỗ của mối hàn thép không gỉ siêu song pha. Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YS 固溶热处理和保护气体中的氮气对超双相不锈钢焊缝抗点蚀性能的影响。 Kim, ST, Jang, SH, Lee, IS & Park, YSKim, ST, Jang, SH, Lee, IS và Park, YS. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt dung dịch và nitơ trong khí bảo vệ đến khả năng chống ăn mòn rỗ của mối hàn thép không gỉ siêu song pha.Koros. Khoa học. 53, 1939–1947 (2011).
Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Nghiên cứu so sánh về mặt hóa học của hiện tượng rỗ ăn mòn do vi sinh vật và điện hóa trên thép không gỉ 316L. Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. Nghiên cứu so sánh về mặt hóa học của hiện tượng rỗ ăn mòn do vi sinh vật và điện hóa trên thép không gỉ 316L.Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. và Lewandowski, Z. Nghiên cứu hóa học so sánh về hiện tượng ăn mòn vi sinh và điện hóa trên thép không gỉ 316L. Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z. 微生物和电化学诱导的316L 不锈钢点蚀的化学比较研究。 Shi, X., Avci, R., Geiser, M. & Lewandowski, Z.Shi, X., Avchi, R., Geyser, M. và Lewandowski, Z. Nghiên cứu hóa học so sánh về hiện tượng rỗ bề mặt do vi sinh vật và điện hóa gây ra trên thép không gỉ 316L.Koros. Khoa học. 45, 2577–2595 (2003).
Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. Hành vi điện hóa của thép không gỉ song pha 2205 trong dung dịch kiềm có độ pH khác nhau khi có mặt clorua. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. Hành vi điện hóa của thép không gỉ song pha 2205 trong dung dịch kiềm có độ pH khác nhau khi có mặt clorua.Luo H., Dong KF, Lee HG và Xiao K. Hành vi điện hóa của thép không gỉ song pha 2205 trong dung dịch kiềm có độ pH khác nhau khi có mặt clorua. Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 Độ pH 碱性溶液中的电化学行为。 Luo, H., Dong, CF, Li, XG & Xiao, K. 2205 Hành vi điện hóa của thép không gỉ trong sự hiện diện của clorua ở các độ pH khác nhau trong dung dịch kiềm.Luo H., Dong KF, Lee HG và Xiao K. Hành vi điện hóa của thép không gỉ song pha 2205 trong dung dịch kiềm có độ pH khác nhau khi có mặt clorua.Tạp chí Điện hóa. 64, 211–220 (2012).
Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Ảnh hưởng của màng sinh học biển đến sự ăn mòn: Một đánh giá ngắn gọn. Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI Ảnh hưởng của màng sinh học biển đến sự ăn mòn: Một đánh giá ngắn gọn.Little, BJ, Lee, JS và Ray, RI. Ảnh hưởng của màng sinh học biển đến sự ăn mòn: Một đánh giá ngắn gọn. Little, BJ, Lee, JS & Ray, RI 海洋生物膜对腐蚀的影响：简明综述。 Little, BJ, Lee, JS & Ray, RILittle, BJ, Lee, JS và Ray, RI. Ảnh hưởng của màng sinh học biển đến sự ăn mòn: Một đánh giá ngắn gọn.Tạp chí Điện hóa. 54, 2-7 (2008).