[发明专利]一种基于生物矿化原理控制碳钢腐蚀和制备纳米材料的方法

说明书

本发明属于金属腐蚀防护与纳米材料制备技术领域，具体涉及一种基于生物矿化原理控制碳钢腐蚀和制备纳米材料的方法，本发明通过利用细菌影响金属离子的矿化过程，在金属表面形成致密的生物矿化膜，从而抑制金属的腐蚀，显著降低了金属在海水中的腐蚀速率。而且本发明的生物矿化涂层能够利用细菌的活性实现自修复，能够在温和条件下大规模制备生物矿化防护涂层，成本也较小。另外，利用生物矿化的原理也可以制备具有特殊形貌的纳米功能材料。因此，本发明不仅可以通过形成生物涂层的方式抑制金属腐蚀，同时兼具纳米材料合成的作用，在海洋工程装备的腐蚀控制以及功能纳米材料的合成和应用领域具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于金属腐蚀防护与纳米材料制备技术领域，具体涉及一种基于生物矿化原理控制碳钢腐蚀和制备纳米材料的方法。

背景技术

碳钢因其原料丰富、易于加工、价格低廉且具有良好的工艺性能等优点，被广泛应用于生产生活中。其中X80钢由于其优越的机械强度和韧性，在石油和天然气行业有着广泛的应用。然而X80钢仍然存在严重的腐蚀问题，尤其是局部腐蚀问题。局部腐蚀是导致X80钢腐蚀穿孔和后续服务失效的关键原因之一，造成了巨大的经济损失及严重的安全事故。X80管线钢在自然状态下就会自发发生腐蚀，尤其是在复杂的海洋环境中，X80钢必然会发生更严重的腐蚀。在海洋环境中，高浓度的氯离子和高盐环境为电化学腐蚀的发生和扩展提供了有利条件，同时也存在着大量的生物和微生物。而在海水中，钢的腐蚀一半以上都与微生物腐蚀有关。微生物腐蚀(Microbiologically Influenced Corrosion，MIC)是指微生物通过自身生命活动或代谢产物直接或间接影响金属腐蚀的现象。金属的腐蚀行为和机理与微生物的种类、生物活性、代谢、微生物的生长和死亡以及生物膜的形成等密切相关。生物膜的结构和成分，包括胞外聚合物(EPS)、腐蚀产物、细胞数量、生物膜的致密或疏松程度，都会影响金属的腐蚀行为。而且生物膜的结构和成分差异甚至会导致相反的腐蚀结果。

生物矿化(Biomineralization)是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。与一般矿化最大的不同在于有生物大分子、生物体代谢、细胞、有机基质的参与，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。碳钢的微生物腐蚀导致腐蚀产物膜形成的过程，也可以称为生物矿化。生物矿化膜的结构决定了钢的腐蚀行为，致密的生物矿化膜具有对基底良好的保护作用，而多孔疏松的钝化膜则可以促进金属材料的腐蚀。传统的腐蚀控制方法主要是使用涂层，但是涂层在服役过程中很容易因各种因素导致破损失效，而且涂层很难具有良好的自修复功能。此外，在海洋高温、高盐、高湿及微生物多样性的环境中，涂层更易剥离失效。因此，如何提高海洋工程装备的服役寿命，构筑可控的防腐涂层是未来的发展方向之一。而通过生物矿化的作用在金属材料表面原位构筑一层致密的防腐涂层，利用生物自身的活性有望实现动态的修复，从而起到长久的保护效果。另外，功能纳米材料广泛应用于各个学科领域，如何实现纳米材料的可控大规模制备依然是一个研究的挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于生物矿化原理控制碳钢腐蚀和制备纳米材料的方法，利用微生物的生物矿化原理直接在金属材料表面原位构筑纳米生物矿化涂层，从而起到良好的腐蚀控制效果，并提高防护涂层的寿命，同时兼具合成纳米材料。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明一方面提供了一种基于生物矿化原理控制碳钢腐蚀的方法，即利用微生物的矿化原理在金属表面形成一层致密的生物矿化膜，从而达到抑制金属腐蚀的目的，所述生物矿化膜是由粒径小于10nm的纳米颗粒组成。

优选地，上述的一种基于生物矿化原理控制碳钢腐蚀的方法，具体方法为：将金属浸泡在含微生物的溶液中，利用微生物的生物矿化原理在金属表面形成一层致密的生物矿化膜，从而达到抑制金属腐蚀的目的，所述生物矿化膜是由粒径小于10nm的纳米颗粒组成。