呂玉翠， 姜國(guó)飛， 劉 芳， 王永強(qiáng)， 劉春爽， 孫 娟， 趙朝成

(中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

納米二氧化硅固定化脂肪酶改性環(huán)氧涂層的耐腐蝕性研究

呂玉翠， 姜國(guó)飛， 劉 芳， 王永強(qiáng)， 劉春爽， 孫 娟， 趙朝成

(中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

利用納米二氧化硅固定化脂肪酶對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性?？疾焱繉又兄久富钚宰兓?、改性前后環(huán)氧涂層的物理性能變化，以及改性涂層對(duì)A3碳鋼在循環(huán)水中的緩蝕性能影響。結(jié)果表明，添加2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶時(shí)，涂層中的脂肪酶活性能夠達(dá)到2300 U/g，涂層硬度為2 H，附著力為3級(jí)，用電化學(xué)法測(cè)得的涂層阻抗值最大，且顯著高于未添加固定化脂肪酶的環(huán)氧涂層，說(shuō)明添加固定化脂肪酶后環(huán)氧涂層的耐腐蝕性能得到提高。

脂肪酶；固定化；納米SiO2；環(huán)氧涂層；防腐蝕材料

換熱器是石化企業(yè)的主要設(shè)備，約占所有設(shè)備總量的1/4。由于存在腐蝕介質(zhì)濃度大、流體沖刷，以及換熱介質(zhì)易泄漏等問(wèn)題而使得換熱設(shè)備的腐蝕比一般設(shè)備的腐蝕要嚴(yán)重得多[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煉化企業(yè)由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失平均約占其產(chǎn)值的6%, 如果采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，則可以避免30%～40%的腐蝕損失[2]。目前，抑制設(shè)備腐蝕的方法主要有涂層防護(hù)、添加緩蝕劑和材料升級(jí)3種[1,3-6]，其中，單一的涂層防護(hù)或者添加緩蝕劑的方法不能滿足設(shè)備防腐的需要。因此向涂層中加入緩蝕劑以達(dá)到物理隔離作用和化學(xué)緩蝕作用二合一效果的改性涂層是研究熱點(diǎn)之一[7-8]，即利用納米多孔粒子對(duì)緩蝕劑進(jìn)行封裝固定后添加到涂層中，通過(guò)緩蝕劑的釋放來(lái)達(dá)到對(duì)金屬的緩蝕作用。目前用于涂層改性研究的緩蝕劑可分為無(wú)機(jī)緩蝕劑和有機(jī)緩蝕劑，但針對(duì)生物酶緩蝕劑應(yīng)用于涂層改性的研究國(guó)內(nèi)外還很少有報(bào)道。

水性環(huán)氧樹(shù)脂涂料具有環(huán)境友好、低毒、低黏度、易清潔、適應(yīng)性強(qiáng)、操作性好等優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸取代容易引起健康和環(huán)境污染問(wèn)題的揮發(fā)性環(huán)氧涂層[9-10]。但單一的水性環(huán)氧樹(shù)脂不能滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的需求，這就需要在環(huán)氧涂層中添加各種功能的材料，制備復(fù)合涂層以滿足應(yīng)用需求。深入探討具備不同功能的復(fù)合涂層作用機(jī)理，采取正確的防腐蝕措施減少經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

Wang等[11]曾經(jīng)研究了將固定化α-淀粉酶和葡萄糖氧化酶雙酶應(yīng)用于抗生物黏泥涂層的構(gòu)建，結(jié)果表明，含酶涂層的抗污效果十分顯著。筆者所在課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酶具有緩蝕性能[12-14]。但游離脂肪酶在應(yīng)用方面具有局限性，若采用一定方法和特定載體將游離生物酶固定化并制備防腐蝕涂層，則可以擴(kuò)大生物酶的應(yīng)用空間。

筆者以納米SiO2粒子作為固定化脂肪酶載體，構(gòu)建固定化酶，制備固定化脂肪酶/環(huán)氧復(fù)合涂層，考察改性前后環(huán)氧涂層的硬度和附著力變化，采用電化學(xué)法研究復(fù)合涂層的防腐蝕機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品

脂肪酶(酶活性>30000 U/g)，南京奧多福尼生物科技有限公司產(chǎn)品；納米SiO2、三丁酸甘油酯(98%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品；A3碳鋼，50 mm×20 mm×2 mm；水性環(huán)氧樹(shù)脂w1280及其固化劑，廣東市紅淇洋化工有限公司產(chǎn)品；無(wú)水乙醇、甲醇，分析純，四川西隴化工有限公司產(chǎn)品；丙酮、碳酸氫鈉、七水合硫酸鎂、氯化鈣、氫氧化鈉、硅烷偶聯(lián)劑KH-560、六偏磷酸鈉、無(wú)水磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 納米SiO2固定化脂肪酶的制備

將納米SiO2在真空干燥箱中干燥1 h后，取1.5 g干燥SiO2加入0.8 g/L脂肪酶溶液，于振蕩器中震蕩8 h進(jìn)行脂肪酶的裝載。取出后抽濾，用200 mL Na2HPO4-KH2PO4緩沖液(pH=8)洗滌數(shù)次，最后于30℃干燥箱內(nèi)烘干得固定化脂肪酶。

1.2.2 脂肪酶涂層的制備

稱取不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(占水性環(huán)氧樹(shù)脂質(zhì)量)的固定化脂肪酶粉末。采用機(jī)械攪拌和超聲分散的方法分散在水中，并加入一定量的分散劑進(jìn)行分散改性，然后加入5 g水性環(huán)氧樹(shù)脂，2000 r/min轉(zhuǎn)速下機(jī)械攪拌30 min，再超聲波分散30 min。于機(jī)械攪拌狀態(tài)下滴加固化劑，10 min后涂覆于經(jīng)丙酮和乙醇處理過(guò)的A3碳鋼上，懸掛于30℃烘箱中固化72 h。其制備流程如圖1所示。

圖1 納米SiO2固定化脂肪酶涂層制備流程圖Fig.1 Process flow diagram of epoxy resin coating modified by lipase immobilized on nano-silica

1.2.3 測(cè)試與表征

采用掃描電子顯微鏡(日本日立公司產(chǎn)品)觀察納米SiO2的微觀形貌；采用透射電子顯微鏡(日本電子(JEOL)產(chǎn)品)觀察納米SiO2的孔道結(jié)構(gòu)；采用介孔物理吸附儀(美國(guó) Micromeritics 公司產(chǎn)品)對(duì)納米SiO2進(jìn)行孔容、孔徑和比表面積的表征；采用FT-IR(美國(guó)尼高力公司產(chǎn)品)對(duì)納米SiO2、脂肪酶以及固定化脂肪酶進(jìn)行化學(xué)組成的定性分析。

采用滴定法測(cè)定固定化脂肪酶及其涂層的酶活性[15]。具體步驟如下：以三丁酸甘油酯為底物，將50 μL三丁酸甘油酯加入到6.0 mL、25 mmol/L、pH值8.0的Na2HPO4-KH2PO4緩沖溶液中，然后加入一定量的游離或固定化酶, 整個(gè)反應(yīng)體系置于37℃的恒溫水浴中劇烈攪拌15 min后加入10 mL的95%質(zhì)量分?jǐn)?shù)甲醇終止反應(yīng)，然后用 0.05 mol/L NaOH中和反應(yīng)中生成的酸，以酚酞為指示劑。定義在40℃、pH=7.5、1 g脂肪酸每分鐘水解釋放出 1 μmol游離有機(jī)酸所需的脂肪酶的量為一個(gè)活力單位，用E表示，單位U/g，計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中，c為NaOH的摩爾濃度，mol/L；Vsample為添加脂肪酶后滴定所消耗的NaOH的體積，mL；Vblank為空白滴定所消耗的NaOH的體積，mL；t為反應(yīng)時(shí)間，min；mE為加入酶量，mg。

試樣處理：將試樣用丙酮除油、乙醇清洗、冷風(fēng)吹干后放置在干燥器中備用。用刷涂法將制備的固定化脂肪酶/環(huán)氧復(fù)合涂層均勻涂刷在試樣上，涂層厚度(30±5) μm。

利用電化學(xué)工作站CHI660E(上海華辰儀器公司產(chǎn)品)對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)阻抗和極化曲線的測(cè)試。采用三電極體系測(cè)量，以處理后的試樣為工作電極(工作面積9.54 cm2)，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極。電解質(zhì)體系為配制的循環(huán)冷卻水，其水質(zhì)分析如表1所示。體系穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試，電化學(xué)阻抗測(cè)試頻率范圍為100 kHz～10 mHz，激勵(lì)信號(hào)幅值為5 mV，極化曲線掃描電壓范圍為開(kāi)路電壓±300 mV，掃描速率1 mV/s。

表1 試驗(yàn)用循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析Table 1 The analysis of circulating water quality index in experiment ρ/ (mg·L-1)

根據(jù)GB/T 6739-1996標(biāo)準(zhǔn)，采用鉛筆硬度法手動(dòng)測(cè)定涂層的硬度。根據(jù)ISO-2409標(biāo)準(zhǔn)，使用附著力測(cè)試儀采用劃格法進(jìn)行附著力測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2和固定化脂肪酶的表征分析

2.1.1 納米SiO2掃描電鏡和透射電鏡分析

圖2為納米SiO2的SEM圖和TEM圖。從圖2(a)可以看出，納米SiO2顆粒細(xì)小，顆粒之間有較為嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。因此需要對(duì)其進(jìn)行分散性改性。從圖2(b)可以看出，該納米SiO2粒徑分布在20～30 nm，有較為豐富的間隙孔。

2.1.2 納米SiO2氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)

圖3為納米SiO2的氮?dú)馕?脫附等溫線和孔徑分布圖。從圖3可以看出，納米SiO2的氮?dú)馕?脫附等溫線屬于IUPAC定義的Langmuir IV型，在相對(duì)壓力約為0.9處吸附曲線有明顯突變，且在吸附分支與脫附分支產(chǎn)生了H1型滯后環(huán)，說(shuō)明有圓柱狀孔存在，這是由N2在孔道中產(chǎn)生的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象引起的[16]。經(jīng)計(jì)算此納米SiO2比表面積為184.18 m2/g，孔容0.65 cm3/g，孔徑13～19 nm，同時(shí)具有小孔、介孔等不同規(guī)格的孔洞，可以作為固定化脂肪酶的載體。

圖2 納米SiO2的SEM圖和TEM圖Fig.2 SEM image and TEM image of nano-silica(a) SEM image; (b) TEM image

圖3 納米SiO2的氮?dú)馕?脫附等溫線和孔徑分布圖Fig.3 N2 adsorption desorption isotherms and pore size distribution of nano-silica microspheres sample

2.1.3 納米SiO2分散性分析

從圖3可以看出，顆粒之間有較為嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。六偏磷酸鈉((NaPO3)6)吸附在顆粒表面能提高顆粒間的靜電排斥作用能和位阻排斥作用能[17]，是一種較為常用的納米粉體分散劑。硅烷偶聯(lián)劑(KH-560)可在無(wú)機(jī)物和有機(jī)物之間形成架橋作用，廣泛應(yīng)用于納米SiO2在環(huán)氧涂層中的分散改性。因此筆者分別選用六偏磷酸鈉和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2進(jìn)行分散實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別如圖4所示。

圖4 六偏磷酸鈉和硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)分散率的影響Fig.4 Effect of the type and mass fraction of dispersants on the influence of slurry’s stability

從圖4可以看出，隨著六偏磷酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米SiO2分散率呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。在六偏磷酸鈉加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%時(shí)，SiO2的分散率最大，為70.71%，此時(shí)分散效果最好。與六偏磷酸鈉相同，隨著硅烷偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米SiO2分散率同樣呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，在硅烷偶聯(lián)劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，SiO2的分散率最大，為73.17%，此時(shí)分散效果最好。根據(jù)童劍[18]對(duì)納米材料的分散性研究，實(shí)驗(yàn)所得趨勢(shì)與其結(jié)果相同，即隨著分散劑含量的增加，分散率先增加后減小。從圖4還可以看出，硅烷偶聯(lián)劑的最大分散率要高于六偏磷酸鈉，并且質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 1.8%～3%之間的分散率也都要高于六偏磷酸鈉。因此筆者在下文采用3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2進(jìn)行分散。

2.1.4 固定化脂肪酶涂層表征

將固定化脂肪酶進(jìn)行紅外分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，在1647 cm-1和1541 cm-1區(qū)間存在蛋白質(zhì)的特征吸收峰，分別屬于酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶，其中酰胺Ⅰ帶特征吸收峰是在1600～1700 cm-1區(qū)間，包括蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)角、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角以及無(wú)規(guī)則卷曲[19]。酰胺Ⅱ帶特征吸收峰是在1500～1600 cm-1，主要是蛋白質(zhì)分子中的C—N伸縮振動(dòng)峰和N—H彎曲振動(dòng)峰。納米SiO2譜圖中，在472 cm-1、802 cm-1、1106 cm-1處分別是Si—O—Si彎曲振動(dòng)、對(duì)稱伸縮振動(dòng)和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1641 cm-1和3437 cm-1處是H—O—H彎曲振動(dòng)和—OH基團(tuán)伸縮振動(dòng)[20]。固定化脂肪酶譜圖中，存在上述的蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶，也存在Si—O—Si的特征吸收峰。因此說(shuō)明脂肪酶已經(jīng)被裝載在納米SiO2上。

圖5 納米SiO2、脂肪酶及固定化脂肪酶的紅外光譜圖Fig.5 FTIR spectra of lipase, nano-silica and immobilized lipase

2.2 固定化脂肪酶活性分析

按照1.2.3節(jié)的方法測(cè)定固定化脂肪酶活性，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著涂層中固定化脂肪酶含量的增加，表現(xiàn)出來(lái)的酶活性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)向涂層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的固定化脂肪酶時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的酶活性最高。

圖6 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的涂層相對(duì)酶活性Fig.6 Effect of the mass fraction of immobilized lipase on the activity of lipase in coatings

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水性環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)脂肪酶生物活性的影響，將游離脂肪酶、固定化脂肪酶及涂層脂肪酶表現(xiàn)出來(lái)的最大酶活性作對(duì)比。結(jié)果顯示，游離性脂肪酶的活性為6670 U/g，固定化脂肪酶的活性為480 U/g，而將固定化脂肪酶添加到水性環(huán)氧樹(shù)脂后，其活性反而升高，達(dá)到了2300 U/g。分析原因，水性環(huán)氧樹(shù)脂涂層中的活性環(huán)氧基團(tuán)與脂肪酶蛋白質(zhì)分子鏈上的氨基、巰基等發(fā)生反應(yīng)，使得

原本被覆蓋的脂肪酶分子能夠重新發(fā)揮活性[21]。

2.3 固定化脂肪酶環(huán)氧涂層硬度和附著力分析

表2為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的涂層硬度和附著力。從表2可以看出，涂層的鉛筆硬度在1 H、2 H之間，并且隨著固定化脂肪酶添加量的增加，硬度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。過(guò)少或者過(guò)多的固定化脂肪酶都會(huì)使涂層硬度降低，固定化脂肪酶添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～6%之間時(shí)，涂層有較高的硬度。這是因?yàn)樗砑拥募{米SiO2是具有剛性特征的粒子，可以使涂層的有機(jī)相與無(wú)機(jī)粒子之間形成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[22]，從而增強(qiáng)了其硬度。但是添加量過(guò)多時(shí)，由于其團(tuán)聚現(xiàn)象反而影響了涂層的致密性，使其硬度下降。圖7為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶涂層附著力測(cè)試照片。

表2 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的涂層硬度和附著力Table 2 The hardness and adhesion of coatings with different immobilized lipase mass fractions

1)GB/T6739-1996； 2)ISO-2409

圖7 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶涂層附著力測(cè)試照片F(xiàn)ig.7 The graphs of coatings with different immobilized lipase mass fractions after the testing of adhesion forcew(Immobilized lipase)/%: (a) 0；(b) 1；(c) 2；(d) 4；(e) 6；(f) 8

根據(jù)表2和圖7，涂層附著力等級(jí)在1～5之間，并且隨著固定化脂肪酶含量增加，附著力等級(jí)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)固定化脂肪酶的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，涂層的附著力最佳。這是因?yàn)榧{米粒子巨大的表面能提高了涂層與金屬之間不飽和鍵的結(jié)合強(qiáng)度，增大了涂層與基體金屬的結(jié)合力[22]。

2.4 固定化脂肪酶/環(huán)氧復(fù)合涂層電化學(xué)性能測(cè)定

圖8給出了添加不同量的固定化脂肪酶的環(huán)氧復(fù)合涂層浸泡24 h后的電化學(xué)阻抗譜。由圖8可以看出，經(jīng)過(guò)24 h浸泡后，腐蝕介質(zhì)已經(jīng)滲透到金屬基底表面，并生成腐蝕產(chǎn)物。添加不同固定化脂肪酶的涂層，其容抗弧不同，當(dāng)添加2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶時(shí)，容抗弧達(dá)到最大。這可能是2%納米粒子增強(qiáng)了雜化涂層的交聯(lián)度和致密度。同時(shí)，釋放出的脂肪酶分子由于存在N、O雜原子，容易與Fe的空軌道形成配位鍵，又由于脂肪酶分子的疏水性，使得金屬基體表面形成了一層疏水保護(hù)膜，從而增強(qiáng)了涂層的防護(hù)性能。

圖8 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的環(huán)氧復(fù)合涂層浸泡24 h后其電化學(xué)阻抗譜圖Fig.8 EIS plots for steel after 24 h immersion in circulating cooling water of epoxy resin coatings with different immobilized lipase mass fractionsZ’—Real part of impedance; Z”—Imaginary part of impedance

在阻抗模值與頻率關(guān)系圖(即Bode圖)中，低頻處的電阻對(duì)應(yīng)的是涂層電阻，其反映的是涂層的抗腐蝕能力大小[10]。高頻處的電阻對(duì)應(yīng)溶液電阻，反映的是體系導(dǎo)電能力大小[16]。圖9為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的環(huán)氧復(fù)合涂層浸泡24 h的波特圖。從圖9可以看出，添加1%和2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的涂層在低頻區(qū)的阻抗值較高，達(dá)到105Ω，而未添加固定化脂肪酶的涂層在低頻處的阻抗值僅為103Ω。

圖9 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的環(huán)氧復(fù)合涂層浸泡24 h的波特圖Fig.9 Bode plots at 24 h immersion in circulating cooling water of epoxy resin coatings with different immobilized lipase mass fractionsZ—Impedance

圖10為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的環(huán)氧復(fù)合涂層浸泡24 h的塔菲爾圖。由圖10可以看出，相比于單一環(huán)氧涂層，添加了固定化脂肪酶的涂層腐蝕電位明顯發(fā)生了正移，且腐蝕電流密度下降。尤其是添加了2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶涂層的腐蝕電流密度下降至最低。根據(jù)圖10的塔菲爾曲線，由塔菲爾外延交點(diǎn)法得出腐蝕電流密度，并按照式(2)，計(jì)算涂層中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶時(shí)，碳鋼的年腐蝕速率。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

(2)

式(2)中，R為年腐蝕速率，mm/a；A為相對(duì)原子質(zhì)量；Icorr為自腐蝕電流密度，A/cm2；n為電化學(xué)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，n=2；F為法拉第常數(shù)(1F=26.8 A·h)；ρ為金屬的密度，本文中ρ=7.85 g/cm3。

圖10 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的環(huán)氧復(fù)合涂層浸泡24 h的塔菲爾圖Fig.10 Tafel plots after 24 h immersion in circulating cooling water of epoxy resin coatings with different immobilized lipase mass fractions

w(Immobilizedlipase)/%Corrosionrate/(mm·a-1)00.07320010.00134020.00032640.00181060.02040080.047900

由表3可見(jiàn)，隨著涂層中固定化脂肪酶含量的增加，碳鋼的腐蝕速率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。固定化脂肪酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，碳鋼的年腐蝕速率最低，涂層的防腐蝕效果最好。

2.5 固定化脂肪酶環(huán)氧涂層浸泡實(shí)驗(yàn)分析

將涂覆2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶涂層的碳鋼片在循環(huán)水中浸泡30 d，期間間隔一定時(shí)間測(cè)其電化學(xué)阻抗譜，結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶環(huán)氧涂層在循環(huán)水中浸泡不同時(shí)間的交流阻抗譜圖Fig.11 EIS plots for steel in circulating cooling water with 2% mass fraction of immobilized lipase in epoxy resin at different immersion timeZ’—Real part of impedance; Z”—Imaginary part of impedance

從圖11可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，容抗弧先增大后減小，即涂層的防腐蝕性能先增強(qiáng)后減弱。初期階段，浸泡8 h后，容抗弧最大，涂層的阻抗達(dá)到最大；而浸泡48 h時(shí)，在阻抗譜圖低頻區(qū)出現(xiàn)了擴(kuò)散過(guò)程引起的擴(kuò)散阻抗[23-24]，說(shuō)明此時(shí)電解質(zhì)溶液已經(jīng)穿透涂層到達(dá)金屬基體的表面；浸泡10 d容抗弧繼續(xù)減小，腐蝕加劇；浸泡30 d后，涂層阻抗降到最低，涂層有明顯的起泡現(xiàn)象，碳鋼腐蝕嚴(yán)重，涂層基本失效。

2.6 單一環(huán)氧樹(shù)脂涂層浸泡實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步證明固定化脂肪酶在環(huán)氧涂層中的作用，與2.5節(jié)作對(duì)照試驗(yàn)，將單一環(huán)氧樹(shù)脂涂覆在碳鋼片上，測(cè)其在循環(huán)水中浸泡不同時(shí)間的交流阻抗譜圖，結(jié)果如圖12。

從圖12可以看出，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，單一環(huán)氧樹(shù)脂涂層的容抗弧呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，涂層的緩蝕性能逐漸減弱。對(duì)比圖11和12可以看出，相比于添加了2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶的環(huán)氧涂層，單一環(huán)氧樹(shù)脂涂層的最大容抗弧要小得多，且脂肪酶涂層的失效速率明顯低于單一環(huán)氧涂層。說(shuō)明固定化脂肪酶的存在增強(qiáng)了環(huán)氧樹(shù)脂的防腐蝕性能。

圖12 單一環(huán)氧樹(shù)脂涂層在循環(huán)水中浸泡不同時(shí)間的交流阻抗譜圖Fig.12 EIS plots for steel in circulating cooling water with single epoxy resin coating at different immersion time

2.7 比較不同配方涂層保護(hù)下碳鋼的腐蝕速率

表4為兩種涂層浸泡不同時(shí)間掛片的年腐蝕速率。由表4可以看出，在相同浸泡時(shí)間下，添加2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定化脂肪酶/環(huán)氧復(fù)合涂層，掛片的年腐蝕速率均低于單一環(huán)氧樹(shù)脂涂層。浸泡大約10 d 后，單一環(huán)氧涂層腐蝕嚴(yán)重，而2%固定化脂肪酶/環(huán)氧復(fù)合涂層仍具有一定的防腐蝕能力。

表4 兩種涂層浸泡不同時(shí)間掛片的年腐蝕速率Table 4 Corrosion rate of steel implied epoxy resin coatings with and without immobilized lipase at different immersion time

3 結(jié) 論

用SiO2為載體固定化脂肪酶，制備了固定化脂肪酶環(huán)氧復(fù)合涂層，并通過(guò)固定化脂肪酶添加量的變化，分析復(fù)合涂層的各種性能。具體結(jié)論如下：

(1)隨著涂層中固定化脂肪酶含量的增加，表現(xiàn)出來(lái)的酶活性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，且環(huán)氧樹(shù)脂不會(huì)降低固定化脂肪酶的酶活性。

(2)當(dāng)添加2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固定化脂肪酶時(shí)，涂層的硬度與附著力性能最佳。

(3)環(huán)氧樹(shù)脂中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固定化脂肪酶時(shí)表現(xiàn)出的涂層耐腐蝕性不同。當(dāng)添加2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固定化脂肪酶時(shí)，涂層防腐蝕效果最好，此時(shí)涂層可以維持48 h防腐特性，而單一環(huán)氧涂層下浸泡8 h后涂層阻抗值就發(fā)生明顯下降。且復(fù)合涂層保護(hù)下的金屬腐蝕率低于單一環(huán)氧涂層保護(hù)下的金屬。

[1] XU X Q, MIAO J, BAI Z Q, et al. The corrosion behavior of electroless Ni—P coating in Cl-/H2S environment[J].Applied Surface Science, 2012, 258(22): 8802-8806.

[2] 伊帆, 李德豪, 郎春燕, 等. 煉油廠循環(huán)冷卻水的腐蝕機(jī)理及緩蝕技術(shù)綜述[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2011, 21(6): 12-15. (YI Fan, LI Dehao, LANG Chunyan, et al. Review of erosive mechanism and inhibitory technology of circulating wastewater from oil refinery[J].Journal of Guangdong University of Petrochemical Technology, 2011, 21(6): 12-15.)

[3] ZHAO Q, WANG X. Heat transfer surfaces coated with fluorinated diamond-like carbon films to minimize scale formation[J].Surface and Coatings Technology, 2005, 192(1): 77-80.

[4] XU X Q, BAI Z Q, FANG Y R, et al. The influence of temperature on the corrosion resistance of 10#carbon steel for refinery heat exchanger tubes[J].Applied Surface Science, 2013, 280: 641-645.

[5] ZHAO X H, HAN Y, BAI Z Q, et al. The experiment research of corrosion behaviour about Ni-based alloys in simulant solution containing H2S/CO2[J].Electrochemical Acta, 2011, 56(22): 7725-7731.

[6] GOGOI P K, BARHAI B. Corrosion inhibition of carbon steel in open recirculating cooling water system of petroleum refinery by a multi-component blend containing zinc(II) diethyldithiocarbamate[J].Indian J Chem Technol, 2010, 17(4): 291-295.

[7] WILSON S A, JOURDAIN R P J, ZHANG Q I, et al. New materials for micro-scale sensors and actuators: An engineering review[J].Materials Science and Engineering: R: Reports, 2007, 56(1-6): 1-129.

[8] VOEVODINN N, GREBASCH N T, SOTO W S, et al. Potentiodynamic evaluation of sol-gel coatings with inorganic inhibitors[J].Surface and Coatings Technology, 2001, 140(1): 24-28.

[9] LIU S, GU L, ZHAO H, et al. Corrosion resistance of graphene-reinforced waterborne epoxy coatings[J].Journal of Materials Science & Technology, 2016, 32(5): 425-431.

[10] RAHMAN O U, KASHIF M, AHMAD S. Nanoferrite dispersed waterborne epoxy-acrylate: Anticorrosive nanocomposite coatings[J].Prog Org Coat, 2015, 80: 77-86.

[11] WANG H, JIANG Y, ZHOU L. Bienzyme system immobilized in biomimetic silica for application in antifouling coatings[J].Chin J Chem Eng, 2015, 23(8): 1384-1388.

[12] LIU F, ZHANG L, YAN X. Effect of diesel on corrosion inhibitors and application of bio-enzyme corrosion inhibitors in the laboratory cooling water system[J].Corrosion Science, 2015, 93: 293-300.

[13] 夏璐, 劉芳, 薛松, 等. 復(fù)合型殺菌劑對(duì)生物粘泥處理效果的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2011, 5(10): 2215-2220. (XIA Lu, LIU Fang, XUE Song, et al. Research on compound type biocides in biofouling control[J].Chinese Journal of Environment Engineering, 2011, 5(10): 2215-2220.)

[14] LU X H, LIU F, LU J J. The biological enzyme corrosion inhibitors in the circulating water system with diesel leak[J].Acta Petrolei Sinica (Petroleum Processing Section), 2013, 29(6): 1090-1095.

[15] YANG Y, BAI Y X, LI Y F, et al. Characterization of Candida rugosa lipase immobilized onto magnetic microspheres with hydrophilicity[J].Process Biochemistry, 2008, 43(11): 1179-1185.

[16] 孫偉, 尹桂來(lái), 劉福春, 等. 裝載緩蝕劑的納米SiO2對(duì)環(huán)氧涂層耐腐蝕性的影響[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 447-454. (SUN Wei, YIN Guilai, LIU Fuchun, et al. Influence of corrosion inhibitor carriered Nano-SiO2on corrosion resistance of epoxy coating[J].Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2015, 35(5): 447-454.)

[17] 龍濤, 馮其明, 盧毅屏. 六偏磷酸鈉在硫化銅鎳礦浮選中的分散機(jī)理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2012, 22(6): 1763-1769. (LONG Tao, FENG Qiming, LU Yiping. Dispersive mechanism of sodium hexametaphosphate on flotation of copper-nickel sulphide[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2012, 22(6):1763-1769.)

[18] 童劍. 納米漿料的制備及其在水性防腐涂料中的應(yīng)用[D].廣州: 華南理工大學(xué), 2010.

[19] 周朋, 陶玉貴, 曹寧, 等. 納米TiO2固載脂肪酶及其固載界面表征[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(2): 9-12. (ZHOU Peng, TAO Yugui, CAO Ning, et al. Study of nano-TiO2immobilized lipase[J].Journal of Anhui Polytechnic University, 2014, 29(2): 9-12.)

[20] 徐勇. 環(huán)氧系納米水性重防腐涂料的研究[D].長(zhǎng)沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2009.

[21] 雷青娟, 高保嬌, 張正國(guó). 陰離子型雙功能含環(huán)氧基團(tuán)酶固定化載體的制備及其固定辣根過(guò)氧化酶[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào), 2012, 12(5): 828-833. (LEI Qingjuan, GAO Baojiao, ZHANG Zhengguo. Preparation of anion-type bifunctional carrier with epoxy group and its immobilization of horseradish peroxidase[J].The Chinese Journal of Process Engineering, 2012, 12(5): 828-833.)

[22] 高偉. 納米改性環(huán)氧防腐涂料的制備與性能評(píng)價(jià)[D].南充: 西南石油大學(xué), 2012.

[23] 崔曉莉, 江志裕. 交流阻抗譜的表示及應(yīng)用[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2001, 30(4): 53-61. (CUI Xiaoli, JIANG Zhiyu. The plot formats and applications of electrochemical impedance spectroscopy[J].Journal of Shanghai Teachers University(Natural Science), 2001, 30(4): 53-61)

[24] 張鑒清, 曹楚南. 電化學(xué)阻抗譜方法研究評(píng)價(jià)有機(jī)涂層[J].腐蝕與防護(hù), 1998, 19(3): 99-104. (ZHANG Jianqing, CAO Chunan. Study and evaluation on organic coatings by electrochemical impedance spectroscopy[J].Corrosion & Protection, 1998, 19(3): 99-104.)

Corrosion Resistance of Epoxy Resin Coating Modified by Lipase Immobilized on Nano-Silica

Lü Yucui, JIANG Guofei, LIU Fang, WANG Yongqiang,LIU Chunshuang, SUN Juan, ZHAO Chaocheng

(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The lipase was immobilized on nano-silca and used as a modifying agent for epoxy resin. The effect of modification was evaluated by measuring the enzyme activity, physical properties and corrosion inhibition of coatings. As a result, the activity of lipase reached 2300 U/g, the hardness of coating reached level two and the adhesive force reached level three. The resistance reached the highest and was significantly higher than unmodified epoxy resin when 2% mass fraction immobilized lipase was added, which indicated that the immobilized lipase improved corrosion inhibition of epoxy resin.

lipase; enzyme immobilization; nano-silica; epoxy coating; anticorrosive material

2016-09-07

中國(guó)石油大學(xué)(華東)拔尖人才資助項(xiàng)目和中國(guó)石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新工程項(xiàng)目(YCXJ2016039)資助

呂玉翠，女，碩士研究生，從事水污染控制及水資源回用方面的研究

劉芳，女，教授，博士，從事水污染控制及水資源回用方面的研究；Tel：0532-86980608；E-mail：liufangfw@163.com

1001-8719(2017)04-0684-09

TG179

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.04.012