劉錦昆，張?zhí)焖?，王俊?qiáng)，張斐，李廣芳，劉宏芳

（1.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026；2.華中科技大學(xué) a.能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.材料化學(xué)與服役實(shí)效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 c.化學(xué)與化工學(xué)院，武漢 430074；3.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029）

隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，當(dāng)前已有眾多已經(jīng)建成和正在建設(shè)的海上平臺(tái)、海底管道、港口碼頭、跨海大橋等大型海洋基礎(chǔ)設(shè)施。犧牲陽極是這些海洋基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)常采用的陰極保護(hù)方法[1-3]。目前我國犧牲陽極具有龐大的市場(chǎng)需求，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座海上平臺(tái)的犧牲陽極需求量將近300 t，跨海大橋所用陽極的質(zhì)量多達(dá)數(shù)千噸[4]。此外，我國還是犧牲陽極出口大國，平均每年陽極出口量近萬噸，獲得產(chǎn)值巨大。當(dāng)前發(fā)展成熟的犧牲陽極主要有純鎂及鎂合金陽極、純鋅及鋅合金陽極、鋁合金陽極和鐵合金陽極。相比于鎂、鋅和鐵基陽極，鋁基犧牲陽極由于其低密度、大電容量、長壽命、原料易得且制造工藝簡單等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境下船舶和構(gòu)筑物的陰極保護(hù)系統(tǒng)[5]。

然而，鋁合金犧牲陽極在實(shí)際應(yīng)用中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)陰極保護(hù)失效的情況[6]。這種陰極保護(hù)失效是由于鋁陽極電流效率大幅降低，從而不能有效保護(hù)碳鋼基體的現(xiàn)象。對(duì)犧牲陽極系統(tǒng)而言，失效主要體現(xiàn)為兩個(gè)方面：陽極嚴(yán)重的自腐蝕和陽極溶解抑制[7-9]。這兩者都會(huì)降低鋁陽極保護(hù)電流效率，其中自腐蝕還會(huì)顯著縮短陽極的使用壽命[10]。目前關(guān)于提升鋁基犧牲陽極電流效率的研究大部分集中在改善陽極材料本身的性能，如添加適量的有益元素，減少有害雜質(zhì)元素，改善微觀組織結(jié)構(gòu)等[11-15]。然而鋁基犧牲陽極的保護(hù)效果不僅與材料本身有關(guān)，還與鋁陽極的服役環(huán)境密切相關(guān)[16]。

在實(shí)際工況條件下，存在多種使得鋁基犧牲陽極保護(hù)失效的因素，其中海洋環(huán)境中的生物污損附著，是導(dǎo)致鋁陽極陰極保護(hù)失效的重要原因之一[17-18]。這種由生物污損導(dǎo)致犧牲陽極陰極保護(hù)失效的現(xiàn)象，被稱為污損失效[19]。海洋生物污損是一種由于海洋生物在人造構(gòu)件上的附著與大量繁殖，從而嚴(yán)重影響構(gòu)件性能的現(xiàn)象，其中海洋環(huán)境中的金屬構(gòu)件往往更容易受到污損生物的腐蝕破壞[20]。根據(jù)污損生物的特性，海洋污損生物可分為3類：海洋微生物，如細(xì)菌、真菌及藻類；海洋軟體生物，如?？?、海綿等；硬質(zhì)海洋動(dòng)物，如藤壺、牡蠣等。目前對(duì)于海洋污損生物所造成危害及其防護(hù)的研究大部分集中于船艦、管道和海上平臺(tái)等設(shè)施[18,21]。除此以外，還有一些調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，生物污損會(huì)嚴(yán)重降低犧牲陽極材料的陰極保護(hù)效率，尤其是海洋環(huán)境中大量使用的鋁基犧牲陽極材料[22-24]。目前關(guān)于生物污損造成犧牲陽極材料失效的實(shí)地調(diào)查和機(jī)理研究較為有限，但這部分的研究卻十分重要。對(duì)于碳鋼基體而言，污損生物主要通過促進(jìn)腐蝕過程，從而導(dǎo)致碳鋼材料的服役失效[25]。但對(duì)于犧牲陽極而言，污損生物無論是促進(jìn)腐蝕還是抑制腐蝕，均會(huì)對(duì)犧牲陽極的陰極保護(hù)系統(tǒng)造成不利影響。當(dāng)犧牲陽極的自腐蝕被加劇時(shí)，其使用壽命將會(huì)大幅縮減[26-27]，而當(dāng)陽極腐蝕被抑制時(shí)，陽極溶解受阻，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流不能有效釋放，其保護(hù)效率則會(huì)顯著降低[19]，兩者均會(huì)造成犧牲陽極保護(hù)效果的衰退，甚至喪失。此外，目前尚無清理犧牲陽極表面的污損生物的有效措施，而關(guān)于針對(duì)犧牲陽極的生物污損防護(hù)方法的研究幾乎是空白。

文中針對(duì)海洋環(huán)境中廣泛使用的鋁基犧牲陽極材料，結(jié)合國內(nèi)外以往海洋生物污損和鋁基犧牲陽極服役情況的調(diào)查，綜述了鋁基犧牲陽極材料污損失效的形成原因和研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，探討了其防護(hù)方法，為犧牲陽極污損失效的研究及控制提供參考。

1 海洋環(huán)境下鋁基犧牲陽極污損失效的調(diào)查案例

實(shí)際調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，鋁基犧牲陽極的污損失效大部分出現(xiàn)在海洋環(huán)境。國內(nèi)外許多海洋平臺(tái)等設(shè)施的陰極保護(hù)系統(tǒng)中出現(xiàn)了由于生物污損導(dǎo)致的犧牲陽極失效的現(xiàn)象[28]。文中將結(jié)合實(shí)際調(diào)查中出現(xiàn)的案例，具體分析犧牲陽極失效的原因。

青島海鷗浮碼頭2015年大修期間，研究人員在檢修犧牲陽極時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的“陽極苞”現(xiàn)象[22]。這種“陽極苞”是由于鋁基犧牲陽極被海洋污損生物牢固包覆所形成的結(jié)果。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中最外層為苔蘚動(dòng)物形成的硬殼，污損生物以棕色苔蘚蟲為主，硬殼之下存在大量白色膏狀腐蝕產(chǎn)物，且犧牲陽極碳鋼骨架裸露。陽極苞的結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)“陽極苞”的微觀結(jié)構(gòu)和成分分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最外層硬殼為微孔絮狀，其孔徑為1~3 μm，可能是污損生物代謝作用形成的孔道，殼體由含有羰基、羥基、羧基的有機(jī)質(zhì)構(gòu)成。大量的白色腐蝕產(chǎn)物中，Al和O的含量最高，此外還含有S和少量Na、Cl等元素。這種白色腐蝕產(chǎn)物所構(gòu)成的陽極泥顯示出明顯的非晶體結(jié)構(gòu)。該青島碼頭的犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)在服役的5 a期間，陰極保護(hù)電位從最初的?1030~?1010 mV降低到?760~?660 mV（vs.Ag/AgCl）[29]。

圖1 青島海鷗浮碼頭“陽極苞”的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[29]Fig.1 Appearance and internal structure of "anode bract" of Qingdao seagull floating dock[29]

這種“陽極苞”的現(xiàn)象并非偶然，在我國現(xiàn)除青島海鷗浮碼頭外，其他海域海上平臺(tái)同樣出現(xiàn)過大量類似的“陽極苞”現(xiàn)象。在南海潿洲油田[30]，勝利油田渤海埕島海上采油平臺(tái)以及南海東方油氣田中，均發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，且污損生物對(duì)該部分海域鋁基犧牲陽極所造成的失效影響更大[31]。在勝利油田埕島油田平臺(tái)中，不少采油平臺(tái)的水下部分（鋼基體和犧牲陽極）表面遭受大量污損生物的覆蓋，其中污損生物最大附著厚度達(dá)到20 cm。在南海潿洲油田，僅投產(chǎn)運(yùn)行1 a的采油平臺(tái)，水下結(jié)構(gòu)表面已被污損生物嚴(yán)重附著[32]。針對(duì)南海潿洲油田W12-1采油平臺(tái)的污損生物調(diào)查結(jié)果顯示，遭受污損生物覆蓋的犧牲陽極，附著生物的縫隙間涌出白色腐蝕產(chǎn)物，而該犧牲陽極已經(jīng)不能有效釋放保護(hù)電流。超聲測(cè)厚儀對(duì)該采油平臺(tái)的大量監(jiān)測(cè)位點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果顯示，大量附著的污損生物已經(jīng)使得該平臺(tái)犧牲陽極的陰極保護(hù)系統(tǒng)無法提供保護(hù)電流，而與犧牲陽極相連的鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了腐蝕[33]。牡蠣、藤壺、珍珠貝是該處附著生物的主要類型，而清除犧牲陽極表面附著的污損生物，并使陽極重新活化已經(jīng)成為解決該問題的當(dāng)務(wù)之急。在南海東方油氣田，采油平臺(tái)鋼樁上的犧牲陽極同樣被大量污損生物牢固覆蓋，當(dāng)附著微生物被剝離時(shí)，內(nèi)部的犧牲陽極仍為其原始形態(tài)[34]。這意味著被覆蓋的犧牲陽極幾乎沒有發(fā)揮任何陰極保護(hù)的作用。

在國內(nèi)外的其他海上采油平臺(tái)中，犧牲陽極的污損失效現(xiàn)象同樣廣泛存在。R.G.J.Edyvean[35]研究了北海海域的生物污損，結(jié)果表明，北海海域的生物污損對(duì)該地區(qū)的海洋平臺(tái)及犧牲陽極系統(tǒng)構(gòu)成很大的威脅。Ian K.Bartol[36]的研究結(jié)果表明，漲潮落潮會(huì)顯著影響對(duì)牡蠣等污損生物對(duì)采油平臺(tái)的附著。S.George[37]的調(diào)查結(jié)果表明，墨西哥北部石油鉆井平臺(tái)受到多種污損生物的嚴(yán)重影響。剛果某公司檢測(cè)了非洲西海岸某采油平臺(tái)的犧牲陽極系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原本設(shè)計(jì)使用壽命為20 a的鋁基犧牲陽極，僅僅使用10 a就出現(xiàn)了保護(hù)電流明顯下降，保護(hù)效果喪失的情況，隨后被迫增加犧牲陽極的使用量[19]。此外，鋁基材料犧牲陽極也會(huì)影響一些海洋生物的生命活動(dòng)。有研究發(fā)現(xiàn)，海水中鋁陽極溶出的鋁離子會(huì)被某些貽貝生物吸收[38]，這或許會(huì)使得一些污損生物選擇性地吸附在鋁基犧牲陽極表面。

2 鋁基犧牲陽極污損失效原因分析

鋁基犧牲陽極在海洋環(huán)境中受到生物污損的影響，從而導(dǎo)致陰極保護(hù)失效的原因主要有兩種：海洋污損生物直接促進(jìn)了犧牲陽極的腐蝕；污損生物的覆蓋導(dǎo)致犧牲陽極溶解受阻，不能有效釋放保護(hù)電流。污損生物無論是促進(jìn)腐蝕還是抑制腐蝕，均會(huì)對(duì)犧牲陽極的陰極保護(hù)系統(tǒng)造成不利影響，這兩種因素最終均可導(dǎo)致犧牲陽極服役效果下降。

2.1 海洋微生物對(duì)犧牲陽極材料的腐蝕

犧牲陽極材料在海水中受到的微生物腐蝕（Microbiologically influenced corrosion, MIC）是導(dǎo)致其陰極保護(hù)失效的主要原因之一[27]。微生物腐蝕是由微生物的自身生命活動(dòng)及其代謝產(chǎn)物直接或間接地加速金屬材料腐蝕過程的現(xiàn)象[39-40]。海水中存在大量能夠?qū)饘俨牧袭a(chǎn)生腐蝕效果的微生物，鋁基犧牲陽極材料作為一種溶解活性較強(qiáng)的金屬材料，同樣會(huì)受到多種微生物的影響。增加鋁基犧牲陽極活化溶解的同時(shí)，減少陽極的自腐蝕一直是改善陽極性能的重要方式[41]。鋁基犧牲陽極性能的下降，往往與海洋環(huán)境中微生物促進(jìn)的自腐蝕相關(guān)。其中硫酸鹽還原菌（Sulfate reducing bacteria, SRB）是廣泛存在于海水和海泥中的能引起金屬嚴(yán)重腐蝕的一類厭氧細(xì)菌。目前關(guān)于SRB引起的腐蝕及其防護(hù)方法的研究還主要集中于碳鋼[42-43]。然而，SRB不僅能夠加劇碳鋼的腐蝕，還能對(duì)鋁基犧牲陽極的腐蝕產(chǎn)生促進(jìn)作用。目前關(guān)于硫酸還原菌對(duì)鋁犧牲陽極腐蝕的影響僅有一些少量的報(bào)道。

Liu等[26]研究了Al-Zn-In-Mg-Ti和Al-Zn-In-Sn兩種鋁基犧牲陽極在含有SRB海泥中的腐蝕行為，結(jié)果表明，鋁基犧牲陽極表面附著了大量SRB及其代謝產(chǎn)物（如圖2所示），鋁陽極在含有SRB海泥中的腐蝕速率明顯大于無菌海泥，并伴隨更嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，說明SRB對(duì)鋁基犧牲陽極的腐蝕溶解起到了促進(jìn)作用[24]。此外，Liu等[44]還研究發(fā)現(xiàn)，SRB同樣可以對(duì)其他犧牲陽極的腐蝕造成影響，鋅陽極在有SRB和無SRB的海泥中能夠形成腐蝕原電池，含菌海泥中的鋅陽極為電偶對(duì)的陽極，而無菌部分為電偶對(duì)的陰極。Song等[45]研究了硫酸鹽還原菌和海藻希瓦氏菌對(duì)犧牲陽極腐蝕的影響，結(jié)果表明，在兩種細(xì)菌共存條件下，希瓦氏菌能夠消耗環(huán)境中的氧氣，為硫酸鹽還原菌提供適宜的生存環(huán)境，從而使得犧牲陽極的腐蝕速率加快。Guan等[46]報(bào)道了SRB誘導(dǎo)的Al-Zn-In-Cd犧牲陽極鋁合金和5052鋁合金的腐蝕機(jī)理，結(jié)論表明，SRB能明顯促進(jìn)兩種鋁基材料在海水中的腐蝕，但腐蝕機(jī)理不同。對(duì)于Al-Zn-In-Cd犧牲陽極鋁合金，SRB通過胞外電子傳遞的方式促進(jìn)腐蝕的陰極過程，從而加劇腐蝕，且其腐蝕產(chǎn)物在SRB的作用下，從Al(OH)3和Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2S3和NaAlO2。5052鋁合金的腐蝕則是由于SRB代謝產(chǎn)物引起的陽極加速作用導(dǎo)致。

圖2 海泥中硫酸鹽還原菌對(duì)鋁基犧牲陽極的腐蝕形貌[26]Fig.2 Corrosion morphology of aluminum sacrificial anodes by sulfate reducing bacteria in sea mud[26]

關(guān)于硫酸鹽還原菌導(dǎo)致金屬材料腐蝕機(jī)理的研究目前已比較成熟，相關(guān)的作用機(jī)理對(duì)鋁基犧牲陽極同樣適用。SRB導(dǎo)致的腐蝕與其在金屬表面形成的生物膜密切相關(guān)，一般認(rèn)為微生物膜的形成經(jīng)歷以下階段[25]：1）無極離子的礦化作用與有機(jī)大分子的吸附在金屬表面形成納米級(jí)的吸附膜；2）環(huán)境中的微生物向材料表面移動(dòng)并吸附；3）微生物在材料表面生長、繁殖、代謝，并形成早期生物膜；4）生物膜逐漸成熟穩(wěn)定；5）隨時(shí)間推移，細(xì)菌出現(xiàn)衰亡，部分生物膜脫落。

對(duì)于SRB而言，其生物膜下的腐蝕過程還具有自己的特點(diǎn)：1）作為厭氧菌，SRB形成生物膜時(shí)，會(huì)代謝產(chǎn)生大量胞外聚合物（EPS），有助于厭氧環(huán)境的形成，而且EPS能夠絡(luò)合溶解的金屬離子，在增加生物膜致密性的同時(shí)，促進(jìn)腐蝕的發(fā)生[47]。2）生物陰極理論（Biocatalytic cathodic sulfate reduction,BCSR）認(rèn)為，生物膜下的SRB能夠直接吸收陽極金屬材料的電子，誘導(dǎo)并促進(jìn)腐蝕發(fā)生[48-50]。該理論認(rèn)為，微生物腐蝕的陰極過程發(fā)生在SRB的細(xì)胞中，并解釋了微生物為什么要腐蝕金屬以及腐蝕的具體過程。該理論同樣可以解釋鋁合金在存在SRB環(huán)境中的腐蝕行為。Chen等[51]研究了鋁合金在海洋微生物作用下的腐蝕行為，結(jié)果顯示，海水中的SRB能夠破壞鋁合金鈍化膜，減小鋁合金的鈍化效果，加快以點(diǎn)蝕為主的腐蝕。Guan認(rèn)為SRB在鋁合金表面能夠改變金屬材料和海水介質(zhì)的界面特性，同時(shí)SRB參與電子傳遞過程并造成的陰極去極化效應(yīng)，加劇了鋁合金的腐蝕[52]（如圖3所示），相應(yīng)的腐蝕過程可表示如下：

圖3 硫酸鹽還原菌對(duì)鋁基犧牲陽極材料腐蝕機(jī)理[46]Fig.3 Corrosion mechanism of SRB on sacrificial aluminum anode[46]

根據(jù)以上分析和討論可以看出，海水和海泥中的SRB能夠促進(jìn)犧牲陽極材料的腐蝕，這種由于海水中細(xì)菌直接導(dǎo)致的犧牲陽極材料的腐蝕會(huì)縮短犧牲陽極的使用壽命，進(jìn)而減小陰極保護(hù)效果。

2.2 海洋污損生物附著導(dǎo)致的犧牲陽極溶解抑制

盡管海水中存在能直接促進(jìn)犧牲陽極材料腐蝕的細(xì)菌，但海水還存在很多能夠吸附在金屬材料表面，對(duì)犧牲陽極的溶解產(chǎn)生抑制效果的污損生物[53-54]。大量污損生物附著在鋁基犧牲陽極表面，導(dǎo)致陽極的裸露面積顯著減少，從而使得陰極保護(hù)電流不能有效釋放，這是犧牲陽極材料陰極保護(hù)失效的另一個(gè)重要原因。

吸附在材料表面并抑制犧牲陽極溶解的污損生物不僅限于細(xì)菌等微生物，還包括大型海洋污損生物。在海洋的全浸區(qū)，鋁基材料表面發(fā)現(xiàn)有大量牡蠣、苔蘚蟲、石灰蟲和海藻等大量污損生物的吸附[55]。污損生物在犧牲陽極表面的附著大致可以分為初期、發(fā)展、穩(wěn)定3個(gè)階段。污損生物層由初期的細(xì)菌形成的微生物膜逐步發(fā)展為含有多種大型污損生物的生物群落，相應(yīng)的吸附厚度和致密程度也不斷增加，牢固的污損生物吸附最終導(dǎo)致犧牲陽極材料的“窒息”。具體的污損生物群落形成描述如下[56]：鋁基犧牲陽極浸入海水中后，短時(shí)間內(nèi)被大分子有機(jī)物等聚合物覆蓋，形成最初的調(diào)節(jié)膜。隨后海水中的細(xì)菌開始附著，附著的細(xì)菌在表面生長繁殖，進(jìn)一步產(chǎn)生EPS等代謝產(chǎn)物，增加細(xì)菌和基體材料之間的粘附，并形成穩(wěn)定的微生物膜，該過程是一個(gè)較長期的不可逆吸附。犧牲陽極表面存在的穩(wěn)定細(xì)菌生物膜為大型污損生物的孢子和幼蟲的吸附提供了基礎(chǔ)。海洋藻類孢子和浮游生物幼蟲依靠微生物膜提供的營養(yǎng)和粘附條件，在犧牲陽極表面不斷生長發(fā)育，最終形成復(fù)雜的大型污損生物群落。在我國南部海域以及一些熱帶海域，由于沒有季節(jié)的變化，海水中的季節(jié)性優(yōu)勢(shì)物種種類單一，缺乏更替[19]，穩(wěn)定的污損生物吸附層在犧牲陽極表面一旦形成，幾乎不可能自然脫落。那么這種在陽極表面長期且致密吸附的污損生物就會(huì)導(dǎo)致“生物封閉滯流層”效應(yīng)[57]。鋁基犧牲陽極表面由最初的金屬/海水的敞開體系轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K的金屬/生物層/海水的封閉或半封閉體系，擴(kuò)散滲透成為離子傳遞的主要方式。局部封閉的環(huán)境對(duì)大型鋼材基體而言，可能會(huì)造成氧濃差腐蝕，而對(duì)于尺寸較小的犧牲陽極材料，這種幾乎全封閉的環(huán)境會(huì)極大地抑制金屬陽極溶解的發(fā)生。此外，還有研究表明，一些海洋細(xì)菌所形成的早期微生物膜對(duì)鋁基材料就已經(jīng)有明顯的溶解抑制作用[58]。

根據(jù)以上分析，混合電位理論機(jī)理分析（如圖4所示）可以很好地解釋陽極溶解抑制對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的危害。在污損生物附著前，與犧牲陽極相連接的碳鋼的耦合電位低，碳鋼腐蝕電流密度與自腐蝕狀態(tài)相比，也明顯降低，說明此時(shí)碳鋼處于良好的陰極保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)犧牲陽極表面被污損生物附著后，由于污損生物的覆蓋，導(dǎo)致鋁陽極溶解反應(yīng)的極化電阻增大，陽極溶解反應(yīng)受阻。在腐蝕的陰極過程不變的情況下，鋁基犧牲陽極的自腐蝕電位升高，進(jìn)一步導(dǎo)致碳鋼-鋁陽極的耦合電位升高。此時(shí)碳鋼所處的保護(hù)電位正移，耦合電位下的腐蝕電流密度上升，碳鋼基體腐蝕速率加快，并逐漸接近自然狀態(tài)下的腐蝕速率，犧牲陽極的陰極保護(hù)效果出現(xiàn)明顯衰退。

圖4 混合電位理論解析鋁基犧牲陽極材料污損失效機(jī)理Fig.4 Analysis of fouling failure mechanism of aluminum-based sacrificial anode materials by mixed potential theory

3 鋁基犧牲陽極材料污損失效的防護(hù)方法的探討

目前關(guān)于鋁基犧牲陽極材料污損失效的防護(hù)方法的研究工作非常有限。犧牲陽極材料由于其特殊的性質(zhì)和用途，使得常規(guī)的生物污損防護(hù)方法對(duì)其并不適用[59]。防止?fàn)奚枠O污損失效的關(guān)鍵是防止污損生物在材料表面的吸附和生長繁殖，然而合適的防護(hù)方法必須達(dá)到兩個(gè)方面的要求：有效阻止污損生物的附著；不能影響犧牲陽極的正常溶解和釋放陰極保護(hù)電流。因此艦船和海洋平臺(tái)鋼樁管道等常用的涂層防護(hù)法以及超疏水表面處理對(duì)于鋁基犧牲陽極并不適用[60-63]。此外，犧牲陽極的服役環(huán)境往往是開放的海水環(huán)境，且吸附的污損生物層厚度遠(yuǎn)大于其腐蝕產(chǎn)物層或細(xì)菌微生物膜的厚度[33,56]，那么殺菌劑或許也不是污損失效的有效防護(hù)方法。因此探索有針對(duì)性的犧牲陽極污損失效的防護(hù)方法十分迫切，且具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。文中結(jié)合近年來一些生物污損防護(hù)法，討論可用于犧牲陽極污損失效的防護(hù)措施。

在金屬材料中添加抗菌元素是一種抑制微生物腐蝕和生物污損的常用方法。其中銅、銀、鋅是抗菌金屬材料中最為常見的添加元素。許多研究表明，添加了銅或銀元素的不銹鋼或碳鋼材料表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能[64-65]。然而對(duì)于鋁基犧牲陽極，額外的元素添加必須非常慎重，因?yàn)殇X基犧牲陽極材料中的微量元素會(huì)對(duì)陽極的溶解和放電性能造成明顯的影響。銅元素雖然是一種被廣泛認(rèn)可的抗菌元素，但微量銅元素的添加會(huì)極大地破壞鋁基犧牲陽極的溶解性能，降低陰極電流釋放效果[6]。相關(guān)的研究表明，過量的Cu會(huì)使鋁基犧牲陽極產(chǎn)生具有強(qiáng)附著力的腐蝕產(chǎn)物[4]，阻止鋁陽極的進(jìn)一步溶解，反而會(huì)加重陰極保護(hù)失效的情況。Manfred K?ller等[66]將銀量子點(diǎn)與鉑族元素（Pt、Pd、Ir）結(jié)合，制備了能夠高效抗菌的犧牲陽極薄膜。Manfred K?ller的研究表示，該犧牲陽極薄膜中的銀量子點(diǎn)能夠快速溶解并高效釋放銀離子，從而產(chǎn)生良好的抗菌和抗生物吸附的性能。然而由于需要用到貴金屬元素，該方法在實(shí)際應(yīng)用中或許面臨成本極高的問題。

除添加抗菌元素外，電解防污技術(shù)也是一種適用于海洋環(huán)境下常用而有效的生物污損防護(hù)方法。通過電解海水在電解池的陽極上生成氯氣，同時(shí)電解池的陰極生成氫氧化鈉，氯氣與氫氧化鈉反應(yīng)生成次氯酸鈉，起到高效的殺菌除污效果。犧牲陽極附近的次氯酸鈉濃度達(dá)到0.01 mg/L時(shí)，即可產(chǎn)生顯著的抗生物污損效果[67]。除化學(xué)防護(hù)方法外，磁場(chǎng)等物理因素在一定程度上可以對(duì)微生物的附著和對(duì)金屬的腐蝕造成影響[68]。在低頻靜磁場(chǎng)作用下，SRB等細(xì)菌的生命活動(dòng)會(huì)受到抑制。弱磁場(chǎng)存在時(shí)，SRB等細(xì)菌的生長明顯減慢，對(duì)金屬的腐蝕作用減弱[69]。因此，電解防污和磁場(chǎng)抑制的方法對(duì)于犧牲陽極的污損失效的防護(hù)或許有一定的可行性。

4 結(jié)語

鋁基犧牲陽極污損失效的現(xiàn)象在海洋環(huán)境下廣泛存在，對(duì)鋼材基體的服役造成了極大的安全隱患。目前關(guān)于鋁陽極污損失效的調(diào)查已獲得一些典型的案例，污損生物的種類和分布及其造成犧牲陽極失效原因的研究也取得了一定的成果。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)和表征分析技術(shù)的不斷發(fā)展[70]，犧牲陽極污損失效的成因?qū)⑦M(jìn)一步被揭開。然而，實(shí)際應(yīng)用中尚缺乏有效的污損失效防護(hù)措施，鋁基犧牲陽極由于其獨(dú)特性，使得相應(yīng)的防護(hù)方法的研究面臨一定的困難和挑戰(zhàn)。對(duì)該領(lǐng)域的研究將進(jìn)一步提升海洋設(shè)施的安全運(yùn)行，有助于我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)。