Cl?/SO?2?离子以及硫酸盐还原菌对接地网腐蚀的协同作用：性能、代谢产物及作用机制

《Journal of Environmental Management》：Synergistic effects of Cl?/SO 42? and sulfate-reducing bacteria on the grounding grid corrosion: performance, metabolites and mechanisms

本研究探究Cl?/SO?2?浓度比例及硫酸盐还原菌（SRB）对Q235钢和镀锌钢接地网腐蚀的影响，发现Cl?优先渗透氧化膜导致Q235严重腐蚀，镀锌钢腐蚀率随比例升高先增后减，揭示化学-生物耦合腐蚀机制，为防护提供理论依据。

　　

张玉贤|张兰合|刘慧|张明双|李可可

中国吉林省吉林市东北电力大学化学工程学院，132012

摘要

由于土壤中丰富的阴离子和微生物的存在，输电设备的接地网会受到腐蚀，这对电力系统构成了威胁。本研究探讨了不同浓度的Cl^?/SO₄^2?比值以及硫酸盐还原菌（SRB）对接地网腐蚀的影响，并揭示了复杂环境中的化学生物耦合腐蚀机制。结果表明，随着Cl^?/SO₄^2?比值的增加，Q235钢的腐蚀速率有所改善。当Cl^?/SO₄^2?比值为5时，Q235钢的腐蚀电流（Icorr）达到最大值159.650 μA cm^?2，腐蚀最为严重。相比之下，镀锌钢的腐蚀速率在Cl^?/SO₄^2?比值升高初期有所增加，随后逐渐下降；当该比值为7.5时，Icorr达到最大值7.332 μA cm^?2。在镀锌层的保护下，镀锌钢的整体腐蚀速率明显低于Q235钢。由于Cl^?的离子半径小且渗透能力强，它优先进入氧化膜的空隙并加速金属溶解；而SO₄^2?则促进了SRB的阴极去极化过程，从而促进了金属的阳极溶解。本研究的结果对于土壤中金属腐蚀的防护及控制措施的及时调整具有重要的指导意义。

引言

接地网的可靠运行对电力系统的效率和安全性至关重要（Bai等人，2025年）。然而，由于长期埋设于土壤中，接地网不可避免地会发生腐蚀和老化（Dan等人，2024年；Wang和Qin，2024年）。在电力传输系统中，超过17%的腐蚀事件源于接地网（Zhang等人，2020年）。

来自采矿和工业的Cl^?和SO₄^2?进入土壤，改变了生物地球化学条件和微生物群落，进而影响了铁和硫的氧化还原循环以及金属的腐蚀过程（Lan等人，2025a，2025b）。土壤中的可溶性盐离子（如Cl^?和SO₄^2?）是加速金属腐蚀的关键化学因素。Cl^?促进金属点蚀腐蚀的机制主要包括吸附理论和钝化膜理论。Zhang等人（2025年）指出，Cl^?具有很强的吸附性能，能够占据金属表面的氧空位，并可能与钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，从而加速阳极溶解。Song等人（2017年）研究了不同浓度Cl^?下钢和球墨铸铁的腐蚀情况，发现Cl^?通过改变腐蚀路径并直接参与腐蚀反应来影响腐蚀产物的组成，α-FeOOH和氧化铁是主要的腐蚀产物。SO₄^2?会影响腐蚀产物膜的形成及其在钢基材上的致密性。Sun等人（2021年）发现，随着土壤中NaCl和Na₂SO₄浓度的增加，X80钢的极化电阻（Rp）整体呈下降趋势，同时腐蚀坑明显加深和扩大。Ma等人（2018年）使用正交统计方法研究了阴离子在盐渍土壤中对X80钢腐蚀的差异影响。实验表明，在3.0 mmol/kg的SO₄^2?盐渍土壤中，X80钢腐蚀严重，电流密度为4.9 × 10^?7A/cm²，金属表面形成了较大的腐蚀坑。化学离子腐蚀会损害材料的完整性，并为微生物腐蚀创造有利条件。

除了化学因素外，以SRB为代表的微生物在金属腐蚀过程中也起着不可或缺的作用。SRB是工程环境中普遍存在的微生物，在微生物影响腐蚀（MIC）中起着重要作用。作为厌氧菌，它们在低氧环境中生长，并通过从多种来源获取电子将硫酸盐还原为硫化物（Xie等人，2021年；Xu等人，2020年；Niu等人，2018年）。它们产生的硫化氢（H₂S）作为一种直接的腐蚀剂，促进了金属表面硫化物膜的形成，导致局部点蚀和严重的腐蚀损伤（Wang等人，2020年；Chen等人，2019年）。关于SRB介导的MIC的机制包括阴极去极化和生物催化的阴极硫酸盐还原（Huang等人，2021年；Chen等人，2025年）。最近的研究重点在于阐明SRB腐蚀与其他环境因素的相互作用机制。Qian等人（2025年）研究了Fe²⁺在SRB作用下对铜的厌氧腐蚀的影响，发现Fe²⁺诱导了SRB相关蛋白基因的转录激活，显著增强了编码4Fe-4S结构域的基因表达，促进了SRB的代谢活动，增加了硫化氢的产生和铜的腐蚀。Cai等人（2025年）揭示了H₂条件下SRB在X80管道钢中的腐蚀机制。氢气的引入增强了SRB的代谢活性，促进了硫酸盐向硫化物的还原以及金属的氢脆化。Liu等人（Xie等人，2023b）研究了碳钢管道中的微生物腐蚀，并探讨了铁氧化菌（IOB）和SRB在不同阶段对碳钢腐蚀的影响。在IOB和SRB共存的情况下，腐蚀过程分为两个阶段：在初始腐蚀阶段，混合微生物的存在抑制了金属腐蚀；在后期腐蚀阶段，SRB加速了结瘤腐蚀。这些研究表明，SRB腐蚀并非孤立发生，而是容易受到环境中化学和物理因素的相互作用影响（Sun等人，2025年）。接地网通常埋设在0.5–0.8米的深度，其中离子和微生物共存。尽管先前的研究分别阐明了Cl^?和SO₄^2?促进金属腐蚀的化学机制以及SRB在厌氧条件下的作用，但接地网的实际使用环境是一个复杂的系统，其中化学离子和微生物共存。关于Cl^?/SO₄^2?和SRB对接地网影响的系统研究仍然较少。此外，现有文献中尚未探讨化学离子对土壤微生物群落结构和代谢功能的调节作用及其对腐蚀过程的间接影响。

基于上述研究空白，本研究在Cl^?、SO₄^2?和SRB共存的情况下，利用电化学阻抗谱、极化曲线和重量损失测试研究了金属的腐蚀速率。通过扫描电子显微镜、X射线衍射和X射线光电子能谱分别分析了腐蚀产物的形态和组成。通过高通量测序技术表征了土壤微生物群落的结构和代谢功能，阐明了Q235钢和镀锌钢的腐蚀机制。本研究可为接地网的寿命评估和保护技术提供理论基础。

实验材料与样品

Q235钢的密度为7.85 g/cm³，购自中国深圳泰荣五金模具有限公司。其主要化学元素组成为：0.15 wt% C、0.22 wt% Si、0.48 wt% Mn、0.030 wt% P、0.028 wt% S，其余为铁。镀锌钢采用热浸镀锌工艺制备，以Q235钢为基底，镀锌层厚度约为80 μm。用于重量损失测试和材料分析的钢板尺寸为50 mm × 25 mm × 2 mm。

微生物分析

图1(a)显示，无论是否存在Cl^?和SO₄^2?，SRB的生长规律一致。其生长过程分为三个阶段：对数期（第1–4天）、稳定期（第4–10天）和衰退期（第10–14天）。适当浓度的Cl^?通过增加渗透压促进了SRB的聚集和代谢活性。同时，SRB利用有机物作为电子供体将SO₄^2?还原为S^2?

结论

本文研究了含有SRB以及不同浓度Cl^?和SO₄^2?的土壤中Q235钢和镀锌钢的腐蚀行为，得出以下结论：

(1)

在MIC-S组和Prop-5组中，Q235钢的腐蚀最为严重，腐蚀电流（Icorr）达到最大值159.650 μA cm^?2。Cl^?的较小半径和强渗透性使其能够优先进入氧化膜的空隙，导致氧化膜内部的金属基体逐渐溶解。

作者贡献声明

张玉贤：撰写——原始稿件、实验研究、数据整理。张兰合：撰写——审稿与编辑、资金获取。刘慧：资源提供。张明双：监督、资源协调。李可可：实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家电网吉林电力有限公司技术项目（2024–10）的资助。我们感谢“ceshigo Research Service”（网址：www.ceshigo.com）的技术支持。