金属腐蚀与防护论文

金属在土壤中的腐蚀

陈晓燕

（湖南大学化学化工学院 湖南长沙）

摘要：金属在大自然中经常遭到的各种电化学腐蚀、如大气腐蚀、土壤腐蚀和海

水腐蚀等。这些腐蚀有个共同特点，即主要是吸氧腐蚀（电化学腐蚀中，是氧分

子接受电子），但它们又具有各自的规律。如今，随着现代比城乡建设，地下设

施日益增多，金属构件遭到的腐蚀日趋严重，研究并了解土壤的腐浊规律显得有

格外意义。由于土壤的组成及结构的复杂性，其腐蚀远比大气腐蚀复杂得多，本

文仅就土壤的腐蚀类型作些分析。

关键词：金属 土壤 腐蚀

1、引 言

当金属和周围气态或液态介质接触时常常由于发生化学作用或电化学作用而逐

渐损坏的过程成为金属腐蚀。所谓化学腐蚀就是金属直接与介质起化学反应而引

起的腐蚀，在这种情况下金属表面上会生成相应的化合物，如氧化物及硫化物等，

它们通常形成一层薄膜，膜的性质对金属进一步腐蚀有很大影响。所谓电化学腐

蚀就是金属和外界介质的电化学反应而产生的腐蚀，也就是在发生化学反应的过

程中有电流产生，形成了原电池，所以又叫原电池作用。金属在大自然中经常遭

到的各种电化学腐蚀，如大气腐蚀、土壤腐蚀和海水腐蚀等，这些腐蚀的共同点

即主要是吸氧腐蚀。电化学腐蚀中是氧分子接受电子，但它们又具有各自

的规律。随着现代化城乡建设，地下设施日益增多金属构件遭到的腐蚀日趋严重，

研究并了解土壤的腐蚀规律显得格外意义。由于土壤的组成及结构的复杂性，其

腐蚀远比大气腐蚀复杂得多本文仅就土壤的腐蚀类型作些分析。

2、土壤腐蚀类型及原因：

①差异充气引起的腐蚀

由于氧气分布不均匀而引起的金属腐蚀，称为差异充气腐蚀。土壤的固体颗粒含

有砂子、灰、泥渣和植物腐烂后形成的腐植土。在土壤的颗粒间又有许多弯曲的

微孔（或称毛细管），土壤中的水分和空气可通过这些微孔而深入到土 壤中的

水分和空气可通过这些微孔而深入到土壤内部，土壤中的水分除了部分与土壤的

组分结合在一起，部分粘附在土壤的颗粒表面，还有一部分可在土壤的微孔中流

动。于是，土壤的盐类就溶解在这些水中，成为电解质溶液，因此，土壤湿度越

大含盐量越多，土壤的导电性就越强。此外，土壤中的氧气部分溶解在水中，部

分停留在土壤的缝隙内，土壤中的含氧量也与土壤的湿度、结构有密切关系，在

干燥的砂土中，氧气容易通过,含氧量较高;在潮湿的砂土中, 氧气难以通过，

含氧量较低.；在潮湿而又致密的粘士中，氧气的通过就更加困难，故含氧量最

低。埋在地下的各种金属管道，如果通过结构和干湿程度不同的土壤将会引起差

异充气腐蚀，假如，铁管部分埋在砂士中，另一部分埋在粘土中，由腐蚀电

池： 阳极 +→-22Fe e Fe

阴极 -→++OH e O H O 222

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不难看出，因砂土中氧的浓度大于粘士中氧的浓度，则在砂土中更容易进行还原反应，即在砂土中铁的电极电势高于在粘土中铁的电极电势，于是粘土中铁管便成了差异充气电池的阳极而遭到腐蚀。同理，埋在地下的金属构件，由于埋设的深度不同，也会造成差异充气腐蚀，其腐蚀往往发生在埋得深层的部位，因深层部位氧气难以到达，便成为差异充气电池的阳极,那些水平放置而直径较大的金属管，受腐蚀之处亦往往是管子的下部，这也是由差异充气所引起的腐蚀。

②微生物引起的腐蚀

如果土壤中严重缺氧，又无其他杂散电流，按理是较难进行电化学腐蚀的，可是埋在地下了的金属构件照样遭到严重的破坏，有人曾在电子显微镜下观察被土壤腐蚀的金属，发现有种细菌，其形状为略带弯曲的圆拄体，长度约为2×10-6m，并长有一根鞭毛。细菌依靠鞭毛的伸曲，使其躯体向前移动。由于它依赖于硫酸盐还原反应而生存的，所以人们称它为硫酸盐还原菌。它对金属腐蚀作用的解释，率先由屈菲(Kuhv)提出，在缺氧条件下，金属虽然难以发生吸氧腐蚀,但可进行析氢腐蚀（电化学腐蚀中，有氢气放出）。只是因阴极上产生的原子态的氢未能及时变为氢气析出，而被吸附在阴极表面上，直接阻碍电极反应的进行，使腐蚀速率逐渐减慢。可是，多数的土壤中都含有硫酸盐。如果有硫酸盐还原菌存在，它将产生生物催化作用，使SO42-离子氧化被吸附的氢，从而促使析氢腐蚀顺利进行。整个过程的反应如下：

其腐蚀特征是造成金属构件的局部损坏，并生成黑色而带有难闻气味的硫化物。硫酸盐还原菌便是依靠上述化学反应所释放出的能量进行繁殖的。

据目前研究，能参与金属腐蚀过程的细菌不止一种，它们并非本身使金属腐蚀，而是细菌生命活动的结果间接地对金属电化学腐蚀过程产生的影响。例如，有的细菌新陈代谢能产生某些具有腐蚀性的物质（如硫酸、有机酸和硫化氢等),从而改变了土壤中金属构件的环境；有的细菌能催化腐蚀产物离开电极的化学反应，致使腐蚀速率加快。此外，许多细菌还能分泌粘液，这些粘液与土壤中的土粒、矿物质、死亡细菌、藻类以及金属腐蚀产物等粘合并形成粘泥，覆盖在金属构件的表面，因局部缺氧成为差异充气电池的阳极，从而遭到严重的孔腐蚀。

腐蚀性细菌一般分为喜氧性菌和厌氧性菌两大类。增氧性菌必须在有游离氧的环境中生存，如喜氧性氧化铁杆菌，它依靠金属腐蚀过程中所产生的Fe2+氧化成Fe3+时所释放的能量来维持其新陈代谢，它存在于中性含有有机物和可溶性铁盐的水、土壤及锈层中，其生长温度为20－25℃，pH在7－ 7.4 之间。又如喜氧性排硫杆菌，能将土壤中的污物发醇所产生的硫代硫酸盐还原为硫元素；而喜氧性氧化硫杆菌又可把元素硫氧化为硫酸，从而加快金属的腐蚀。这类细菌常存在于土壤、污水及泥水中，其生长温度为28－30℃,PH为2.5－3.5。

厌氧性菌必须在缺乏游离氧的条件下才能生存，如硫酸盐还原菌是种常见的

厌氧性菌.它是地球上最古老的微生物之一，其种类繁多，广泛存在于中性的土壤、河水、海水.油井、港湾及锈层中，它们的共同特点是把硫酸盐还原为硫化物，生长适宜温度为30℃,PH在7.2－7.5. 喜氧性菌和厌氧性菌虽然生存条件截然不同，但往往在喜氧性菌腐蚀产物所造成的局部缺氧的环境中，厌氧性菌亦可以得到繁殖的机会，这种不同性质细菌的联合腐蚀常发生于水管内壁，在那里，首先是氧化铁杆菌将水管腐蚀溶解下来的Fe3+，并形成Fe(OH)3沉淀，其沉淀附着在水管内壁生成硬壳状的锈瘤。瘤下的金属表面缺氧，恰好为硫酸盐还原菌提供生存与繁殖的场所。这样，两类细菌相辅相成，更加快了瘤下金属的溶解。有人取下锈瘤，经分析发现其中的腐蚀产物含有1.5％－2.5％的硫化物，每克腐蚀产物中约含有1000条硫酸盐还原菌。

此外，还有一些腐蚀性细菌不论有氧或无氧的环境中均能生存，如硝酸盐还原菌，能把土壤中的硝酸盐还原为亚硝酸盐和氨。它的生长温度为27℃，pH为

5.5-8.5.

③杂散电流引起的腐蚀

由于某种原因，一部分电流离开了指定的导体，而在原来不该有电流的导体内流动，这一部分电流，称为杂散电流。它主要来自于电气火车、直流电焊、地下铁道及电解槽等电源的漏电。由杂散电流引起的腐蚀，如在金属制作的电解槽中进行电解时，正常情况下电流应从正极通过电解液流向负极。但也有可能有部分电流先从正极流向靠近正极的金属槽壁，然后从靠近负极的电解壁流出，并通过溶液回到负极.这样，电流在从金属电解槽壁流出之处便成为阳极而遭到腐蚀.又如电气火车顶上有根架空线，其作用是接受从电站正极输入的直流电，经过车厢后从地面铁轨回到电站的负极。如果各段铁轨间连接良好,则大部分电流能通过路轨回到电站.要是路面不平,路轨间连接又不好,而地面又潮湿,这时将有部分电流流入地下，通过埋在路轨下的金属管道或其他金属设施，最后返回路轨到电站的负极。这时，路轨下出现两个串联的大电解池。根据电流的流动方向，一个电解池的阳极是铁轨，阴极是地下管线；另一电解池的阳极是地下管线，阴极是路轨。前者腐蚀的是路轨，暴露在地面上，易被发现，维修也方便；后者腐蚀的是地下管线，不易被发现，且维修也不便，问题更为严重。此外，杂散电流也能引起钢筋混凝土结构的腐蚀，尤其冬季施工,为了防冻而在混凝土中加入氯化物(如NaCl、CaC12），其腐蚀就更为严重。

3、金属在土壤中腐蚀的影响因素

（1）土壤性质。土壤的孔隙度、含水量、电阻率、pH 值以及含盐量等对土壤的腐蚀性有极大影响。

(a) 孔隙度的影响。土壤的孔隙有利于氧气的渗入和水分保存, 孔隙度越大管道腐蚀越严重。

(b) 土壤中含水量的影响。随着含水量增加腐蚀速率增加, 当含水量超过一定值以后, 由于水量增加氧的扩散渗透受到阻碍, 土壤中的可溶性盐已全部溶解, 即尽管含水量增加, 但不再有新的盐分溶解, 从而使腐蚀速率减小。当土壤中含水在 10%以下时, 由于水分的短缺,土壤电阻加大, 腐蚀速率急速降低。

(c) 电阻率的影响。土壤电阻率与土壤的含水量、含盐量、孔隙度等很多因素有关, 土壤电阻率越小腐蚀速率越高。

(d) pH 值的影响。我国大部分土壤属中性, pH 值在6～ 8 之间, 随着pH 值的