研究背景
近年來，霧霾成為廣受關注的環境汙染問題，天氣預報也將霧霾天氣作為一種災害性天氣氣象進行預警預報。霧霾中有毒顆粒物主要來源是汽車尾氣與工業汙染物。霧霾中PM2.5顆粒物的主要成分有無機鹽，成分包括水溶性離子SO42−，NO3−，NH4+等。這些無機鹽易吸收空氣中的水分，沉積在金屬表面形成電解質薄膜，從而可能會急劇加速金屬的腐蝕破壞。鎂合金因為其密度低和比強度高等優點，常被製成汽車、航空航天零部件。這些零部件在大氣環境下服役時，霧霾如何影響其腐蝕行為直接影響零部件的工業應用。因此，研究霧霾成分對鎂合金腐蝕行為的影響具有重要意義。
為了系統地研究霧霾成分對鎂腐蝕行為的影響及機理，廈門大學宋光鈴教授團隊蒐集了世界各地二十幾個城市的霧霾成分，分析總結了霧霾中PM2.5的主要成分。霧霾中主要的無機鹽是硫酸鹽((NH4)2SO4, CaSO4, Na2SO4)，氯化物(NaCl, KCl, MgCl2，NH4Cl)，硝酸鹽(NH4NO3，Ca(NO3)2)。本項研究設計了以下幾種不同的溶液：基底溶液（Mg(OH)2飽和溶液）、一系列含各霧霾成分的溶液、一系列含各霧霾成分濃度正常的溶液、 霧霾模擬液。同時，為了消除pH值的影響以及模擬實際大氣環境中腐蝕鎂表面鹼度的情況，所有溶液的pH值均調整為10±0.3。結果表明，各霧霾成分對純鎂的腐蝕性能影響按以下順序依次排列：(NH4)2SO4>霧霾模擬溶液 >NH4NO3>NH4Cl>NaCl≈KCl≈Na2SO4≈MgCl2≈ CaSO4>Mg(OH)2(基底溶液)>Ca(NO3)2，即銨鹽>氯化物≈硫酸鹽>硝酸鹽。霧霾中的銨根離子對於純鎂腐蝕具有強烈的加速作用，其破環程度遠大於大家熟悉的氯離子。其作用機理主要是在pH=10.3的鹼性條件下，鎂表面具有一定保護作用的MgO產物膜被銨根離子溶解，從而大大加速了鎂基體的腐蝕。另外，在pH=10.3環境中，銨根離子濃度相同時，SO42-的破壞性比Cl-的破壞性更大。這似乎和我們印象中相矛盾。經過驗證性實驗，發現了這主要由於在鹼性環境中，SO42-的存在影響了NH4+的水解過程造成的。此外，文章還簡要討論了其他霧霾成分對鎂腐蝕產生的影響及潛在機制。由此表明，從常規溶液中獲得的鎂的腐蝕性能結果不能直接應用於複雜工業服役條件，需要開展更系統的研究，以便在各類複雜工業服役條件下合理選用鎂合金。
圖1 不同溶液中處理72小時的純Mg的析氫曲線
文章發表
該研究成果發表在《Journal of Magnesium and Alloys》2020年第八卷第一期：
[1] C. Zhao, F. Cao, G.-L. Song, Corrosivity of haze constituents to pure Mg, Journal of Magnesium and Alloys 8(1) (2020) 150-162.
中文摘要
本文通過析氫、失重和電化學等實驗，系統研究了純鎂(Mg)在含PM2.5各組分的Mg(OH)2飽和溶液中的腐蝕行為。結果表明，各組分對純鎂的腐蝕性按以下順序依次降低：(NH4)2SO4>霧霾模擬溶液>NH4NO3>NH4Cl>NaCl≈KCl≈Na2SO4≈MgCl2≈CaSO4>Mg(OH)2(基底溶液)>Ca(NO3)2。本文還簡要討論了這些霧霾成分對鎂的腐蝕行為影響及潛在機制。
Abstract
The corrosion behavior of pure Magnesium (Mg) in a Mg(OH) 2 -saturated solution containing different individual constituents of PM 2.5 in haze were studied by hydrogen evolution, weight loss and electrochemical experiments. The results indicated that the corrosivity of these constituents to pure Mg decreased in the following order: (NH 4 ) 2 SO 4 > Haze-contaminated-solution > NH 4 NO 3 > NH 4 Cl > NaCl ≈KCl ≈Na 2 SO 4 ≈MgCl 2 ≈CaSO 4 > Mg(OH) 2 ( basic solution) > Ca(NO 3 ) 2 . Possible mechanisms behind the different corrosion behaviors of Mg in response to these constituents were also briefly discussed in this paper.
