研究背景

近年来，雾霾成为广受关注的环境污染问题，天气预报也将雾霾天气作为一种灾害性天气气象进行预警预报。雾霾中有毒颗粒物主要来源是汽车尾气与工业污染物。雾霾中PM2.5颗粒物的主要成分有无机盐，成分包括水溶性离子SO42−，NO3−，NH4+等。这些无机盐易吸收空气中的水分，沉积在金属表面形成电解质薄膜，从而可能会急剧加速金属的腐蚀破坏。镁合金因为其密度低和比强度高等优点，常被制成汽车、航空航天零部件。这些零部件在大气环境下服役时，雾霾如何影响其腐蚀行为直接影响零部件的工业应用。因此，研究雾霾成分对镁合金腐蚀行为的影响具有重要意义。

为了系统地研究雾霾成分对镁腐蚀行为的影响及机理，厦门大学宋光铃教授团队搜集了世界各地二十几个城市的雾霾成分，分析总结了雾霾中PM2.5的主要成分。雾霾中主要的无机盐是硫酸盐((NH4)2SO4, CaSO4, Na2SO4)，氯化物(NaCl, KCl, MgCl2，NH4Cl)，硝酸盐(NH4NO3，Ca(NO3)2)。本项研究设计了以下几种不同的溶液：基底溶液（Mg(OH)2饱和溶液）、一系列含各雾霾成分的溶液、一系列含各雾霾成分浓度正常的溶液、 雾霾模拟液。同时，为了消除pH值的影响以及模拟实际大气环境中腐蚀镁表面碱度的情况，所有溶液的pH值均调整为10±0.3。结果表明，各雾霾成分对纯镁的腐蚀性能影响按以下顺序依次排列：(NH4)2SO4>雾霾模拟溶液 >NH4NO3>NH4Cl>NaCl≈KCl≈Na2SO4≈MgCl2≈ CaSO4>Mg(OH)2(基底溶液)>Ca(NO3)2，即铵盐>氯化物≈硫酸盐>硝酸盐。雾霾中的铵根离子对于纯镁腐蚀具有强烈的加速作用，其破环程度远大于大家熟悉的氯离子。其作用机理主要是在pH=10.3的碱性条件下，镁表面具有一定保护作用的MgO产物膜被铵根离子溶解，从而大大加速了镁基体的腐蚀。另外，在pH=10.3环境中，铵根离子浓度相同时，SO42-的破坏性比Cl-的破坏性更大。这似乎和我们印象中相矛盾。经过验证性实验，发现了这主要由于在碱性环境中，SO42-的存在影响了NH4+的水解过程造成的。此外，文章还简要讨论了其他雾霾成分对镁腐蚀产生的影响及潜在机制。由此表明，从常规溶液中获得的镁的腐蚀性能结果不能直接应用于复杂工业服役条件，需要开展更系统的研究，以便在各类复杂工业服役条件下合理选用镁合金。

图1 不同溶液中处理72小时的纯Mg的析氢曲线

文章发表

该研究成果发表在《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

本文通过析氢、失重和电化学等实验，系统研究了纯镁(Mg)在含PM2.5各组分的Mg(OH)2饱和溶液中的腐蚀行为。结果表明，各组分对纯镁的腐蚀性按以下顺序依次降低：(NH4)2SO4>雾霾模拟溶液>NH4NO3>NH4Cl>NaCl≈KCl≈Na2SO4≈MgCl2≈CaSO4>Mg(OH)2(基底溶液)>Ca(NO3)2。本文还简要讨论了这些雾霾成分对镁的腐蚀行为影响及潜在机制。

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

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