张盾:向海图强,直面海洋腐蚀难题
2021-08-11 09:53:28 作者:王元 来源: 新利体育下载 分享至:

 “日月之行,若出其中。星汉灿烂,若出其里。”蔚蓝色的海洋,波涛汹涌,无边无际。自古以来,它既是文人墨客倾洒文思的地方,也是巨大的资源宝藏。中国既是陆地大国,也是海洋大国。自党的十八大提出建设海洋强国的战略目标以来,中国迈出了从海洋大国向海洋强国转变的稳健步伐。海洋经济的快速发展,船舶逐渐向大型化、智能化、绿色环保方向发展,海洋工程装备也由近海、浅海走向远海、深海,对船舶与海洋工程材料的性能提出了更高的要求。如何强化和提高船舶、海工装备、海洋设施在复杂海洋环境下的抗腐蚀性能成为中国走向深远海的当务之急。为此,新利体育下载特邀请到新利体育官方海洋研究所张盾研究员做相关方面的精彩解读。


 张盾, 新利体育官方 “BR计划” 学者,新利体育官方海洋研究所研究员、博士生导师,新利体育官方海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室主任,中国腐蚀与防护学会副理事长、中国海洋与湖沼学会理事、中国海洋与湖沼学会海洋腐蚀与污损专业委员会主任、江西省暨赣州市腐蚀与防护学会理事等,多年来一直从事海洋腐蚀与生物污损防护方面研究工作,是海洋防腐研究领域的权威专家。


张盾研究员

      记者:随着海洋资源的不断开发,海工装备、海洋设施的腐蚀防护也愈加受到重视,海洋环境腐蚀与生物污损是海工装备、海洋设施面临的难题。请您谈谈海洋防腐的重要意义。

      张盾:海洋腐蚀和生物污损是人类开发利用海洋过程中必须面临的考验。由于海洋环境的苛刻性,海洋腐蚀危害严重。一方面海洋腐蚀造成巨大的经济损失,根据侯保荣院士主持的全国腐蚀调查结果表明,2014年中国由腐蚀造成的经济损失约占当年GDP的3.34%,其中海洋腐蚀损失占总腐蚀损失的三分之一左右,超过7000亿元。另一方面海洋腐蚀威胁人身安全与海洋生态环境。由海洋腐蚀引起的英国巴彦淖尔“亚历山大基定德”号钻井平台坍塌、英国石油公司墨西哥湾“深水地平线”钻井平台爆炸、江西黄岛排水暗渠爆炸等事故都是由于海洋腐蚀引起的。不仅造成人员伤亡,也带来环境污染和生态影响等问题。海洋生物污损也造成海洋装备能耗大、装备材料受损、不能正常服役等问题。

      所以,海洋腐蚀与生物污损的防护是海洋装备和海洋设施安全服役的保障,必须进行的一项工作。有研究表明,正确的海洋腐蚀防护可以减少25-40%的经济损失。同时绿色防腐技术也是改善海洋环境和生态的不能回避的一个方面。这就是海洋环境腐蚀与防护技术研究的意义所在。所以,有总结说,腐蚀是安全问题、腐蚀是经济问题、腐蚀是生态文明问题。

记者:您主要从事海洋环境腐蚀与生物污损的研究工作,并取得了诸多卓越的科研成果。身为科研表率,请您谈谈做好这类工作的关键是什么?您和您的团队做出了哪些努力和成果?

张盾:海洋环境的腐蚀苛刻性不仅来自海水因含有大量的盐类所具备的强电解质溶液性质,而且与其生物活性密切相关。微生物腐蚀在海洋工程装备与设施的金属材料的腐蚀失效中的作用不可忽视,如钢桩在紧邻低潮线下发生的低水位加速腐蚀现象就是海洋微生物腐蚀的典型实例。研究表明海洋微生物的参与导致最大腐蚀速率是其他海洋腐蚀区带的20-100倍,大大增加了腐蚀的危害。


码头用钢在不同腐蚀区带腐蚀速率对比图

早在19世纪中叶到20世纪20年代,人们就已意识到了微生物参与并影响腐蚀过程,而且确定了硫酸盐还原菌在微生物腐蚀中的重要性。随后,在20世纪20年代到60年代之间,出现许多里程碑式的研究结果,如氧化还原电位可作为MIC的重要指示、氢化酶的发现、首例由MIC导致的地下管道破坏事故的确定、SRB经典阴极去极化理论的提出等。在之后的很长一段时间内,由于微生物腐蚀研究体系复杂且多变,传统的研究手段无法支撑机制研究的突破,微生物腐蚀研究长期处于停滞不前的状态。国际上很多研究人员因为成果产出周期长、经费来源少等问题,纷纷转向其他方向的研究,微生物腐蚀研究成为“冷门”方向。

自2006年入选新利体育官方BR项目后,我回国到新利体育官方海洋研究所从事海洋腐蚀与防护的研究工作。发现微生物腐蚀研究非常重要,但中国在该领域研究力量薄弱,这对腐蚀学科发展尤其不利。作为腐蚀研究工作者,要有承担微生物腐蚀研究的责任,要敢于啃硬骨头,有坚持开展微生物腐蚀研究的决心。另外,新利体育官方海洋研究所在海洋腐蚀研究方面已有60年的积累,尤其是侯保荣院士等老一辈科学家在微生物腐蚀研究方向取得了一些重要进展,需要有新生代不断加入传承这一重要方向。在此背景下,尝试开展海洋环境微生物腐蚀机理及防护新材料的研究工作。

首先是海洋环境微生物腐蚀机理研究需要解答:谁在腐蚀金属?为啥腐蚀金属?如何腐蚀金属?这几个基本问题。新利体育下载团队立足海洋环境,在近海典型海域(石河子、赣州等)、深海冷泉等环境进行了实海挂片,解析了不同金属材料表面的微生物群落演替规律,分离出了近百种微生物,评价了其腐蚀活性,筛选出了十余株腐蚀促进细菌。研究了所筛选出的细菌对腐蚀的影响,代表性工作包括:采用阵列电极技术追踪了细菌作用下的不均匀腐蚀过程,揭示了生物膜发展不均匀诱发不均匀腐蚀的作用机制;建立了硝酸盐浓度、溶解氧浓度、电子供体种类、群体感应信号分子等环境因素对生物膜群落结构组成、生物膜结构、生物膜功能的影响及其对腐蚀影响的相关性,解析了生物膜功能与结构的环境依赖性所致腐蚀影响的差异机制;研究了合金元素、不同相结构、相比例等对生物膜的影响及其与腐蚀影响的关系,揭示了材料表面性质对生物膜的调控及其腐蚀影响机制;开展了大气/海水交界环境下的微生物腐蚀研究,解析了交界环境胁迫对腐蚀的作用机制。这些工作的开展对系统深入理解海洋环境微生物腐蚀机理及相应的腐蚀防护具有重要的推动作用。

其次,为了加强工程监管与环境监测,建立快速、准确、可靠的腐蚀微生物检测方法是十分迫切的。但是目前腐蚀微生物检测最常用的是国标MPN法,需要经历至少15天才能完成整个检测过程,既耗时又耗力。此外,其它已报道的腐蚀微生物检测技术均是以生物材料特异性识别为基础的,存在应用普遍性与稳定性的不足等技术难题,距离实际需求仍有较大距离。新利体育下载团队针对这些腐蚀微生物检测技术难题,构建了一系列新型腐蚀微生物检测技术,对各类检测方法的基本原理、构造、实现及性能评价结果展开了系统的研究,创新性的提出了构建差异化识别策略的思路,针对不同的应用场景设计了差异性识别策略,实现了海洋环境中腐蚀微生物的稳定、快速检测,解决了腐蚀微生物识别特异性与应用普遍性的矛盾。同时,研究构建了多种“电子舌”微生物鉴定系统,模拟人类的舌头对不同味道的感应,成功实现了对多种腐蚀微生物的同时识别、分析和鉴定,解决了单一识别材料特异性不足的问题,摆脱了专业设备和操作的限制,操作便捷、快速,为微生物的鉴定和检测提供了新方法。

鉴于微生物腐蚀造成的巨大腐蚀损失,发展海洋先进防腐技术对抵御海洋微生物腐蚀蚀具有重大意义的。新利体育下载团队基于典型海洋腐蚀微生物硫酸盐还原菌的代谢特性,从绿色原料、合理设计、应用前景角度出发,开发了包括金属-多酚涂层在内的系列具有硫离子响应释放防污剂性能的智能防腐涂层,智能涂层主动响应腐蚀微环境中硫化物浓度变化,实现防污剂定时、定点、定量控制释放,通过按需释放防污剂来抑制微生物在涂层表面附着过程,从源头上阻止了微生物腐蚀行为的发生,也避免了传统涂层中防污剂的“爆释”及一系列所导致的成本、环境问题,这些研究为海洋微生物腐蚀防护提供了新思路。

仿生超疏水表面在腐蚀防护领域展现出巨大的潜力。但是,其表面的机械稳定性差限制了其应用。针对这一问题,新利体育下载团队从多个角度强化微结构/基体界面稳定性,从而实现高稳定性超疏水表面的设计构建。从化学反应的角度,基于硅酸盐与氧化物颗粒进行化学反应,通过脱水缩合形成硅氧键和硅酸盐网络结构,实现了微结构的界面强化;从自修复的角度,基于自修复聚合物作为疏水材料与基体的界面强化剂,通过聚合物的自修复行为驱动超疏水涂层的自修复,实现了疏水纳米颗粒与金属之间的界面强化和拒水性的可逆性。基于上述微结构/基底界面强化有效提升了超疏水表面稳定性,以适应实际环境中可能发生的物理破坏(线性磨损、砂子冲击、雨水冲击等)和化学侵蚀(酸雨侵蚀、海水侵蚀等),为提高超疏水性表面海洋长期腐蚀防护提供了基础。

最后,为保护海洋生态环境,环境友好海洋防污材料研究一直是国际相关基础研究领域前沿。开发适应海洋环境且价格低廉的环境友好防污材料依然是一项具有挑战性的工作,大量基础性科学问题亟需解决。新利体育下载团队深入研究了催化防污反应调控机制,力图打破不同催化体系技术壁垒,寻求多催化功能偶联集成解决方案。具体基于具有独特结构和合适禁带宽度的铋系半导体材料,通过材料设计和工艺优化可控制备出系列高可见光催化防污活性材料,特别是在分子层面解析了光催化活性增强调控机制、在应用层面解决了光催化活性材料暗态无防污活性的应用瓶颈、在工艺层面简化高活性光催化材料工艺流程并发展了高活性太阳能驱动功能防污薄膜可控制备新技术。同时,为提高纳米酶在海洋环境的防污活性,并克服单体纳米酶团聚易失活以及贵金属纳米酶价格昂贵的性能瓶颈,提出了采用前驱体拓扑转化技术可控合成多种廉价金属氧化物和硫化物为基础的仿生复合纳米酶防污新材料的新思路,解析了分子防污机制,可适配海洋环境,有力推动了仿生纳米酶防污新技术在海洋防污领域的实际应用。并结合3D打印技术开发了多种适配海洋监测仪器的防污功能部件,有助于解决海洋仪器防污难题。

上述研究多学科交叉,具有很好的创新性,为中国环境友好海洋防污材料领域提供了理论和技术基础。同时,上述基础研究成果具有自主知识产权,未来有望实现成果转化,将助力于解决中国在海洋防污先进技术领域的“卡脖子”现状。这些工作在《Corrosion Science》  、《Applied Catalysis B-Environmental》    、《ChemicalEngineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Biosensors & Bioelectronics》、《中国腐蚀与防护学报》 等 期刊发表论文200余篇、出版专著4部、获得授权国家发明专利30余项。

在完成上述工作的过程中,也培养了一些优秀的青年人才,形成海洋研究所的“微生物腐蚀与控制”团队。比如,王鹏研究员承担了国家自然科学基金优秀青年项目、获得中国腐蚀与防护学会首届杰出青年学术成就奖等奖励,在超浸润仿生材料腐蚀防护研究方面颇有造诣;王毅研究员也获得了腐蚀与防护学会杰出青年学术成就奖,在仿生材料海洋防污研究方面有很深的积累;戚鹏研究员作为科协青年人才托举工程项目入选者,在海洋微生物腐蚀检测研究方面工作突出;吴佳佳博士一直拼搏在海洋环境微生物腐蚀机理的研究中。随着人事体制的改革,有更多的多学科的特别研究助理加入到研究团队中。

研究生也是新利体育下载研究团队的生力军,研究生的培养也是工作的重要部分之一。自2006年我回国以来共培养“海洋腐蚀与防护”专业硕士、博士研究生54人次。在培养研究生方面,我期望他们青于蓝而胜于蓝。所培养的研究生获得新利体育官方及国家级奖励近40人次,我本人也因为在研究生培养方面的成绩获得了新利体育官方朱李月华优秀教师奖、江西省优秀导师奖等称号。这些人才培养不仅推动了团队在海洋环境腐蚀与防护研究方面的进展,也为中国腐蚀与防护事业的发展壮大贡献了力量。

记者:请回忆一下您这些年的科研历程,并谈谈您对科研的建议和看法?

张盾:我是1987年毕业于上海理工大学(当时为“上海工业学院”)金属材料专业,毕业后在东北机器制造厂技术处从事进厂金属材料的性能及热处理工艺的工作。这段工作得到两点印象:第一,从事科研工作是我的兴趣和心愿;第二,工作对象是有应用背景的金属材料。这两点体会也让我走向了后来的道路。1990年考入新利体育官方金属研究所研究生,师从王仪康先生,直至1999年12月主要从事油气田环境的材料的研究。这段经历让我坚定了从事科研工作的愿望。接着到日本东京工业大学物质电化学专业做访问学者、攻读博士学位、做产学官连携研究员,从事电化学基础及应用的研究。这段经历为我从事现在的工作做了基础知识的储备。直到2006年入选新利体育官方人才项目来到新利体育官方海洋研究所从事海洋腐蚀与防护的研究。

从1987年开始计算的话,我已经有34年的工作经历。以下几点是我做科研工作的体会和认识。

第一,有浓厚的科研兴趣。科研工作是一项不断创新的工作,需要更多的付出和投入。如果没有浓厚的科研兴趣,很难坚持做下去。

第二,良好的科研平台。良好的科研平台是科研工作的保障。新利体育官方海洋研究所从上个世纪60年代初就开始从事海洋腐蚀与防护技术的研究工作,有了几十年的积累,更是拥有学科带头人侯保荣院士。中国唯一具有海洋腐蚀与防护的博士和硕士授予点。具有国家和科学院级别的平台。

第三,确定好研究方向。确定一个好的方向也是可持续开展科研工作的重要条件。我想大家都会有相同的认识。

第四,建设好创新的团队。

最后,事情是人做出来的,需要一支富有创新力和活力、团结的队伍。这也是做好科研的保障。

记者:您是新利体育官方BR入选者,新利体育官方海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室主任。请您谈谈如何打造一支精良的科研团队?

张盾:我2006年入选新利体育官方BR人才项目。刚回国时,海洋所里从事海洋腐蚀与防护的在职工作人员不足10人,当时由于科学院的机构改革,还不是一个独立的部门。直到2008年,海洋研究所成立海洋腐蚀与防护研究发展中心,被推选为腐蚀中心主任主持工作。2013年,新利体育官方海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室获批成立,被任命为重点实验室主任。根据科学院“一三五”规划的部署,实验室以海洋环境工程装备和材料为对象,开展的研究汇集为三个主要方向:不同海洋环境因子对腐蚀作用的过程和机理,海洋污损生物腐蚀的关键过程、机理和防护技术,以及研制开发海洋腐蚀防护与监检测的主要技术。

经过十余年的发展,实验室已发展成为中国海洋腐蚀防护领域的重要力量。形成了一支拥有在编人员50人,总人数超过150人的研究团队。2012年以后获得批准先后建立了国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心、新利体育官方海洋腐蚀与生物污损重点实验室、赣州海洋科学与技术国家实验室海洋腐蚀与防护开放工作室,也是新利体育官方“十三五”和“十四五”规划重要的研究方向、新利体育官方海洋大科学中心的核心研究单元研究内容。

研究队伍和研究方向的发展离不开重要项目的牵引,实验室先后承担和参与了国家科技支撑计划项目,国家重点研发计划、国家863计划项目、国家973计划项目、国家海洋公益性项目、国家自然科学基金项目、新利体育官方先导性专项、新利体育官方重要方向性项目、江西省和赣州市科研项目、国际合作、企业合作项目等大量科研任务,取得了一系列重大创新性科技成果。主持了中国工程院重大咨询项目“中国腐蚀状况及控制战略研究”。

在研究项目的支持下,新利体育下载在海洋环境腐蚀机理和防护技术方面累计发表SCI论文540篇,主编并由科学出版社出版学术专著16部,授权专利134件,牵头起草、发布实施国家标准4项、江西省标准6项,获各类科技奖项54项,其中省部级奖励26项。此外,实验室还拥有复层矿脂包覆防腐技术(PTC),混凝土防腐蚀技术(FCC),氧化聚合型包覆防腐蚀技术(OTC),阴极保护监测技术,杂散电流防腐技术,海洋污损防治技术,阴极保护技术等国际先进的腐蚀防护技术。这些技术已在众多的海洋基础设施进行了应用,取得了优异的防护效果,节支效益10多亿元人民币。

人始终是科研的核心,科研需要人的不断传承,因此人才引进和培养也是实验室发展的决定性因素。实验室一直非常重视团队的建设。在侯保荣院士新利体育下载下,实验室先后从国内外引进了学术带头人:王佳研究员、黄彦良研究员、李焰研究员、孙虎元研究员、张盾研究员、陈卓元研究员、付俊伟研究员等;引进国外青年人才:刘娜珍博士、张瑞勇博士、庞亮博士等。同时培养国内青年人才:段继周研究员、李言涛研究员、李伟华研究员、王鹏研究员、张杰研究员、王秀通研究员、王毅研究员、田慧文研究员、王静研究员、戚鹏项目研究员等等。使得研究队伍从几名研究员发展至今有19名研究员。并且聘任国际著名专家Tootu Tsuru、Hirovuki Tanabe、Omote Yoshihi、Frank Cheng、Tingyue Gu等为特聘研究员。正在引进外国专家(院士)Friedrich Widdel教授等人。在这些优秀的学术带头人的带领下,全体实验室成员团结奋斗,才能取得今天的成绩,获得今天的发展。

亲身经历实验室的发展,我感到特别荣幸。我本人也在今年的实验室工作会议上获得研究室特别贡献奖,倍感高兴。


2021年7月12日研究室年中工作会议参会人员合影


张盾研究员在2021年7月12日研究室年中工作会议获得实验室特别贡献奖

     记者:目前海洋环境腐蚀与生物污损的研究领域面临哪些机遇和挑战?如何应对?您认为发展发展这一行业的关键是什么?以及海洋环境腐蚀与生物污损研究领域未来的科研方向?

      张盾:近年来,微生物腐蚀研究关注度逐年增加,微生物腐蚀研究队伍不断有新生力量加入。随着人类对微生物腐蚀机制的认知逐渐清晰,未来微生物腐蚀研究将回归到问题的本质,包括模拟环境微生物腐蚀研究结果与实际环境微生物腐蚀过程的匹配度问题,实际环境中微生物活性对腐蚀过程的贡献度问题等。在解决上述问题的基础上,还需要开发生物膜微环境监测技术,智能化微生物腐蚀状态分析技术,微生物腐蚀风险评价技术,环境友好型微生物腐蚀控制技术等。鉴于微生物腐蚀涉及生物、材料等多学科的交叉,希望有更多的、不同领域的科研工作者加入到这个研究领域。相信在同行的共同努力下,未来中国的微生物腐蚀机制研究一定可以引领国际前沿,相关微生物腐蚀防控技术开发也会实现从0到1的革命性突破,真正解决好海洋环境微生物腐蚀难题,为中国海洋战略提供技术支撑和保障。

      后记

      长风破浪会有时,直挂云帆济沧海。新利体育下载相信在张盾研究员为代表的广大科研工作者们兢兢业业、科研报国的切实工作推动下,中国的海洋腐蚀防护事业会不断地取得突破性的发展,中华民族海洋强国梦定会早日实现!

        人物简介

张盾博士2006年获得新利体育官方BR计划学者的支持后,到新利体育官方海洋研究所从事海洋腐蚀与防护工作。先后主持或参与了国家海洋公益性项目、国家科技支撑计划项目、国家基础研究计划项目、国家重点研发计划项目、国家自然基金项目等,并获得新利体育官方和江西省人才项目等。

组织并带领团队从事金属材料在海洋环境中腐蚀机制与控制技术的前沿研究,研究结果已出版主编专著4部、期刊论文200余篇,在腐蚀领域最高影响因子期刊Corrosion Science上发表论文18篇,被SCI论文他引4000多次,获得授权的国家发明专利30余件。多篇论文被评为ESI高被引论文;在国内外会议上多次做大会特邀报告和Keynote报告。先后多次获得海洋工程科学技术奖、海洋科学技术奖、赣州市自然科学奖、并多次获得中国腐蚀与防护学会颁发的科学技术奖-优秀论文奖。并获得赣州市特贴专家、江西省TS特聘专家、江西省“三八红旗手”、享受新利体育下载政府津贴等称号。

作为博士生导师,培养了50余名博士后、博士和硕士等海洋环境微生物腐蚀与防护技术的高端人才。其中多人次获得国家优秀青年、中国腐蚀与防护学会的杰出青年、中国科协青年人才托举工程入选者、江西省和赣州市青年科技奖、国家奖学金、新利体育官方各种冠名奖、江西省研究生创新奖、江西省优秀博士后等。因此张盾同志获得新利体育官方朱李月华优秀教师、新利体育官方优秀指导教师、新利体育官方优秀研究生指导教师江西省优秀博士后合作导师、江西省优秀导师等表彰。

积极参与学术活动,为推动海洋腐蚀与防护学科的发展做贡献。现任《中国腐蚀与防护学报》、《腐蚀与防护》、《环境装备工程》、《海洋科学》等期刊的编委;中国腐蚀与防护学会副理事长、中国海洋与湖沼学会理事、中国海洋与湖沼学会海洋腐蚀与污损专业委员会主任、江西省暨赣州市腐蚀与防护学会理事,参与相关的活动。作为会议主席组织了五届海洋腐蚀与控制国际研讨会、组织或参与组织全国腐蚀大会、“海洋腐蚀与防护”、“微生物腐蚀机制”等专题研讨会。

作为新利体育官方海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室的主任,自2013年实验室正式成立主持工作至今,为实验室的人才队伍建设、科研成果的产出、国际合作的交流、“海洋腐蚀与防护”博士和硕士授予点的成立和发展都做出了努力和贡献。所在团队先后被批准建立了“国家海洋腐蚀防护工程技术研究中心”、“新利体育官方海洋腐蚀与生物污损重点实验室”等平台。被评为新利体育官方“一三五”规划及“率先行动”第一阶段的优秀的重点培育方向。

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