中国工程院院士侯保荣：腐蚀保护技术与“双碳”目标的实现

来源：高科技与产业化

随着现代社会的发展，钢铁生产为基础设施建设和工业的发展提供了可能。作为人类使用最多的金属材料，钢铁因腐蚀而造成的损耗不容小觑。1970年，英国调查报告提出因钢铁腐蚀造成的损失每年可达13.65亿英镑，占英国GDP的3.5%；而根据调查，2014年中国因腐蚀造成的损失为2100亿，相当于当年GDP的3.34%，每个公民要承担1555块钱。而在这些巨大的数额之下，蕴藏的却是巨量的碳排放。

侯保荣

在中国“双碳”目标提出的当下，如何通过提高钢铁的防腐能力减小因损耗造成的巨量碳排放，成为科学家必须面对的问题。近日，在山东青岛举办的2021世界海洋科技大会上，中国工程院院士、海洋防腐蚀产业技术创新战略联盟理事长、全球腐蚀调查中国区主席、中国科学院海洋研究所研究员侯保荣，介绍了目前最新的防腐技术。

重视防腐技术 助力双碳实现

1967年，美国俄亥俄州的银桥钢筋因长时间的腐蚀造成断裂，导致46人死亡。1983年，日本横滨港山下码头的栈桥，虽然已经采取了增加腐蚀余量的保护方法，但因集中腐蚀而倒塌。“建筑材料被腐蚀是一件潜伏在我们每一个人身边，十分危险的事情。”侯保荣指出。

为了防止因腐蚀造成不可挽回的损失，政府往往会采取定期修复的措施。1960年，几名非法人员闯入美国自由女神，并挂上横幅进行抗议。该事件发生后，政府对自由女神内部进行了检查，发现自由女神像中有许多因腐蚀造成的洞，1.2吨的钢骨架铆钉中有1/3出现了松动、损坏或是脱离，支架也有将近一半发生了锈蚀，随时有散架的危险。1981年5月，美国成立自由女神像修复委员会，筹款3.5亿美金。修复铜质外皮、替换所有零件，这其中包括1825根特制的肋梁，一根肋梁需要花费36个小时来制造，工人们足足花了6 个月的时间才完成该项工作。“不难发现，为修复因腐蚀造成的损耗所花费的金钱是巨大的，这背后的碳排放量也是巨大的。”

二氧化碳的危害不容小觑，它的来源主要由石油、煤炭、天然气燃烧后排放进入空气中，除此之外，石油、煤炭在生产过程当中也会释放二氧化碳，其他包括有机物的粪便发酵也会产生二氧化碳。

二氧化碳对人类的影响是什么？当空气中的二氧化碳低于1% 的时候，对人体没有明显的危害；如果二氧化碳超过1%，便会头晕、气闷；当二氧化碳达到5%时，人会头疼；而当达到10% 的时候，人便会神志不清。

因二氧化碳浓度超标酿成的悲剧也不在少数，如安徽祁门县二氧化碳湖造成5人窒息死亡。二氧化碳密度大于空气密度，容易在山地聚集，形成二氧化碳湖，同时迫使空气层上移，造成底部氧气含量降低。

因为二氧化碳的保温作用，当二氧化碳浓度增加时，地球表面的温度也会逐渐升高。根据预测，到了21世纪中叶，全球温度将升高1.5℃ ~4.5℃，由此所引起的海平面升高，也会对人类的生存环境产生巨大的影响，危害人类的安全。

那么我们怎样应对二氧化碳的增加？2015年12月12日，《联合国气候变化框架公约》的近200个缔约方在巴黎气候变化大会上一致通过《巴黎协定》，为2020年后全球应对气候变化行动做出安排。各方当时决定，请联合国秘书长潘基文担任该协定的保存人，截至目前，已经有190多个国家签署了《巴黎协定》。

中国在巴黎大会召开之前就提交了国家自主贡献文件，提出中国二氧化碳排放量将在2030年左右达到峰值，并提出“双碳”的目标。“碳达峰”是指大陆承诺2030年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。

2021~2030年达到碳达峰，2031~2045年降低碳的排放量，2045年到2060年实现碳中和。“碳达峰是一个手段，碳中和是我们真正的目标，只有实现碳达峰才能实现碳中和。”侯保荣指出。在他看来，碳达峰的实现影响碳中和实践的难度，碳达峰的实现越早，实现碳中和的能力就越强，碳达峰的减排难度越低，减排的压力也会越来越小。

中国早就展示了实现“双碳”目标的决心，2020年9月22日，第75届联合国大会中国表示将采取更加有利的政策和措施并提出“3060”的目标。2020年12月12日，我们承诺2030年中国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上。2021年1月25日，又在世界经济论坛会商提出中国将加强生态文明建设，加快调整优化产业结构，倡导绿色低碳的方式。

今年7月24日中央印发文件，在《中共国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和的工作理念》中提出了构建绿色低碳循环发展经济体系，提升能源利用效率，提高非化石能源消费比重，降低二氧化碳的排放水平，提升生态系统碳汇能力等五个方面要求。

大陆是世界上建筑面积规模最大的国家，同时也是世界最大的建筑材料生产国和消费国。每年对混凝土、水泥等建筑材料的需求达到亿吨，每生产一吨水泥就会排放一吨二氧化碳，其中存在大量的腐蚀。2020年，水泥生产排放二氧化碳共计约12.3亿吨。水泥行业碳排放占全球碳排放总量的6%，混凝土与水泥两大碳来源于碳煤等的燃烧。根据统计，每节约一度电就相当于节约了0.4个煤和0.99克的二氧化碳。如果通过防腐技术将混凝土服役由25年提高到100年，二氧化碳的排放量将降低5 倍。

“延长这些材料的服役寿命，就能显著降低全球二氧化碳的排放。”侯保荣总结道。

中国钢铁行业碳排放量占全国二氧化碳排放总量的比例正在逐年增加，目前钢铁产生的二氧化碳量占到了全国二氧化碳排放的19.16%，而中国的钢铁产量占世界钢铁产量的60%，钢铁生产过程当中，碳排放来源于煤的燃烧等电力的消耗，如果能减少煤的燃烧和电的消耗，碳排放就将大大减少。

聚焦材料薄弱点 运用氧化聚合型包覆防腐蚀技术

那么腐蚀防护技术到底能做什么？又应该怎么做？腐蚀防护一般分为物理防腐，化学防腐，电化学防腐等手段，其中涂料防腐占了66%的份额。

涂层法防腐蚀又包括三大类：涂覆和喷涂、镀层和化学转化膜。在金属表面上制成保护层，借以隔开金属与腐蚀介质的接触，从而减少腐蚀。涂覆是把有机和无机化合物涂覆在金属表面，常用的方法是涂漆和塑料涂层，喷涂则是通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，分散成均匀而微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法，主要分为电弧喷涂、等离子喷涂、静电喷涂、手工喷涂等; 金属镀层是一种利用金属粉末在工件表面形成镀层的工艺，主要包括电镀、热镀、喷镀、渗镀、化学镀、机械镀、真空镀等; 化学转化膜是采用化学或电化学方法使金属表面形成稳定的化合物膜层，根据成膜时所采用的介质，可将化学转化膜分为氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜等。

根据构成涂层法保护层的物质，可以分为非金属保护层和金属保护层两类，如油漆、塑料、玻璃钢、橡胶、沥青、搪瓷、混凝土、珐琅、防锈油等为非金属保护层，而金属保护层是在金属表面镀上一种金属或合金作为保护层，以减慢腐蚀速度。用作保护层的金属通常有锌、锡、铝、镍、铬、铜、镉、钛、铅、金、银、钯、铑及各种合金等。

防腐的首要是抓住要害，弄清哪个地方腐蚀最严重。需要用新思维、新技术去解决短版的问题。“早在14年前，青岛港务局就在大陆首先实现浪花飞溅区腐蚀防护。”侯保荣指出，“我们现在也做了一个项目为港务局减轻腐蚀的问题，近日和港务局签订了协议，我们今后和港务局的合作会越来越多”。

除此之外，氧化聚合型包覆防腐蚀技术也是非常重要的一个手段。这一技术可以用以解决大气区异型部位腐蚀的问题，这些短板解决后其他问题就解决了。目前此技术已成功应用在海南文昌发射基地，8个发射计划全部使用了这个技术。

中国天眼的防腐蚀操作也值得关注，侯保荣团队对它所有可能产生的腐蚀问题都进行了跟踪监测和保护。“我们要把钢筋混凝土当成大事来解决腐蚀的问题。在浪花飞溅区防护技术方面我们可以很好地延长钢装的寿命，包括异形部位钢结构包覆防腐技术、整体钢制结构寿命延长。”侯保荣指出。

每生产一吨水泥要释放二氧化碳1吨，每生产一吨钢铁释放1.83吨二氧化碳。新型的防腐蚀技术是实现“双碳”目标的途径之一。政府部门都应更加重视腐蚀现象，支持防腐技术，企业也应主动把绿色、主动、精准腐蚀看成大事，科研机构更需要不断地创新，运用高效科技进行防腐，来进行延长钢筋混凝土的寿命，减少碳排放。

“道阻且长，行则将至，行而不蹉，未来可期！”对未来，侯保荣充满了信心。