專利名稱：海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法。
背景技術(shù)：
海洋船舶長期浸泡在海水中，受到海洋生物的附著而產(chǎn)生污損，給船舶帶來極大的危害。它一方面會(huì)增加船體自重和船體摩擦阻力，從而降低海洋船舶性能，增加燃料消耗；另一方面會(huì)加速船體腐蝕，縮短船舶使用壽命(馬士德等.艦船的生物附著與腐蝕調(diào)查.海洋學(xué)報(bào)，1996；180)。海洋船舶航行的摩擦阻力80％來自于表面，而海洋生物污損所造成的高粗糙度是其中的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋生物污損為5％時(shí)的阻力就相當(dāng)于潔凈表面的2倍，燃料消耗增加10％。另外，當(dāng)海洋生物附著在船底時(shí)，會(huì)隨著這些污損生物的生長而發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，大大加速了船底鋼板的腐蝕。因此，由于海洋生物污損引起的腐蝕破壞需花大量人力進(jìn)行頻繁的周期性維護(hù)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，開發(fā)新型、高效、經(jīng)濟(jì)的海洋無污染防污技術(shù)，對提高船舶使用壽命，節(jié)省開支等方面具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
目前對于解決海洋生物污損問題，主要還是在船體上涂覆各種防污涂料，這是最常用的也是效果最明顯的方法，此外還有一些新發(fā)展起來的生物化學(xué)方法。
一、從20世紀(jì)40年代開發(fā)防污涂料以來，一定程度上解決了海洋生物附著的問題。70年代以后，隨著汞、砷等防污劑的禁用，有機(jī)錫化合物成為代表性的防污劑。使用涂料主要有以下幾種1、傳統(tǒng)防污涂料，早期解決海洋生物污損問題，廣泛采用的是毒料滲出型防污涂料，如氧化亞銅防污涂料、有機(jī)錫自拋光型防污涂料，但由于銅元素會(huì)在海洋中，特別是海港中大量積聚，導(dǎo)致海藻的大量死亡，從而破壞生態(tài)平衡，因此最終將被禁用。有機(jī)錫在魚類、貝類體內(nèi)會(huì)積累，導(dǎo)致遺傳變異，所以80年代末各國紛紛立法，禁用或限用有機(jī)錫防污涂料(顏東洲，賈成功.防污涂料的應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)展.化工科技市場，2002；1221)。國際海事組織(IMO)提出，到2008年全面禁止在防污涂料中使用有機(jī)錫。
2、現(xiàn)代新型防污涂料，如無機(jī)錫類自拋光防污涂料(國際油漆公司的無錫防污漆產(chǎn)品.國際船艇，2002；137)，屬于低表面能防污涂料。試驗(yàn)表明，生物污損與表面能有很大的關(guān)系，表面能在20-25mJ/m2范圍內(nèi)，材料不易產(chǎn)生污損。
3、仿生防污涂料，是一種全新的防污概念，它是從生物附著機(jī)理出發(fā)，尋找防污高分子材料，對一些生物的表皮狀態(tài)進(jìn)行模仿，賦予涂層以特殊的表面性能，如低表面能、微相分離等，使海洋生物不易附著或者附著不牢(美研制出新型艦船防污涂料.航海，2003；443)。
4、導(dǎo)電防污涂料，如用導(dǎo)電聚苯胺加入一定的填料和助劑作為導(dǎo)電防污涂料，在電解海水時(shí)會(huì)產(chǎn)生次氯酸，對海生物有殺傷作用(孫祖信.聚苯胺及其防污材料.艦船科學(xué)技術(shù)，1997；363)。
5、可溶性硅酸鹽為防污劑的防污涂料，海洋污損生物的適宜生長環(huán)境是pH值為7.5～8.0的微堿性海水，強(qiáng)堿或強(qiáng)酸性的環(huán)境均不易生存(王華進(jìn)，王賢明，管朝祥，劉登良.海洋防污涂料的發(fā)展.涂料工業(yè)，2000；335)。
6、合金涂層，這種方法是在船底部涂敷可使加工面成為砂紙狀的特殊涂料，使鍍上的銅鎳合金牢固附著在船底鋼板表面上(曾曉燕，陳全權(quán).交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào).1997，20(1)47)。但是，基于納米陶瓷材料的設(shè)計(jì)制造工藝復(fù)雜，成本較高，目前國內(nèi)對這種技術(shù)的研究工作還未見報(bào)道。以上這些新技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到成熟地步，主要存在的問題是原料的合成有一定的困難，有些技術(shù)還處于研制階段，船體表面積巨大，需要量多，涂覆后的有效周期也比較短，需要反復(fù)多次涂覆，增加相關(guān)費(fèi)用。而且實(shí)現(xiàn)這種防污，都要將船只?？吭诖剡M(jìn)行，影響船只的航行使用。
二、生物化學(xué)方法生活在海洋中的生物大多具有抵制附著海生物的能力，有的是海洋生物表皮能分泌出特殊的黏液，形成親水低表面能表面，使海生物難以附著；有的可以分泌出一種酶，這種酶能抑制附著生物產(chǎn)生的生物膠的凝固，從而防止生物附著；具有微相分離結(jié)構(gòu)的涂層同樣也是理想的抗污損材料，生物很難附著，即使附著也易清洗。這種方法應(yīng)用于船舶防污劑上，對環(huán)境具有很大的意義，它主要靠從海洋生物中提取天然防污性物質(zhì)，因此需要對海洋生物的防污機(jī)理有清楚的認(rèn)識，但是從海洋生物中提取相應(yīng)的活性物質(zhì)有一定的困難。
綜上所述，各種技術(shù)方法具有復(fù)雜性及短的時(shí)效性。因此開發(fā)一種長期有效、操作簡便、實(shí)用易行、可隨時(shí)在現(xiàn)場作業(yè)的海洋船舶除污的綠色新方法是解決海洋船舶維修保障問題的當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法。用操作簡單、能長期使用、無環(huán)境危害的電化學(xué)陰極脈沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對受海洋生物污損的艦船進(jìn)行現(xiàn)場的經(jīng)濟(jì)的快速清除。
在該技術(shù)中，陰極即為已污損的船體即需維修的舊船或者表面包覆導(dǎo)電聚合物的船體包括新船，陽極采用化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)均穩(wěn)定的不溶性材料，如覆鉑鈦合金，或者石墨材料。而后采取繞艦船移動(dòng)掃描電解的方式，利用這種技術(shù)，可以產(chǎn)生瞬間高電流，使其超過海洋生物對電擊的承受力，從而達(dá)到去除海洋污損的目的。另外，陰極產(chǎn)生的瞬間高壓氣體也有助于海洋生物的剝離。與陽極電解產(chǎn)生次氯酸法(是以船體為陽極，對船體的絕緣程度要求很高，一旦出現(xiàn)露點(diǎn)，則極易形成陽極腐蝕(點(diǎn)蝕)，加速對船體造成損害)相比，使用陰極電解對于已經(jīng)污損嚴(yán)重的艦船不僅無損害，還可以起到一定的陰極保護(hù)作用。
采用電化學(xué)的方法即脈沖放電技術(shù)方法，脈沖放電技術(shù)示意圖如圖1。
根據(jù)Ia＝IpTp/(T+Tp)，可以實(shí)現(xiàn)幅值Ip極大化，瞬時(shí)時(shí)間Tp很小，間歇時(shí)間T較長，平均電流Ia較低。從而使瞬時(shí)電流密度達(dá)到極大，主要集中在臨近表面積有限的陽極近船體水下的長方形局部(陰極)，所產(chǎn)生大電流對直線距離最近的附著海生物進(jìn)行電擊。陽極繞船體掃描一周，完成生物污損的去除。本發(fā)明的方法具體表述如下本發(fā)明的一種用于海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，它以船體為陰極，以金屬鈦或柔性石墨棒材或板材為陽極，陽極外層包覆一層絕緣塑料，絕緣塑料一面有很多通孔并且通過這些孔可達(dá)到陽極導(dǎo)電體表面，操作時(shí)有孔的絕緣塑料一面靠近船體，陰陽兩極的距離為0.3～10厘米，利用脈沖電源在兩極之間施以脈沖電流，以擊落吸附于船體表面的小生物，達(dá)到海洋船舶除生物污染。
本發(fā)明的脈沖電源，根據(jù)使用場合可以有不同的選擇，如峰值電流為0.1～1000A，相應(yīng)陽極的大小也不同，如棒材直徑2～70mm，用的陽極板的面積在0.05～1平方米之間，厚度在1～10mm之間。一般的規(guī)則是陽極越大，可施加的脈沖電流也越大。陽極的包覆材料可以為通用的絕緣塑料，如聚氯乙烯，聚乙烯，聚丙烯，EVA，尼龍等，或者為通用的橡膠材料，如丁苯橡膠，丁晴橡膠等；陽極的包覆絕緣材料一面有很多通孔，并且通過這些孔可達(dá)到陽極導(dǎo)電體表面，操作時(shí)有孔的絕緣塑料一面靠近船體，每個(gè)孔的面積為2～400mm2，孔的間隔為10～40mm。
當(dāng)以船體為陰極，以金屬或石墨棒材為陽極，陰陽兩極較為接近(如0.3～10厘米)時(shí)，在兩極之間施以脈沖電流，根據(jù)脈沖電壓的大小，主要反應(yīng)是陰極析氫，陽極析氯或氯與氧的混合物，氯氣隨后將與海水作用生成次氯酸。當(dāng)脈沖電流接觸到海洋附著物(如海蠣子)時(shí)，使其受到電擊，就會(huì)脫離船體。
本發(fā)明所涉及的設(shè)備及器件主要是1、脈沖電源，能給出可調(diào)的脈沖電流或脈沖電壓；2、陽極，其主體材料為金屬鈦或柔性石墨，其形狀可為棒或板，或與船體外型相匹配的曲線狀。主體材料表面包覆一層絕緣塑料，絕緣塑料上有很多孔，主體材料可以通過這些孔與海水接觸，放電電流也通過這些孔釋放。3、操作桿，操作桿主要方便工人施工，操作桿一頭與主體材料連接，電源線也綁定在操作桿上，操作桿可以由人工控制或者機(jī)械控制。結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。
本發(fā)明的方法，設(shè)備簡單，步驟簡便易行，使脈沖電流電力線集中在艦船局部，起到高效率、低能耗的效果。例如以普通直流電施加于陰陽兩極，設(shè)電流大小為10安培，時(shí)間為10秒，時(shí)間需用手動(dòng)控制，消耗的電量為100安培秒。而用脈沖電流，電流峰值為20安培，持續(xù)時(shí)間為1秒，間隔時(shí)間為4秒，運(yùn)行兩個(gè)脈沖，總時(shí)間為10秒，消耗的電量為40安培秒，僅為前者的40％，而電流峰值高，電擊強(qiáng)度也就更大，通過設(shè)計(jì)更為合理的峰值電流、持續(xù)時(shí)間、間隔時(shí)間，可以獲得更好的除污效果。


圖1為本發(fā)明采用電化學(xué)的方法即脈沖放電示意圖。
圖2為本發(fā)明的方法的操作示意圖，圖中1為脈沖電源，2為陽極，3表示操作時(shí)陽極運(yùn)行路線，4是陰極，其為船體外殼。
圖3為實(shí)施例1的示意圖，1是脈沖電源，2是陽極，4是陰極即船體外殼，5為操作桿，6表示電源輸入，7表示脈沖電流輸出。
圖4為實(shí)施例1陽極棒示意圖，8為連接桿，9為包覆材料上的孔，10為陽極導(dǎo)電體，11為包覆材料。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖4所示陽極棒，按圖3所示與脈沖電源連接，陽極2中導(dǎo)電體選用柔性石墨棒材，其尺寸為直徑20mm，長500mm，導(dǎo)電體表面包覆一層絕緣塑料，選用聚乙烯，塑料包覆層11的厚度為1mm，絕緣塑料上有很多孔9，為1mm×2mm的長方孔，間隔為10mm，分布在電極體的一側(cè)，導(dǎo)電體可以通過這些孔與海水接觸，放電電流也通過這些孔釋放，操作桿5一頭與導(dǎo)電體10通過連接桿8連接，連接桿固定在操作桿5上，或者就是操作桿的一部分。操作桿可以由人工控制或者機(jī)械控制。
脈沖電流通過連接桿8到達(dá)導(dǎo)電體10，通過塑料包覆層11上的孔9釋放，連接桿的外邊也包覆一層絕緣塑料，使陽極棒的有孔一面接觸已吸附海蠣子的導(dǎo)電船體外殼4，陰極與船體相連，并施加峰值為3A的脈沖電流，持續(xù)時(shí)間為4秒，可以看到海蠣子被擊落，并有氣體產(chǎn)生，達(dá)到對海洋船舶除生物污染。
實(shí)施例2、將實(shí)施例1中的導(dǎo)電體換成面積為1平方米、厚為4mm的方形鈦板，同樣包覆一層絕緣塑料(聚氯乙烯)，厚為2mm，朝向船體一側(cè)的塑料上均勻分布直徑為1cm，間隔為4cm的孔，通過孔可以看到鈦板。板的另一側(cè)中央與連接桿焊接一起，此陽極板的有孔一面接觸已吸附海蠣子的嚴(yán)重污損船體表面，陰極與船體相連，并施加峰值為100A的脈沖電流，持續(xù)時(shí)間為1秒，間隔時(shí)間為5秒，同樣可以看到海蠣子被擊落，并有氣體產(chǎn)生，達(dá)到對海洋船舶除生物污染。
權(quán)利要求
1.一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，它以船體為陰極，以金屬鈦或柔性石墨棒材或板材為陽極，陽極外層包覆一層絕緣塑料，絕緣塑料一面有很多通孔并且通過這些孔可達(dá)到陽極導(dǎo)電體表面，操作時(shí)有孔的絕緣塑料一面靠近船體，陰陽兩極的距離為0.3～10厘米，利用脈沖電源在兩極之間施以脈沖電流，以擊落吸附于船體表面的小生物，達(dá)到海洋船舶除生物污染。
2.如權(quán)利要求1所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的陽極外層包覆一層絕緣塑料可以是聚氯乙烯，聚乙烯，EVA或尼龍。
3.如權(quán)利要求1或2所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的絕緣塑料一面有很多通孔，每個(gè)孔的面積為2～400mm2，孔的間隔為10～40mm。
4.如權(quán)利要求1或2所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的利用脈沖電源在兩極之間施以脈沖電流，峰值電流為0.1～1000A。
5.如權(quán)利要求3所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的利用脈沖電源在兩極之間施以脈沖電流，峰值電流為0.1～1000A。
6如權(quán)利要求4所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的陽極為棒材，其直徑2～70mm。
7.如權(quán)利要求5所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的陽極為棒材，其直徑2～70mm。
8.如權(quán)利要求6所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的陽極為陽極板，其面積在0.05～1平方米之間，厚度在1～10mm之間。
9.如權(quán)利要求7所說的一種海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，其特征在于，所說的陽極為陽極板，其面積在0.05～1平方米之間，厚度在1～10mm之間。
全文摘要
一種用于海洋船舶除生物污染的電化學(xué)方法，它以船體為陰極，以金屬鈦或柔性石墨棒材或板材為陽極，陰陽兩極較為接近，如0.3～10厘米，利用脈沖電源在兩極之間施以脈沖電流，以擊落吸附于船體表面的小生物如海蠣子，達(dá)到海洋船舶除生物污染。本發(fā)明的方法，設(shè)備簡單，操作簡便，使脈沖電流電力線集中在艦船局部，起到高效率、低能耗的效果。本發(fā)明的方法能長期使用、無環(huán)境危害，實(shí)現(xiàn)對受海洋生物污損的艦船進(jìn)行現(xiàn)場的經(jīng)濟(jì)的快速清除。
文檔編號A01M1/00GK1858305SQ20061001691
公開日2006年11月8日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者邢巍, 廖建輝, 朱琳 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所