船舶防海生物裝置原理與應(yīng)用比較
摘要：文中較為詳細(xì)的介紹了防海生物裝置的設(shè)計(jì)原理和電流計(jì)離子濃度的計(jì)算方法，通過對(duì)不同形式的防海生物裝置的綜合分析與比較，說明了正確選擇適當(dāng)防海生物裝置的方法。 
關(guān)鍵詞：防海生物、電解、分析與比較
前言：
艦船的海水管系和海上平臺(tái)以及港口的海水系統(tǒng)都會(huì)受到海洋附著生物的嚴(yán)重污染。在海水系統(tǒng)中附著的海洋生物, 會(huì)嚴(yán)重腐蝕管道, 并且由于海生物堵塞海水進(jìn)入口、管道、濾器、冷卻器, 會(huì)使海水管道的有效直徑縮小, 影響海水流量和降低熱交換率, 導(dǎo)致成本加大和能源浪費(fèi),并影響有關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行。
針對(duì)海洋生物對(duì)海水管路系統(tǒng)的嚴(yán)重危害,工作人員研究了許多防止海洋生物污染的方法, 目前較為成熟且為廣泛應(yīng)用的方法主要有3種：1）電解海水防污法, 即采用次氯酸鈉防污法；2）電解銅、鋁鐵電極防污法；3）電解海水和電解銅、鋁聯(lián)合防污法。
目前最常用的防海生物裝置主要有2種：即電解海水裝置防污裝置和電解銅、鋁鐵防污裝置。防海生物裝置的類型及其處理量是根據(jù)船舶和海上設(shè)施的海水的用量及其用途而決定的。
一、電解海水防海生物裝置的基本原理
海水中含有大量的氯化鈉為主的鹽類, 其中氯化鈉含量最高為2.7%左右，占總鹽度的77.8%,其次是氯化鎂, 為0.38%左右, 占總鹽度的10.9%,在海水的組成中, 氯離子含量最高, 氯濃度達(dá)19%左右, 占離子總含量的55%, 電解海水防海生物裝置, 它用鍍鉑欽電極或特制的電極將海水電解,以產(chǎn)生次氯酸鈉、氯氣和次氯酸, 這些有效氯是強(qiáng)氧化劑, 能殺死或擊暈海生物的幼蟲和抱子, 達(dá)到防污染的目的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究結(jié)果表明,有效氯20mg/l的處理海水, 能殺滅海水中幾乎所有的細(xì)菌和海生物。
1、電解海水的電解原理
電解海水的總反應(yīng)式：600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9922.png" width="210" height="25" />
電極反應(yīng):陽極:600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-12131.png" width="115" height="25" /> 陰極:600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21829.png" width="110" height="25" />
溶液反應(yīng): 600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20740.png" width="309" height="23" />
2、產(chǎn)生氮離子濃度的計(jì)算公式
電解槽出水口流出的海水中的氯素濃度, 可由以下公式中計(jì)算得出:
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20358.png" width="443" height="87" />
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4339.png" width="13" height="23" />二、電解銅鋁鐵防海生物裝置的基本原理
電解銅鋁鐵防海生物裝置是通過銅陽極在海水中電解, 產(chǎn)生微量銅離子, 鋁或鐵陽極電解后生成少量氫氧化鋁或氫氧化鐵絮狀物, 海水帶著這種具有很高勃性的銅、鋁絮狀物從系統(tǒng)中通過時(shí), 絮狀物就散布開來, 粘在海生物幼蟲可
能棲生的海水流得較緩慢的區(qū)域, 隨著電解時(shí)間的加長, 這些絮狀物就附著在海水管系內(nèi)壁上,從而在整個(gè)系統(tǒng)中形成一層很薄的保護(hù)層, 進(jìn)而防止海生物附著及海水腐蝕的雙重作用。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果表明, 當(dāng)海水中銅離子含量達(dá)2mg/m3時(shí), 銅離子能有效地抑制海生物在海水管系中的生長。
如果海水管系的材質(zhì)是鋼, 則需選用鋁陽極。如果海水管系的材質(zhì)是鋁或銅, 則需選用鐵陽極。所以根據(jù)海水管系的材質(zhì)的不同, 須正確選擇使用的陽極。
1、電解銅鋁的電解原理
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8000.png" width="332" height="29" />電解銅鋁的其總反應(yīng)表達(dá)如下：
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8266.png" width="309" height="27" />電極反應(yīng)：
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-28235.png" width="305" height="27" />銅陽極反應(yīng)：
陽極：在海水中陽極處于正常溶解時(shí)，生成銅離子600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21020.png" width="37" height="22" />：600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-14749.png" width="106" height="22" />
鋁陽極反應(yīng)：在海水中陽極處于正常溶解時(shí)，生成鋁離子600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-5359.png" width="35" height="21" />：600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11619.png" width="106" height="22" />
與陰極產(chǎn)生的氫氧根離子600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-1273.png" width="33" height="22" />形成氫氧化鋁600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31445.png" width="62" height="25" />，反應(yīng)式如下：
陰極：600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-17689.png" width="183" height="25" />
2、產(chǎn)生離子濃度的計(jì)算公式：
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-15793.png" width="470" height="94" />
（X和Y需根據(jù)實(shí)際情況下的數(shù)值而定）
3、電極消耗量的計(jì)算方法
電解時(shí), 在電極上析出或溶解掉的物質(zhì)的量,與通過電極的電量成正比如果通過的電量相同,則析出或溶解掉的不同物質(zhì)的化學(xué)克當(dāng)量數(shù)相同。
電解1克當(dāng)量的物質(zhì), 所需用的電量叫1個(gè)“法拉第” , 等于96484C。
即 96484C=96484A·S=26.8A·H（法拉第電解常數(shù)）
電化當(dāng)量=克當(dāng)量（摩爾質(zhì)量）/化合價(jià)/法拉第常數(shù)
年消耗率=電化當(dāng)量*24*365（kg/A·y）以銅為列
1克當(dāng)量的銅的質(zhì)量為63.55g
對(duì)2價(jià)銅，其電化當(dāng)量為（要2個(gè)電子才能生成一個(gè)銅分子）
6.55（g）/2/26.8(A·h)=1.186(g/A·h)若以年為單位，其化當(dāng)量為（即年消耗率）
1.186*24*365=20389(g/A·Y)=10.4(kg/A·Y)
三、直接式電解銅、鋁防海生物裝置
1、直接式電解海水防污裝置
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31988.png" width="529" height="286" />直接式電解海水防海生物裝置將電解陽極直接安裝在海水過濾器或海水管路或船舶的海底閥箱中, 以海水管道本身作為陰極, 利用海水構(gòu)成回路, 電解產(chǎn)生的有效氯直接混合在海水中。直接式電解海水防海生物裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低的特點(diǎn), 還能使管道得到一定的陰極保護(hù), 但維修不便。
圖1 直接電解式防海生物原理圖
2、直接式電解銅、鋁防海生物裝置
直接式電解銅、鋁防海生物裝置是將電解陽極直接安裝在海水管路或船舶的海底閥箱內(nèi), 電解產(chǎn)生銅離子和氫氧化鋁直接混合在海水中。直接式電解銅、鋁裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低等特點(diǎn), 不需要專門的擺放空間, 但更換陽極不便, 且海水處理量小。如果將直接式電解銅、鋁防海生物裝置安裝在船舶的海底閥箱內(nèi),更換陽極需在船舶進(jìn)塢后進(jìn)行。
四、間接式防海生物裝置
1、間接式電解海水防海生物裝置
間接式電解海水防海生物裝置即電解槽式海水防海生物裝置, 將一部分海水通過過濾器和壓力控制器后再送人電解槽內(nèi)進(jìn)行電解, 電解后含有效氯的海水經(jīng)輸送管道再送到海水管路或船舶的海底閥箱內(nèi)。該系統(tǒng)的電解槽, 對(duì)材質(zhì)的要求較高, 因?yàn)樗艿降母g較嚴(yán)重但對(duì)其下游,只要保證有效氯的濃度不超過 1*10-6, 就不會(huì)產(chǎn)生明顯的腐蝕。電解槽式電解海水防海生物裝置具有處理量大、操作和維修方便的特點(diǎn)。
2、間接式電解銅、鋁防海生物裝置
間接式電解銅、鋁防海生物裝置的原理圖與電解海水裝置類似, 電解陽極都安裝在電解槽內(nèi),見圖2。
600)makesmallpic(this,600,1800);' src="file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30333.png" width="517" height="375" />圖2間接電解式防海生污置原理圖
間接式電解銅、鋁防海生物裝置即電解槽式防海生物裝置, 是將安裝在電解槽內(nèi)的銅、鋁陽極進(jìn)行電解, 電解產(chǎn)生的銅離子和氫氧化鋁被進(jìn)入電解槽的海水輸送到海水管路或船舶的海底閥箱內(nèi)。間接式電解銅鋁防海生物裝置具有處理量大、耗電量小的特點(diǎn), 可隨時(shí)更換陽極。
五、防海生物裝置的特點(diǎn)
1、電解海水防海生物裝置的特點(diǎn)
電解海水防海生物裝置具有安全可靠, 防污徹底, 對(duì)環(huán)境無污染的特點(diǎn)。但作為其副產(chǎn)品,需要注意安全排放。在電解槽電解海水過程中,必然會(huì)產(chǎn)生氫氧化鎂和碳酸鈣等電解副產(chǎn)物, 大多數(shù)的電解副產(chǎn)物都會(huì)隨海水一起排走, 但在系統(tǒng)運(yùn)行一段較長時(shí)間后, 部分副產(chǎn)物可能附著或聚集在電解槽內(nèi)部, 阻塞電解槽,且其在陽極上結(jié)垢, 會(huì)造成電極燒毀, 故使用中必須定期對(duì)陽極進(jìn)行酸洗。電解海水防海生物裝置分為直接式和間接式兩種。
2、電解銅鋁防海生物裝置的'特點(diǎn)
電解銅鋁海水防海生物裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 耗電量小, 安裝方便, 無須專人管理, 無副產(chǎn)品, 但需要定期更換銅、鋁陽極。電解銅鋁防海生物裝置也分為直接式和間接式兩種。
3、電解海水和電解銅、鋁復(fù)合裝置的特點(diǎn)
氯一銅、鋁復(fù)合防海生物裝置的基本原理是利用電解海水產(chǎn)生的有效氯及電解銅、鋁產(chǎn)生的銅離子共同作用來殺死海生物, 其防污染效果比單獨(dú)使用的總效果大, 而且藥物使用的體積分?jǐn)?shù)比單獨(dú)使用的低, 對(duì)環(huán)境的污染��；但總費(fèi)用比
單獨(dú)使用任何一種的總費(fèi)用都要高。
六、綜合比較與分析
1、電解海水防海生物技術(shù)的防污染效果最好, 但需要定期反沖洗, 以清除電解槽內(nèi)的沉積物定期還要對(duì)設(shè)備進(jìn)行酸洗, 將陽極上的水垢清除掉。間接式電解海水防污染系統(tǒng), 具有操作維修方便, 海水處理量大, 便于檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。與電解銅、鋁裝置相比, 電解海水防海生物裝置的缺點(diǎn)是除了需要定期維護(hù)外, 一次性投資和耗電量較大在其使用劑量高于1*10-6時(shí)對(duì)碳鋼有腐蝕, 為了不污染環(huán)境和控制對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕影響, 需有效控制殘余含氯量。
2、電解銅、鋁防海生物技術(shù)對(duì)貝殼類動(dòng)物較有作用, 但對(duì)勃液類生物和植物類生物影響較小。電解銅、鋁設(shè)備工藝流程比較簡(jiǎn)單, 除需定期更換陽極外, 不需要專人管理。直接式電解銅、鋁防海生物裝置可用于海水處理量不大的場(chǎng)合, 如, 能定期進(jìn)塢的船只、井口平臺(tái)等。它具有防污染和防腐蝕的雙重效果,不額外占用面積, 也無須專人管理, 價(jià)格比間接式的便宜許多。直接式電解銅、鋁裝置用在平臺(tái)上, 一般都安裝在海水提升泵的套管內(nèi), 2年左右需提泵更換陽極用在船上的, 一般都安裝在海底閥箱內(nèi), 只有在船的塢修期內(nèi)才能更換陽極。間接式電解銅、鋁裝置不具備陰極保護(hù)功能,但檢測(cè)方便, 海水處理量大, 并可隨時(shí)更換陽極不受塢修時(shí)間的限制。與電解海水裝置相比, 電解銅、鋁防海生物裝置的缺點(diǎn)是綜合防污效果不如電解海水技術(shù),資源不可再生銅、鋁資源, 并會(huì)破壞海洋生態(tài)環(huán)境電解銅、鋁的產(chǎn)物不可降解。在淺海地區(qū)使用電解銅、鋁裝置不符合來來對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求, 電解海水裝置的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品, 不會(huì)污染海洋生態(tài)環(huán)境, 而電解銅、鋁的產(chǎn)物卻會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成破壞。世界上己有一些國家對(duì)在海上排放銅等重金屬制定了限制標(biāo)準(zhǔn)。
3、防海生物污染裝置的選擇與海水的處理量密切相關(guān)。對(duì)電解銅鋁防海生物技術(shù), 當(dāng)海水處理量在300m3/h到 400 m3/h時(shí), 主要考慮直接式電解銅、鋁設(shè)備海水處理量在400m3/h到500 m3/h時(shí), 主要考慮直接式電解氯、銅、鋁復(fù)合設(shè)備海水處理量在600m3/h到1000 m3/h時(shí), 主要考慮間接式電解銅、鋁設(shè)備。對(duì)于電解海水防海生物技術(shù), 由于直接式電解裝置存在檢測(cè)和維護(hù)比較困難的問題, 一般不推薦使用, 而以間接式為主。當(dāng)海水處理量在500 m3/h 時(shí), 可考慮采用間接式電解海水設(shè)備。
4、費(fèi)用比較。在海水處理量比較小的情況下,采用電解銅鋁防海生物裝置的設(shè)備與維護(hù)費(fèi)用,比較經(jīng)濟(jì)一些。對(duì)海水處理量較大的場(chǎng)合, 電解海水與電解銅鋁裝置的設(shè)備費(fèi)用相差不多, 但電解銅鋁裝置的維護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)大于電解海水裝置,所
以, 這時(shí)多數(shù)都選擇電解海水防海生物裝置。
結(jié)束語
雖然防海生物裝置在船舶等海上設(shè)備中只是一種輔助設(shè)備, 但它是這些海上設(shè)施必不可少的保護(hù)神, 必須根據(jù)海水的處理量和海水的用途以及海況和具體設(shè)施的情況, 認(rèn)真進(jìn)行分析與探討,以選擇出既經(jīng)濟(jì)又適用的防海生物裝置。
參考文獻(xiàn)：
（1） 海洋平臺(tái)防海生物裝置的應(yīng)用 中國修船
（2） 石油平臺(tái)海生物污損的防治方法
（3） 海洋污損生物及其防污 北京海洋出版社
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