船舶防海生物装置原理与应用比较
摘要：文中较为详细的介绍了防海生物装置的设计原理和电流计离子浓度的计算方法，通过对不同形式的防海生物装置的综合分析与比较，说明了正确选择适当防海生物装置的方法。 
关键词：防海生物、电解、分析与比较
前言：
舰船的海水管系和海上平台以及港口的海水系统都会受到海洋附着生物的严重污染。在海水系统中附着的海洋生物, 会严重腐蚀管道, 并且由于海生物堵塞海水进入口、管道、滤器、冷却器, 会使海水管道的有效直径缩小, 影响海水流量和降低热交换率, 导致成本加大和能源浪费,并影响有关设备的正常运行。
针对海洋生物对海水管路系统的严重危害,工作人员研究了许多防止海洋生物污染的方法, 目前较为成熟且为广泛应用的方法主要有3种：1）电解海水防污法, 即采用次氯酸钠防污法；2）电解铜、铝铁电极防污法；3）电解海水和电解铜、铝联合防污法。
目前最常用的防海生物装置主要有2种：即电解海水装置防污装置和电解铜、铝铁防污装置。防海生物装置的类型及其处理量是根据船舶和海上设施的海水的用量及其用途而决定的。
一、电解海水防海生物装置的基本原理
海水中含有大量的氯化钠为主的盐类, 其中氯化钠含量最高为2.7%左右，占总盐度的77.8%,其次是氯化镁, 为0.38%左右, 占总盐度的10.9%,在海水的组成中, 氯离子含量最高, 氯浓度达19%左右, 占离子总含量的55%, 电解海水防海生物装置, 它用镀铂钦电极或特制的电极将海水电解,以产生次氯酸钠、氯气和次氯酸, 这些有效氯是强氧化剂, 能杀死或击晕海生物的幼虫和抱子, 达到防污染的目的。根据实验室试验研究结果表明,有效氯20mg/l的处理海水, 能杀灭海水中几乎所有的细菌和海生物。
1、电解海水的电解原理
电解海水的总反应式：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" />
电极反应:阳极: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" /> 阴极: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" />
溶液反应: 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、产生氮离子浓度的计算公式
电解槽出水口流出的海水中的氯素浓度, 可由以下公式中计算得出:
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、电解铜铝铁防海生物装置的基本原理
电解铜铝铁防海生物装置是通过铜阳极在海水中电解, 产生微量铜离子, 铝或铁阳极电解后生成少量氢氧化铝或氢氧化铁絮状物, 海水带着这种具有很高勃性的铜、铝絮状物从系统中通过时, 絮状物就散布开来, 粘在海生物幼虫可
能栖生的海水流得较缓慢的区域, 随着电解时间的加长, 这些絮状物就附着在海水管系内壁上,从而在整个系统中形成一层很薄的保护层, 进而防止海生物附着及海水腐蚀的双重作用。根据试验研究结果表明, 当海水中铜离子含量达2mg/m3时, 铜离子能有效地抑制海生物在海水管系中的生长。
如果海水管系的材质是钢, 则需选用铝阳极。如果海水管系的材质是铝或铜, 则需选用铁阳极。所以根据海水管系的材质的不同, 须正确选择使用的阳极。
1、电解铜铝的电解原理
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" />电解铜铝的其总反应表达如下：
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" />电极反应：
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" />铜阳极反应：
阳极：在海水中阳极处于正常溶解时，生成铜离子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" />
铝阳极反应：在海水中阳极处于正常溶解时，生成铝离子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" />
与阴极产生的氢氧根离子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" />形成氢氧化铝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" />，反应式如下：
阴极：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、产生离子浓度的计算公式：
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需根据实际情况下的数值而定）
3、电极消耗量的计算方法
电解时, 在电极上析出或溶解掉的物质的量,与通过电极的电量成正比如果通过的电量相同,则析出或溶解掉的不同物质的化学克当量数相同。
电解1克当量的物质, 所需用的电量叫1个“法拉第” , 等于96484C。
即 96484C=96484A·S=26.8A·H（法拉第电解常数）
电化当量=克当量（摩尔质量）/化合价/法拉第常数
年消耗率=电化当量*24*365（kg/A·y）以铜为列
1克当量的铜的质量为63.55g
对2价铜，其电化当量为（要2个电子才能生成一个铜分子）
6.55（g）/2/26.8(A·h)=1.186(g/A·h)若以年为单位，其化当量为（即年消耗率）
1.186*24*365=20389(g/A·Y)=10.4(kg/A·Y)
三、直接式电解铜、铝防海生物装置
1、直接式电解海水防污装置
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" />直接式电解海水防海生物装置将电解阳极直接安装在海水过滤器或海水管路或船舶的海底阀箱中, 以海水管道本身作为阴极, 利用海水构成回路, 电解产生的有效氯直接混合在海水中。直接式电解海水防海生物装置具有结构简单、安装方便、成本低的特点, 还能使管道得到一定的阴极保护, 但维修不便。
图1 直接电解式防海生物原理图
2、直接式电解铜、铝防海生物装置
直接式电解铜、铝防海生物装置是将电解阳极直接安装在海水管路或船舶的海底阀箱内, 电解产生铜离子和氢氧化铝直接混合在海水中。直接式电解铜、铝装置具有结构简单、安装方便、成本低等特点, 不需要专门的摆放空间, 但更换阳极不便, 且海水处理量小。如果将直接式电解铜、铝防海生物装置安装在船舶的海底阀箱内,更换阳极需在船舶进坞后进行。
四、间接式防海生物装置
1、间接式电解海水防海生物装置
间接式电解海水防海生物装置即电解槽式海水防海生物装置, 将一部分海水通过过滤器和压力控制器后再送人电解槽内进行电解, 电解后含有效氯的海水经输送管道再送到海水管路或船舶的海底阀箱内。该系统的电解槽, 对材质的要求较高, 因为它受到的腐蚀较严重但对其下游,只要保证有效氯的浓度不超过 1*10-6, 就不会产生明显的腐蚀。电解槽式电解海水防海生物装置具有处理量大、操作和维修方便的特点。
2、间接式电解铜、铝防海生物装置
间接式电解铜、铝防海生物装置的原理图与电解海水装置类似, 电解阳极都安装在电解槽内,见图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" />图2间接电解式防海生污置原理图
间接式电解铜、铝防海生物装置即电解槽式防海生物装置, 是将安装在电解槽内的铜、铝阳极进行电解, 电解产生的铜离子和氢氧化铝被进入电解槽的海水输送到海水管路或船舶的海底阀箱内。间接式电解铜铝防海生物装置具有处理量大、耗电量小的特点, 可随时更换阳极。
五、防海生物装置的特点
1、电解海水防海生物装置的特点
电解海水防海生物装置具有安全可靠, 防污彻底, 对环境无污染的特点。但作为其副产品,需要注意安全排放。在电解槽电解海水过程中,必然会产生氢氧化镁和碳酸钙等电解副产物, 大多数的电解副产物都会随海水一起排走, 但在系统运行一段较长时间后, 部分副产物可能附着或聚集在电解槽内部, 阻塞电解槽,且其在阳极上结垢, 会造成电极烧毁, 故使用中必须定期对阳极进行酸洗。电解海水防海生物装置分为直接式和间接式两种。
2、电解铜铝防海生物装置的'特点
电解铜铝海水防海生物装置结构简单, 耗电量小, 安装方便, 无须专人管理, 无副产品, 但需要定期更换铜、铝阳极。电解铜铝防海生物装置也分为直接式和间接式两种。
3、电解海水和电解铜、铝复合装置的特点
氯一铜、铝复合防海生物装置的基本原理是利用电解海水产生的有效氯及电解铜、铝产生的铜离子共同作用来杀死海生物, 其防污染效果比单独使用的总效果大, 而且药物使用的体积分数比单独使用的低, 对环境的污染小；但总费用比
单独使用任何一种的总费用都要高。
六、综合比较与分析
1、电解海水防海生物技术的防污染效果最好, 但需要定期反冲洗, 以清除电解槽内的沉积物定期还要对设备进行酸洗, 将阳极上的水垢清除掉。间接式电解海水防污染系统, 具有操作维修方便, 海水处理量大, 便于检测等优点。与电解铜、铝装置相比, 电解海水防海生物装置的缺点是除了需要定期维护外, 一次性投资和耗电量较大在其使用剂量高于1*10-6时对碳钢有腐蚀, 为了不污染环境和控制对金属结构的腐蚀影响, 需有效控制残余含氯量。
2、电解铜、铝防海生物技术对贝壳类动物较有作用, 但对勃液类生物和植物类生物影响较小。电解铜、铝设备工艺流程比较简单, 除需定期更换阳极外, 不需要专人管理。直接式电解铜、铝防海生物装置可用于海水处理量不大的场合, 如, 能定期进坞的船只、井口平台等。它具有防污染和防腐蚀的双重效果,不额外占用面积, 也无须专人管理, 价格比间接式的便宜许多。直接式电解铜、铝装置用在平台上, 一般都安装在海水提升泵的套管内, 2年左右需提泵更换阳极用在船上的, 一般都安装在海底阀箱内, 只有在船的坞修期内才能更换阳极。间接式电解铜、铝装置不具备阴极保护功能,但检测方便, 海水处理量大, 并可随时更换阳极不受坞修时间的限制。与电解海水装置相比, 电解铜、铝防海生物装置的缺点是综合防污效果不如电解海水技术,资源不可再生铜、铝资源, 并会破坏海洋生态环境电解铜、铝的产物不可降解。在浅海地区使用电解铜、铝装置不符合来来对环境保护的要求, 电解海水装置的化学反应产品, 不会污染海洋生态环境, 而电解铜、铝的产物却会对海洋生态环境造成破坏。世界上己有一些国家对在海上排放铜等重金属制定了限制标准。
3、防海生物污染装置的选择与海水的处理量密切相关。对电解铜铝防海生物技术, 当海水处理量在300m3/h到 400 m3/h时, 主要考虑直接式电解铜、铝设备海水处理量在400m3/h到500 m3/h时, 主要考虑直接式电解氯、铜、铝复合设备海水处理量在600m3/h到1000 m3/h时, 主要考虑间接式电解铜、铝设备。对于电解海水防海生物技术, 由于直接式电解装置存在检测和维护比较困难的问题, 一般不推荐使用, 而以间接式为主。当海水处理量在500 m3/h 时, 可考虑采用间接式电解海水设备。
4、费用比较。在海水处理量比较小的情况下,采用电解铜铝防海生物装置的设备与维护费用,比较经济一些。对海水处理量较大的场合, 电解海水与电解铜铝装置的设备费用相差不多, 但电解铜铝装置的维护费用远大于电解海水装置,所
以, 这时多数都选择电解海水防海生物装置。
结束语
虽然防海生物装置在船舶等海上设备中只是一种辅助设备, 但它是这些海上设施必不可少的保护神, 必须根据海水的处理量和海水的用途以及海况和具体设施的情况, 认真进行分析与探讨,以选择出既经济又适用的防海生物装置。
参考文献：
（1） 海洋平台防海生物装置的应用 中国修船
（2） 石油平台海生物污损的防治方法
（3） 海洋污损生物及其防污 北京海洋出版社
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