海洋监测仪器生物防护技术文献综述

海洋监测仪器生物防护技术文献综述一、目的和意义地球是个美丽的蓝色星球，赋予其颜色的就是占地球总面积四分之三的“蓝色领土”——海洋。很早以前，人类就从海洋中摄取各种各样的资源，随着人类活动范围的日益扩大，现代生活对能源和资源的需求日益增多，人类开始涉足越来越远的海域。中国是海洋大国，拥有漫长的海岸线和广阔的领海，包含了丰富的渔业、矿藏、石油等海洋资源[1]。为了研究海洋和勘探资源，人类也建造了各种各样的海洋监测仪器。同时，为了开发海洋资源，人类建造了大量的海洋设施，诸如渔业养殖网具、海上钻井平台等。发展智能海洋离不开海洋长期监测，这需要对观测仪器进行保护[2]。世界上已经建立了许多海洋自治环境监测网络。这些系统利用现有上层建筑的优势，如海上平台，轻型船，码头，防波堤或位于专门设计的浮标或水下海洋结构。这些系统一部分使用各种传感器来测量参数，例如溶解氧，浊度，电导率，pH或荧光；另一部分则使用摄像监控来直接观测海洋生物和水下生产设施。海洋监测的重点必须放在长期的测量质量上，而传感器和摄像镜头可能会面临很多短期的生物污染效应，生物污染会破坏测量的质量，使摄像机无法进行观察，有时不到一周生物污染就会造成影响。研究人员和制造商研究了许多防止仪器上生物污染的技术，它们中的很少一部分是在仪器上实施的，而且很少有部分在海洋传感器上进行现场测试，只能部署一到两个月[3]。海洋水下装备作为我国海洋战略中的重要组成部分却由于具有技术、投入、风险三高等的特点，被国外发达国家长期垄断，很大程度上制约了我国海洋资源的自主勘探与开发。因此研宄海洋观测仪器的生物污损，补上我国海洋长期监测的短板，实现在水下设施进行测试和工作时，对其进行有效的监管和调度。二、海洋生物污损防护发展现状1、海洋生物污损防护简介任何浸入海水的海洋设施表面都会被海洋生物附着，这些生物包括细菌、藻类以及各种微生物、动物等，这些在表面附着洋生物的现象就被称作海洋生物污损[4]。海洋生物污损对海洋产业也有着严重的危害，海洋污损生物在船体表面的积累，会在船体表面形成不规则表面，极大的增加船航行时的摩擦阻力，从而增加燃油的消耗。同时海洋污损会对船体造成腐独，特别是类似于藤壶这种无脊椎动物的附着。藤壶通过分泌生物粘结剂能够牢固的附着在船壳表面。随着藤壶的生长，其边缘刺破保护涂层，深入内部，使保护涂层过早失效，导致船体腐烛。另外，海洋污损生物在水电站冷却管、渔网箱等上面的附着，造成冷去水管的堵塞，降低电站的运行效率，而渔业网箱上的海洋污损生物甚至还会造成养殖海产品缺氧死亡，也会造成严重的经济损失。海洋生物污损是一个世界性难题，据统计全世界在处理海洋生物污损上的费用每年高达数百亿美元。因此解决这一世界性难题，对发展海洋经济有着重大的意义[5]。自从人类开始从事海洋活动盾，就逐渐意识到海洋污损生物的附着问题。为了减少污损生物的损害，提高船舶的航行效率，人类与海洋附着生物展开了长期的抗争，这己经有几千年的历史，至今世界范围内己经采用了多种措施和手段来抑制海洋污损生物的附着，这些方法主要包括：机械脱除法、电化学防污法、超声波防污法、防污涂料法[6]。1）机械脱除法机械清除是对己经附着在船底或设施表面的生物进行定期的清除，借助相应的机械设备在船体表面进行有规律的清除或刮除，或者是借助于高压水枪，对被附着表面进行冲洗。送种方法的缺点是每次清洗都要求船舶靠岸或进入船坞清洗，而且耗费大量人力物力。2）电化学方法电化学方法是通过对海水进行电解生成氯气，生成的氯气进一步水解在船体表面形成次氯酸保护层，或是直接电解重金属，使其生成重金属离子层，从而杀死污损生物幼虫，使其失去附着的能力。电解生成的重金属会对海洋环境产生污染，重金属会在海洋生物体内沉积，而在船体表面电解生成次氯酸离子的方式在实际操作上有很大难度。３）超声波防污法研究发现，采用20-200KHZ频率的超声波可有效驱逐海洋生物，防止生物附着，在船体表面应用超声波能够抑制污损生物的附着，但这种方法成本相对较高，而且超声波对于人体和海详生物的影响还有待进一步研究。４）防污涂料法防污涂料方法是在船体表面涂刷一层防污涂层来抵抗污损生物的附着。到目前为止，无论从经济角度还是防污效果上来看，防污涂层方法都是目前可采用的最行之有效的方法。下面对其应用和发展状况进行进一步详细探讨。2、海洋观测仪器的生物污损防护简介长期以来，生物污染一直被视为海洋监测的限制因素，许多海洋监测站的开发目标是收集数据以校准卫星观测数据或进行沿海水质评估。他们大多数是浮标或地下系泊。这些系统现在配备了先进的传感设备。传感器，外壳和支撑结构易受到结垢问题的影响，并且必须强调短期的生物污染效应会长期的影响测量质量。这种情况非常复杂，必须通过两种方式同时进行：改进生物污染机制的认知（增长和附着）以及制定预防策略。此外，还应考虑两个方面，即传感器外壳的保护和传感器传感接口的保护。实际上，在目前的仪器中，制造商很少考虑到保护壳的生物污染保护，所使用的材料和传感器的几何形状由测量技术的要求或机械或经济问题决定，而不是优化生物防污保护。现有技术按照其作用原理可分为物理去除方式、化学药剂灭杀方式及降低表面能方式，但是这些技术难以直接应用到海洋观测领域[7]。如图1所示的典型海洋观测平台往往采用开放式结构，其典型设备有观测仪器适配器、传感器、摄像系统、框架结构及一些连接线缆等。这些观测设备直接暴露在天然海水里，生物附着可以引起某些观测数据产生持续漂移，使得水下摄像机难以获取清晰的影像资料，引起声学通讯换能器前端阻抗错配，从而影响通信可靠性。此外，生物附着还能影响海洋观测设备的散热、水动力流场，以及对机械结构带来额外的腐蚀等。图1典型海洋观测平台防生物附着技术可被分为被动方式和主动方式。被动方式和主动方式是通过实现防生物附着的过程中是否需要消耗能量来区分的，其中前者不需要消耗能量，而后者则需要消耗能量。被动方式是传统工业上使用较多的方法，主要以各种涂层方式来防止生物的附着。主动方式的防生物附着策略较多，如物理去污技术、间隔浸泡消毒技术、局部电解氯技术、UV光线技术等。此外，也有学者将防生物附着技术分为物理法、化学法及生物法。这些技术所能起到的效果受到很多因素的限制，不同海域位置、深度、温度、浑浊度、水流速度、被附着物材料类型等都可能影响其效用。为了确保防生物附着技术能取得预期的效果，除了了解各种防生物附着技术的特点和局限性之外，还需要对海域特点作预先的调查，并了解生物附着的类型，从而选取合适的防生物附着策略。三、海洋监测仪器的生物污损防护发展现状1、海洋监测仪器的生物污损防护国外发展现状国外海洋监测仪器的生物污损防护处于正在研究工作中，传感器感应区域的保护是其过去十年来一直在解决的问题。目前，国外市场上有四种常用的海洋传感器的生物防污保护系统：1)物理去污物理去污方式主要是采用刷子直接拭除被附着表面上的生物附着物，原理简单明了，已应用于很多商业化产品。图2是一种水质多参数传感器，该传感器由一个电刷刷除传感器探头表面的附着物。这种方式在电刷系统正常、组件配合精密时效果较好，但一旦刷毛变形、刷头与传感器探头间隙变大时效果就变差了。此外，这种方式对电机旋转密封的可靠性有较高的要求，且较难将其应用于球面的保护。图2水质多参数传感器上的防生物附着电刷2）间隔浸泡消毒间隔浸泡消毒方式是通过机电装置周期性地提高被保护物所处容腔内的灭菌剂浓度，来达到去除生物附着物的目的。理论上，只要设定合适的消毒周期和持续时间，可使得生物附着物在生长初期就被灭杀。图3显示的使用间隔浸泡消毒方式消除荧光度计上生物附着的工作过程，几个光学探头由一个铜腔体保护起来，这个腔体旁边有一个电机来带动大叶片。当需要消除生物附着时，电机带动叶片转到合适的位置，使叶片与铜腔体形成一个密闭空间，通过杀菌剂消除附着在光学探头上的生物[8]。另外，与间隔浸泡消毒技术方式十分类似的方式是铜遮板方式，两者的区别在于后者没有容腔，后者消毒时旋转铜板与传感器探头之间距离很近。铜遮板结构的抗生物附着实验结果可以看出，在490天的布放周期内，被保护的传感器都只是发生轻微地附着。但与电刷方式类似，这种间隔浸泡消毒技术的实现方式增加了结构上的复杂性。另外，对于pH传感器等需要很长稳定时间的传感器，还必须考虑灭菌剂对传感器稳定时间的影响。图3间隔浸泡消毒技术示意3)局部电解氯局部电解氯方式采用电解海水制氯原理，这种技术在冷却水系统中经常被用到。局部电解氯方式对微型生物膜及大型附着物都有效，因此使用最为广泛。这种防生物附着装置一般以钛为电极，通过电解作用产生灭菌剂杀灭附着物。图4所示的应用中，电极被做成网状紧贴在被保护的传感器探头附近，通过外接的电池仓对该传感器附近的电极通电产生电解反应。图5所示的应用中，该装置的电极网被做成圆柱形，其能保护的区域是放置于其中的部件[9]。图4局部电解氯技术在荧光度计上的应用图5局部电解氯装置的结构及其在光学传感器上的应用4）紫外光(UV)照射紫外光(波长小于253nm)能杀死大多数循环水系统里的细菌，广泛应用在医院及食物消毒领域。在海洋探测领域，2014年AML公司推出了基于紫外光(UV)原理的防生物附着产品，并在加拿大海洋观测网的FolgerPinnacle科学平台上得到应用。这个科学平台所在位置的生物附着非常严重。图6展示了UV照射的效果。从外观上看，仪器平台在海底放置12个月后，未做保护的传感器已被严重附着，包括探头部分，而通过UV照射的传感器探头部分则是干净的，其余部分的污损程度也要好于未保护的传感器。同时，基于UV照射的防生物附着方法能提高科学数据的可靠性，延长维护间隔时间。如图7所示，绿线曲线代表使用了有毒灭菌剂保护的盐度数据，可认为是标准值。通过对比可看出，未采用UV照射的传感器采集的盐度数据在1个月后开始偏离标准值，而采用UV照射时，UV1传感器在12个月内都很好地跟随标准值，而UV2传感器在UV正常工作时能很好地跟随标准值[10]。不过，紫外光保护装置的一个缺点是能耗较大。以上述装置为例，其能耗是230mA@12VDC，这对于自容式系统来说通常难以接受。当然，对于缆系海底观测网来说，此类能耗不是制约因素。通过UV照射防生物附着的方法也有其局限性，如其对水质的要求比较高，水中的颗粒物等会大大降低UV射线的灭菌效率，因此该方法在高浊度海水里的防生物附着效果是令人担忧的[11]。事实上，决定UV射线保护效果的参数是单位被照射面的能量及时间，如杀死幼虫的照射剂量为672mWs/cm2。图6UV射线防生物附着试验(左中保护，右未保护)图8有无采用UV照射的盐度数据对比当使用传感器的生物污染保护时，这四种技术是最常用的技术，每种技术都有优点和缺点。除此之外，目前已经开展了许多其他研究来开发生物防污保护技术，主要有加热方式、超声波方式、震动方式及电场方式等，这些技术在理论上可行，但尚无实际应用[12]。加热方式是采用高温对附着生物进行灭杀。激光也可用于防生物附着，这种方法的效果与激光的强度成正比。电场方式是在采用高电压杀灭附着物。其中一些在人工环境中显示实验室改进，但不适用于真实海水环境中的传感器保护。原因可能是保护效果不够好，或使用的材料不能承受海水环境，或者传感器测量受到保护的不利影响或成本太高[13]。2、海洋监测仪器的生物污损防护国内发展现状目前国内还没有研制海洋监测仪器的生物污损防护的科研单位和厂家，由于国内在海洋监测领域的研究起步较晚，而且产品设备还没有成熟的研究和应用可供参考，只有少数科研院所和相关企业在这一领域做相关研究。大部分的研究处于短期的监测阶段，没有长期监测的项目需要海洋监测仪器进行生物保护。参考文献[1]蔡卫国,汪静,迟建卫,等.测试海洋污损生物附着强度的动态模拟试验装置[J].大连海洋大学学报,2011,(05):463-466.[2]孔亚广,席维,郑松.超声波防除海洋污损生物研究[C].2013年全国功率超声学术会议,2013:4.[3]杨宗澄,白秀琴,姜欢,等.船体表面海洋污损生物附着规律分析[J].船舶工