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钛电极海水电解防污处理技术

发布时间:2020/10/8 21:56:56

  一、前 言:海洋污损生物也称海洋附着生物,是生长在船底和海中一切设施表面的动物、植物和微生物。这些生物一般是有害的。船底长生物称为生物污损,防除生物污损称为防污。生物污损是人类开始接触海洋就遇到的生物危害污损生物对船舶和管道的危害,早已引起人们的极大注意。近年来,随着海洋事业、造船工业的发展,海生物附着污损已引起人们的极大重视,在海生物生长繁殖旺盛季节,仅经过l一2个月的时间,就可能在船舶壳体、海水冷却系统以及其它建筑物表面长满海生物。研究表明,海生物对碳钢和低合金钢的腐蚀率有重大影响。附着生物使阀门无法美严,通过海水管路和冷却器的冷却水流量下降,冷却器热交换效率下降,从而增加燃油消耗,有时船舶不得不停船进行清理工作,有时设备仪表损坏,转动部件失灵,造成严重的事故,给人们带来巨大的经济损失。
  二、防污处理技术
  防止海生物附着的方法,人们经过科学研究,总结出以下十几种,虽然它们都有一定的局限性,但都有效,县有不同程度的价值。
  1.涂刷防污漆
  防污漆是由毒料、颜料、漆料、溶剂、助剂等组成,毒料是最重要组分,常用的毒料是有毒汞化合物,其它常用毒料有DDT、各种有机锡化合物,其作用是靠毒料不断从漆膜中渗出,在结构物表面形成一个有毒薄层,排斥或杀死企图停留在漆膜上的海生物的孢子或幼虫。铜离子、汞离子等具有凝固有机体内蛋白质的作用,可达到防污的目的。
  2.向海水中大量添加毒科
  毒料主要是液态氯、漂白粉等。利用这些物质的强氧化性,造成有机物质氧化,海生物机体被破坏,令其死亡。
  3.电解海水生成次氯酸盐
  海水中含有大量氯离子,利用特种电极通入直流电.将海水电解生成次氯酸钠.海水中低浓度的次氯酸钠就能使海生物的细胞组织破坏,使幼虫、卯、孢于等死亡或失去附着能力。
  4.电解重金属法
  许多重金属都是有毒的,目前应用的最多的电解铜或者合金其方法是在海水中安装铜阳极,通过直流电电解成铜离子溶解到海水中.铜离子是毒料,能减少许多动物学生物的附着量,起到防污的作用。
  5.人工或机械清除法
  这是对已经附着了生物的结构物所采取的措施,通常是利用正常停机期间,进行非作业线人工或机械清除,主要对象是无脊柱动物,利用该法解决污损问题仍占很大比例。
  6.过滤法
  该法是在海边挖深海水井,利用土壤、砂砾等的过滤作用,滤去海生物冉句卵、孢子、幼虫等,避免了海生物在海水输送系统内生长。
  7.加热法
  是向已经附着了海生物的海水输送系统内通热水(或热碱水),当温度_达到50'C时持续半小时.即可杀死附着物,然后用大量海水清洗管道,清除残骸。
  8.封闭法
  将附着了生物的管道两端堵死,管道内由于缺氧和饵料+几天后海生物自行死亡, 然后冲洗管道.清除残骸。
  9.利用淡水
  由于生活环境的变化,海生物自行死亡,有的船舶就是往返在海洋与河流之间航行,海生物或淡水生物即会死亡.但其残骸堆积在管道内,必须及时清理。
  10.采用防污衬料制作结构物
  根据结构物的性能要求,选用适用的金属或合金制成结构物.利用结构本身具有的毒性,阻碍污损生物的附着.如采用防污铜合金制成取水头部的拦污格栅具有毒性的金属有银、砷、铜、铅、锡、镉、镍、锌、汞、钻等。
  11.提高浸海物体的运动速度
  静止的浸海物污损最严重,试验表明,在结构物表面的海水流速达2.9—8.5海里/h,所有的动物污损都受到一定的影响,当速度达到11海里/h时,藻类的附着就受到了影响。
  12.臭氨法
  近几年来耐化学处理深度开发的同时, 一种在观念上具有更新意义的臭氧法冷却水处理技术正在国外兴起。人们已经发现,在冷却水中通八臭氧,不仅能荣灭水中的细菌、病毒,还可以抑制或消除结垢。控制设备腐蚀,且无需加任何化学药品,不调PH值、不排污、不污染环境、操作费用低,固此越来越受人们关注。
  与氯相比.臭氧除具眷更强的广谱象生作用外,还有比氯更快的杀生速度。研究结果表明,臭氧的杀菌速度比氯气快3125倍,亦即若选用适宜的臭氧浓度, 臭氧的杀生速度以秒计,而氯的杀生速度以小时计。臭氧与氯相比,不但氧化破坏生物酶的能力强,而且扩散透入细胞壁的速度比氯快.因此,自然比氯具有更大的杀生力。实践证明,用臭氧处理废业用水不需再辅以非氧化型杀生剂.也就避免污染环境之忧。
  由此可见,臭氧法不仅在技术上可行,而且也很经济。但需指出.臭氧处理法尚处于开发阶段,其作用机理并不十分清楚.技术上还有待进一步完善,能否取代化学方法也难预言,但作为一种独特的冷却水处理方法还是有生命力的,应结合我国的具体情况对之开发利用。
  13.其它防污方法
  超声波防污是使用电子振荡器驱动声发射装置,造成附着物难以生存的环境;紫外线防污是利用2537×10-10m紫外光能改变某些分子韵化学键,长期或周期地开关光能发射装置可达到长期完全防污的效果;还有使用含有毒料的橡胶层或是涂覆可剥离的塑料薄膜层等,这些方法只限于某些局部的、特定的环境下使用,其应用范围很有限。
  三、防污方法比较
  由于所要防除的附着生物是多种多样的,而且环境条件、海中结构物或海水流经设备都是很不相同的,因而任何一种防污方法都有一定的局限性,下面就几种最常用方法作一些比较。
  1.防污涂料
  这是一种应用范围最广,又不需要管理的防污手段,随着科学技术的不断发展,防污涂料的品种越来越多,防污年限也有所加长.对于施工方便和能够重新涂刷的结构物,该法最为适宜,且一次投资少,船壳防污几乎全部应用涂料。
  局限在于:① 防污寿命短;一次涂刷最长的防污寿命是3—5年.反复涂刷费用高。② 防污范围有限;仅限于涂刷部位。③ 施工困难:施工人员在工作中接触有毒物质,特别是在管道施工过程中,条件极差,有碍健康.对于一些较细管道或投入使用后重新涂刷的粗管道的施工有一定困难,或者根本无法进行。④ 可能会造成局部环境污染;特别是在海中固定的结构物或大型管道的海水定点排放处,因毒料常年定点释放,会造成局部海水污染 ⑤ 毒料有一定的浪费:在某些地区,冬季无海生物附着-由于漆膜中毒料的释放速度无法人为控制,使得毒料在不需要的季节仍然不断地释放出来,关于防污漆的使用,国际上已有些限制协议,如有机锡类防污漆,禁止在游艇和鱼网箱上使用,也限制在远洋货轮和水下结构物上涂刷。
  2.施加液氯
  这也是曾经广泛使用的防污方法,它可以采用季节性连续大剂量投放,适合于管道防污。防污范围广,可保证海水流经之处全部不长海生物 该法有以下不足:① 不安全:液态氯的贮存运输危险性大。② 日常管理复杂;对于液态氯的贮存、运输、向海水中施放等需要的管理人员多 ③ 一次投资大:需要建立加氯车间,储氯车间+购置储氯机、液态氯贮罐等。④运行费用高:每年用于购买、运输、贮存液态氯的费用是很可观的 ⑤ 液态氯的毒害作用:由于它容易泄漏,会造成局部空气污染,危害操作人员的身体健康,由于以上原因,目前该方法正在被逐渐完善起来的电解海水制氯法所取代。
  3.电解海水制氯法
  电解海水防污,是通过特制的电极电解海水,产生的氯和次氯酸根是强氧化剂,对海生物具有毒性可杀死海生物,达到防止海生物附着生长的目的。在电解海水时,主要有下列反应;
  阳极反应: 2Cl-→Cl2+2e                           (1)
  40H- → O2+ 2H2O+ 4e                               (2)
  阴极反应: 2H2O+2e→2OH-+H2                 (3)
  阴阳两极产物混合而生成次氯酸钠;
  C12 + 2NaOH→NaOCl+ NaCl+H2O            (4)
  这是从六十年代起,首先在英国、日本研究的技术,现在已广泛应用于英、美、日、加拿大、意大利、俄等国,应用范围主要是海水管道及海水冷却系统,特点是:① 安全可靠:海水的电解是在密闭的管道中进行的,对操作人员的健康无影响。②日常管理方便:操作简单,设计合理,可以不要值班人员,采用定期巡视的方式,冬季停用时对装置进行一次维修 ③经济性:所用原料是取之不尽的海水,一次投资长期有效,日常生产只须花费一些电力,3—5年内定期更换一次极板;可根据季节变化和海生物附着情况,经济合理地使用设备, 不会造成浪费。① 防污范围广:和加氯法相同,可以做到整个海水系统全面防污。⑤ 环境无污染:控制排出海水中有效氯的浓度是很低的,不会造成对环境和鱼类的危害,缺点是:① 一次性投资大:需要建立制氯车间,购置制氯设备等。②消耗一定的电力。③与防污漆相比,仍需配备一定的管理人员,设备需要定期维修。
  4.电解重金属
  该法在世界各地的商船、海上平台等海水管道防污中,得到了大量而广泛的使用,较之施加液氯法和电解海水法投资省,管理方便,运行费用低,防污范围广,安装简单,所用电力很少。因为所用阳极是消耗型的,必须在几年内(一般设计成与船的维修期相同)更换一次阳极,有时不可避免地要采用水下作业,以更换消耗完的阳极,给使用该法防污造成一点麻烦。目前还未见到在使用大量海水的工程中应用该方法的报导,这恐怕是由于铜的用量毕竟可观,而定点长期排放还要考虑到环境污染,更换阳极有一定困难等。
  5.其它方法
  人工或机械清除、加热、封闭、利用淡水等法都不同程度的应用,主要解决大型海水管道堵塞,对于解决热交换器的热传导效果作用不大。
  四、电解海水防污
  目前, 电解海水、铜阳极、铝阳极这三种方法对于船舶及海滨电厂等的海水冷却系统的防污更为方便可行,现已在许多国家得到广泛应用:日本有数百台MGPS(防止海生物生长装置)在船舶上使用;英国皇家海军从1965年开始在船上使用电解海水防污装置;美国的的海水电解次氯酸钠发生器大量地应用于大型船舶中; 日本的三菱Gulf油田,德国的Reeder Forshufig公司,加拿大Bowdril公司,意大利SNAM Progetti公司以及美国Amaco公司都将铜阳极、铝阳极防污防腐技术应用到船舶和平台上。铜阳极、铝阳极防污防腐装置,已成为全世界的海军和商船防污的设备。氯-铜阳极防污系统由英国菲尔德大学所属咨询公司研制的,被称为BFCC系统,认为该系统代表了 现代的防污技术水平”。
  电解防污包括电解海水防污、电解铜阳极、电解铝阳极,有时是同时采用几种方式,产生协同效应,目前采用的阳极主要有钻银合金,铁涂氧化铅,铂/钛,钛涂二氧化钌,钛涂氧化铱,钛涂铂、氧化钌、氧化钯等。具体过程是:用通入直流电的特制阳极电解海水,同时电解铜阳极和铝阳极,前者产生氯气,杀死海生物的幼虫和孢子,起到防污作用 电解铜阳极生成铜离子,电解铝阳极产生AI(OH) ,AI(OH)包封着释放出来的铜,随海水流动从被保护系统中通过,它具有很高的粘性, 会散布开来而进入海生物很可能栖生冉白海水流动较缓慢的区域,而且铝电极系统在天然海水中电解时,作为阴极冉白铁板表面生成不溶性氢氧化物覆盖层,该覆盖层起到阻滞氧的扩散,增加浓差极化使腐蚀速度减缓的作用。这样可以同时达到防污、防腐的目的。在电解海水的过程中,由于阳极的氯过电位、阴极的氢过电位,及海水比阻抗增大和副反应,引起有效盐分的变化,又由于海水中杂质的缘故,实际的耗电量要比理论上的多几倍。因此设计实用装置时,基本的一条是尽量减少耗电量,也要考虑Mg(OH)2 的析出及杂散电流的影响。
  在实施防海生物附着方法时,还有一些要领须注意: 目前电解海水电解池中电撅的排列方式共有三种形式:板式组台、管式组合、双极性组合。
  电解池中电极的安装叉分为直接式和间接式:
  在海水主水管上安装电极叫直接式;
  将部分海水分流,或者是采取适当的方法,进行电解海水,并将含有很浓的电解产物的海水注入到主水管里叫间接法。
  直接法虽较简单,但存在以下缺点:海水中浮游物将导致电极破损,大容量设备的配线费用高,杂散电流对周围的影响等,使用时应注意。
  电解海水有以下两种方式:
  ① 隔膜式
  在阴、阳电极之间设置由石棉、石棉布、玻璃布等组成的间壁。
  ② 无隔膜式
  因为采用隔膜式和无隔膜式时电流效率无差别,且由于海水流量(滞留时间)的变化,其总效率会有很大的变化,故而当有象Mg(OH)2 这样的阴极产物分离出来时,应采用隔膜式。采用这种方法的缺点是:电解槽的结构较复杂,设备费用高。然而,采用无隔膜式的缺点是;电解槽中的副产品难以利用,但其有结构简单、设备费用便宜、维修方便等优点。