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每年可节省上千亿的技术手段!光纤激光清洗铝合金表面天然海洋微生物污垢

发布:2022-05-23 10:03作者:www.huyunjituan.com点击:770次

海洋生物污染是指生物有机体在浸没在海水或潮湿环境中的材料表面不希望的生长和积累。海洋生物污染被认为是一个复杂的多阶段过程,涉及数千种海洋物种。海洋生物污损形成的阶段如图 1 所示。一旦结构材料浸入海水中,海洋生物污损过程就开始了。首先,由于吸收了一些溶解的有机和无机分子,在表面形成了快速调节的薄膜。由于重力、洋流、趋化性和布朗运动,海洋环境中的海洋微生物可以通过运输接触来调节膜。海洋、潜伏细菌、孢子等然后在表面定殖。基质和细胞外聚合物代谢物 (EPS) 周围的混合微生物有组织的群落形成称为海洋微生物污染的海洋生物膜。事实上,海洋生物污染过程仍在继续,同时建立了软硬海洋大型生物培养物,例如藻类、甲壳类动物、软体动物、管状蠕虫等。
自航行以来,海洋生物污垢一直是海洋工业中的一个突出因素,因为它会增加燃料消耗,增加腐蚀破坏,增加生物安全风险,并降低速度和机动性。这也对舰队结构产生影响。海洋生物污染对船舶、海军舰船、石油钻井平台、海洋作物和海水冷却系统造成严重的经济损失和环境损失。据统计,该行业每年花费超过 50 亿美元来防止生物污染。船体生物生长的总成本约为每艘船 100 万美元。每年发货。微生物污染可能会使美国海军战斗机的燃料消耗增加 10.3%。即使是大型船舶上 1 毫米厚的微小生物污垢也会使船体的摩擦阻力增加 80%,导致速度损失 15%。 Characklis (1990) 还计算出,仅 25 µm 的厚度就可以将心脏强度提高 8%。 Schultz (2007) 发现被微生物污染的菌株的摩擦系数在 33% 到 187% 之间。萨尔塔等人。 (2013) 发现微生物污染在降低船舶的水动力性能方面起着重要作用。 Galchenage 等人。他们还表示,船体堆积将不可避免地导致更多的干船坞,给船东造成重大经济损失。因此,定期清除或防止材料表面的海洋生物污损是迫切和必要的。
化学方法通常涉及使用可以灭活和杀死微生物细胞的化学品或杀生物剂。它们对微生物的生命有毒。杀生物剂的去除机制在于破坏细胞结构和功能。杀生物剂可以是氧化性的或非氧化性的。氯气是最广泛使用的氧化性杀菌剂,因为它成本低、效率高,但它会污染水和损坏设备。另一方面,非氧化性杀菌剂包括铵化合物、异噻唑啉、有机硫化化合物、醛类、表面活性剂等。海洋微生物会对化学品产生抗药性,因此长期使用会导致失败。
物理处理方法可以有效防止环境干扰和抗菌性能。这些方法包括机械去除、声学和紫外线辐射。手动机械清洁(例如使用电动和非电动手动工具)是一种实用且众所周知的方法,包括用高压水射流进行清扫、刷洗、刮擦和清洁。当前的两个问题是非常持久且不可控的基质损坏。近年来,已经开发出几种水下机器人用于水下航行器的机械刷洗。声学除霜技术的研究应用集中在去除船体、管道和压载水中的生物污垢。这些方法可分为超声波和声学火花。超声波去除机制是导致死亡的空化和防止生物污染,而声音火花去除机制尚不清楚。潜在问题包括清除效率低下以及人为噪声对海洋生物的负面影响。使用紫外线辐射可以灭活生物污垢。它通常用于杀死水生环境中的微生物,但不适用于去除坚硬表面的生物污垢。
化学方法通常涉及使用可以灭活和杀死微生物细胞的化学品或杀生物剂。它们对微生物的生命有毒。杀生物剂的去除机制在于破坏细胞结构和功能。杀生物剂可以是氧化性的或非氧化性的。氯气是最广泛使用的氧化性杀菌剂,因为它成本低、效率高,但它会污染水和损坏设备。另一方面,非氧化性杀菌剂包括铵化合物、异噻唑啉、有机硫化化合物、醛类、表面活性剂等。海洋微生物会对化学品产生抗药性,因此长期使用会导致失败。
物理处理方法可以有效防止环境干扰和抗菌性能。这些方法包括机械去除、声学和紫外线辐射。手动机械清洁(例如使用电动和非电动手动工具)是一种实用且众所周知的方法,包括用高压水射流进行清扫、刷洗、刮擦和清洁。当前的两个问题是非常持久且不可控的基质损坏。近年来,已经开发出几种水下机器人用于水下航行器的机械刷洗。声学除霜技术的研究应用集中在去除船体、管道和压载水中的生物污垢。这些方法可分为超声波和声学火花。超声波去除机制是导致死亡的空化和防止生物污染,而声音火花去除机制尚不清楚。潜在问题包括清除效率低下以及人为噪声对海洋生物的负面影响。使用紫外线辐射可以灭活生物污垢。它通常用于杀死水生环境中的微生物,但不适用于去除坚硬表面的生物污垢。
生物污染是一个非常动态的过程,跨越许多长度和时间尺度。海洋环境中新表面的污染通常被描述为一个四步过程:有机分子调节层的形成,细菌和潜伏生物等微生物对藻类的初始定殖,以及多细胞巨细胞的发育污染物。
为了克服现有去除方法的上述缺点,有必要开发一种高效且环保的方法,在不损坏或改变基材的情况下从金属表面去除不需要的海洋生物污垢。例如,激光已成为一种很有前途的生物污损工具。
脉冲激光表面清洁技术在过去的几十年里受到了很多关注。一些关于激光辐射与微生物相互作用的最早研究可以追溯到 1990 年。7.3 mW He-Ne 激光已被证明可以杀死牙齿上的细菌。然而,激光疗法对海洋微生物的应用仍然非常有限。 Nandakumar 选择了特定的海洋微生物来消除,包括 Pseudomonas pseudoalternus、C. costa 硅藻和 Chaetomium ciliates,以及在钛和玻璃基材上形成的天然海洋生物膜。这些研究集中在生物学上。通过测量激光照射不同时间点的光密度 (OD) 和总生存力 (TVC) 来分析生物膜的生长和死亡率。在辐照之前,所有的细菌和硅藻都被转移到无菌玻璃管中。用最大平均输出功率为 4 W、低频为 5 或 10 Hz、脉冲宽度为 5 ns 的 Nd: YAG 激光照射这些海洋生物。消除的主要机制是细胞壁的破坏,从而导致微生物的死亡。该技术在供水系统中具有巨大的应用潜力。因此,激光照射可以被认为是未来可能的除雾技术。激光技术具有非侵入性、可控精度和尊重环境等重要优势,使其成为一种很有前途的材料表面清洁工具。
随着激光技术和机器人集成技术的飞速发展,研制出高平均输出功率的纳秒脉冲激光器。此时,激光清洗开始。它正在发展成为一种环保技术,可以清洁或去除各种物体,例如金属薄膜、涂层、油、颗粒和其他污染物。由于最近的基础研究,激光清洗已在工业领域占据重要地位。例如(1)航空航天工业:在焊接/钎焊前去除航空航天工业中轻金属合金表面的氧化层; (2) 航空航天业:修理前去除油漆/船体涂层; (3) 汽车:焊接 (4) 核:核电站中污染颗粒的清洁。
这项工作创新地使用高效环保的高产纳秒光纤激光清洗技术,直接从铝合金中去除化学复杂和自然生长的微生物污染物。与 Nandakumar 报告的发现相反,这项工作的独特和新颖之处在于,它是一种环境友好的方法,它使用激光立即去除、根除和消除海洋微生物的生长,而不是海洋微生物或杀死细胞死亡。它具有更高的效率,更适合去除硬表面的雾气。这对于轻型船舶部件表面生物污垢的有效环境清洁具有重要意义。
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