電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用研究與仿真分析

張西珠，趙金安

(太原工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用研究與仿真分析

張西珠，趙金安

(太原工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

當(dāng)前船體清污方法對(duì)海水的污染較大，且需定期更換，成本較大，為此將電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污中，分析了電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用原理，采用電解槽方式對(duì)船體進(jìn)行清污，給出電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污的裝置流程，將海水從海水泵導(dǎo)入電解槽進(jìn)行電解，通過電解槽出口進(jìn)入分離罐，到達(dá)攔污柵，令冷卻水泵從海水箱中吸入和電解液混合的海水，傳輸至海水冷卻系統(tǒng)，防止海生物附著在船體上。給出電解槽的數(shù)學(xué)模型，降低極化電位，確定電極材料，降低歐姆降對(duì)電解糟的影響，減少 Pcl2和 PH2，通過電解槽數(shù)學(xué)模型對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問題進(jìn)行解決，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電解槽。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提方法對(duì)船體進(jìn)行清污，清污效果較好，在 RuO2含量為 30% 的情況下，電極性能最高。

電解海水計(jì)算；船體清污；電解槽

0 引 言

近年來，隨著造船工業(yè)與海洋事業(yè)的迅猛發(fā)展，海生物污損對(duì)船體造成的危害已經(jīng)受到廣泛關(guān)注[1-2]。海生物在船體上的附著使船舶阻力大大增加，減緩了航行速度，提高了燃料的消耗，同時(shí)加快了船體的腐蝕，大大增加了船舶運(yùn)行和維修費(fèi)用，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失增多[3-5]。因此，解決船體清污問題具有重要意義，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題[6]。

目前，有關(guān)船體清污的研究有很多，相關(guān)研究也取得了一定的研究成果，其中，文獻(xiàn)[7]通過在冷卻水中通入臭氧對(duì)船體進(jìn)行清污處理，不但可以殺滅船體中的細(xì)菌、病毒，還能夠防止結(jié)垢，避免船體腐蝕，同時(shí)不需要添加化學(xué)藥品，不僅不污染環(huán)境，而且操作成本低，但該方法正處于開發(fā)階段，技術(shù)并不成熟，無法應(yīng)用于實(shí)際的船體清污中；文獻(xiàn) [8] 利用防污材料制作結(jié)構(gòu)物實(shí)現(xiàn)船體清污，按照結(jié)構(gòu)物的性能要求，選用合理的金屬材料制作結(jié)構(gòu)物，通過結(jié)構(gòu)物自身的毒性，防止污損生物附著在船體上。但該方法在很大程度上會(huì)導(dǎo)致局部環(huán)境被污染。文獻(xiàn) [9] 采用電解金屬的方法實(shí)現(xiàn)船體清污，通常采用的金屬為銅及其合金。該方法將金屬銅與鋁看作是陽極，將被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物看作是陰極，通入少量直流電，將銅離子和鋁離子電解出來。金屬銅具有毒性，能夠降低很多動(dòng)物性生物的附著量，達(dá)到船體清污的目的。由于所采用的陽極為消耗型的，因此需定期更換陽極，成本較高，而且更換過程十分復(fù)雜；文獻(xiàn) [10] 采用涂刷防污漆的方法實(shí)現(xiàn)船體清污，防污漆主要包括毒料、漆料、溶劑等，其中毒料所占比重最多。防污漆通過毒料的不斷滲出，在船體表面形成一個(gè)有毒薄層，從而殺滅漆膜上的污損生物，實(shí)現(xiàn)船體清污。但該方法的防污壽命較短，需要反復(fù)涂刷，成本較高。

針對(duì)上述方法的弊端，將電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污中，分析了電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用原理，采用電解槽方式對(duì)船體進(jìn)行清污，給出電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污的裝置流程。給出電解槽的數(shù)學(xué)模型，通過該模型對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問題進(jìn)行解決，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電解槽。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提方法對(duì)船體進(jìn)行清污，清污效果較好，在 RuO2含量為 30% 的情況下，電極性能最高。

1 電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用原理

通過電解海水計(jì)算對(duì)船體清污是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的一項(xiàng)清污新技術(shù)。簡單的說，其通過直接電解海水獲取氯和氯的化合物-氯酸鈉，以殺滅附著在船體的海生物。

海水為含有多種鹽類的電解質(zhì)，其濃度在 3.5% 上下，其中 70% 為 NaCl，海水的主要成分如表 1 所示。

針對(duì)不同的海區(qū)，海水的成分和濃度也有所不同，所以海水電解計(jì)算過程非常復(fù)雜。為了便于分析，本節(jié)將海水看作是約 3% 的弱堿性食鹽溶液，用不溶性或微溶性電極對(duì)海水進(jìn)行電解，圖 1 描述的是電解反應(yīng)示意圖，其主要反應(yīng)過程如下：

陽極

陽極上產(chǎn)生的 Cl2在電解液中立即溶解成氯的水合物，水合物再離解成次氯酸和鹽酸，反應(yīng)式如下：

表 1 海水的主要成分Tab.1 Main composition of seawater

陰極

陰極周圍的產(chǎn)生物 NaOH 和海水中的鎂離子反應(yīng)，產(chǎn)生絮狀的白色沉淀物 Mg(OH)2：

若選用無隔膜形式對(duì)海水進(jìn)行電解計(jì)算，則陽極周圍的 HClO 和陰極周圍的 NaOH 反應(yīng)，產(chǎn)生次氯酸鈉 HClO：

電解海水計(jì)算過程中形成的 Cl2與 NaClO 即為船體清污的有效成份，其可以對(duì)附著在船體上的海生物維持生命所必須的酵素進(jìn)行分解，使海生物的呼吸系統(tǒng)被損傷。所以，僅需在船體上施以一定濃度的氯即可避免海生物的附著，達(dá)到船體清污的目的。

2 電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用

通過電解海水計(jì)算對(duì)船體進(jìn)行清污共有 2 種方式：一種是電解槽方式，另一種是直接電解方式，當(dāng)前通常采用的是電解槽方式。

2.1 電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污的基本流程和裝置

電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污的裝置流程圖如圖 2所示，其主要由電解槽、分離罐、攔污柵和冷卻水泵等構(gòu)成。

將海水從海水泵導(dǎo)入電解槽進(jìn)行電解，再通過電解槽出口進(jìn)入分離罐，到達(dá)攔污柵，最后冷卻水泵從海水箱中吸入和電解液混合的海水，傳輸至海水冷卻系統(tǒng)，從而防止海生物附著在船體上。

2.2 電解槽的數(shù)學(xué)模型

分析以上流程可知，將電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污的核心部件為電解槽，若電解槽性能優(yōu)異，則可有效控制電極反應(yīng)的進(jìn)行，使電解海水反應(yīng)朝著有助于船體清污的方向前進(jìn)。依據(jù)電化學(xué)理論，海水在電解槽中電解的電化學(xué)關(guān)系可通過一個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，也可通過該模型對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問題進(jìn)行解決，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電解槽。

電解槽的數(shù)學(xué)模型可描述成：

式中：V用于描述電解槽槽壓；PCl2、PH2分別用于描述形成的 Cl2、H2的分壓；[] 為濃度；η極化用于描述電極的極化電位；η歐用于描述海水的歐姆降；η濃差用于描述濃差極化電位。

分析式（8）可知，在電流密度條件相同的情況下，隨著電解槽槽壓V的逐漸降低，電解反應(yīng)的去極化作用越強(qiáng)，即產(chǎn)氯量越高，耗電量越低。因?yàn)楹Ｋ臐舛柔槍?duì)同一海域而言為定值，η濃差在電流密度與海水濃度相同的情況下變化較少，所以影響電解槽性能的因素為η極化，η歐以及PCl2，PH2。

2.2.1 降低極化電位η極化，確定電極材料

降低η極化就是降低陽極極化電位。由于在陽極析氯反應(yīng)中，隨著η極化的降低，電極去極化作用逐漸增強(qiáng)，電極對(duì)氯的超電壓逐漸降低，所以，如果可以獲取一種對(duì)電解放氯起到催化作用的電極材料，則η極化將很小，使得電解海水得到的氯量增加，電流效率提高。本節(jié)對(duì)幾種電極材料進(jìn)行分析，其相關(guān)性能如表 2所示。

表 2 電解陽極性能參數(shù)Tab.2 Electrolytic anode performance parameters

如表 2 所示，綜合分析極化電位、電流效率和產(chǎn)氯量等方面可知，將 Ti-RuO2看作是電解海水的陽極材料最好。

2.2.2 降低歐姆降η歐對(duì)電解糟的影響

η歐不但能夠消耗能量，而且可使產(chǎn)氯量、電流效率逐漸減少，甚至導(dǎo)致電解槽無法正常運(yùn)行。η歐主要取決于海水的電導(dǎo)率、電極間隔和 Mg(OH)2和Ca(OH)2沉積物 3 個(gè)因素。

因?yàn)楹Ｋ妼?dǎo)率固定，因此選擇合理的電極間隔與降低沉積物的量為減少η歐的關(guān)鍵。

經(jīng)大量研究表明，電極間隔低于 1 cm 較為合理。

在電解槽被通以某固定的電流后，其產(chǎn)氯量將處于某恒定區(qū)間中，將隨即出現(xiàn)。減少和的方式通常為增加海水在電解槽內(nèi)中的流速，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明，海水流速應(yīng)超過某最低數(shù)值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境分析

本文以 20 萬噸油船的清污為例，分析實(shí)船上的裝備概況，圖 3 描述的是全套裝置。

將電解槽裝置安裝于 3.5 m3的容器中，在機(jī)艙上部或甲板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2 船體清污性能分析

分別采用本文方法和電解金屬方法對(duì)船體進(jìn)行清污處理，將浸海 100 天和浸海 200 天的船體與未進(jìn)行任何清污處理的船體進(jìn)行比較，得到的結(jié)果用圖 4～圖 6所示。

分析圖 4～圖 6 可看出，當(dāng)浸海時(shí)間為 100 天時(shí)，無任何清污處理的船體有大量藻類附著，當(dāng)浸海時(shí)間達(dá)到 200 天時(shí)，船體上逐漸出現(xiàn)了大量生物粘膜、淤泥、藻類等。采用金屬電解方法對(duì)船體進(jìn)行去污時(shí)，雖然船體附著物明顯少于無清污處理的船體，但較本文方法而言卻明顯增加，當(dāng)浸海時(shí)間達(dá)到 200 天時(shí)，差別更加明顯，說明采用本文方法對(duì)船體進(jìn)行清污的效果較優(yōu)。

3.3 RuO2含量對(duì)電極性能的影響

在依據(jù)電解海水計(jì)算對(duì)船體進(jìn)行清污的過程中，電解槽是重中之重，而電解槽中電極的性能主要取決于 RuO2含量，因此，需在分析 RuO2含量對(duì)電極性能的影響的過程中，找到最佳 RuO2含量，以提高電極性能。

圖 7～圖 8 分別描述的是 Ti-RuO2電極在飽和氯化鈉與 0.5 mol/L 硫酸溶液中的析氯、析氧陽極極化曲線，其中樣本 1～樣本 5 的 RuO2含量逐漸升高。

分析圖 7～圖 8 可知，在電位為 0.8～1 V 時(shí)，電位與電流密度呈直線關(guān)系，電位大于 1 V 后，隨著電位的升高，電流密度的增長趨勢(shì)減緩，極化率增加。在電流密度較高的情況下，電極反應(yīng)主要是擴(kuò)散控制，電極間性能差異不大。且隨著 RuO2含量的逐漸增加，電極析氯極化曲線逐漸增加后又有降低趨勢(shì)，電極析氧極化曲線也呈同樣趨勢(shì)。

為了更加直觀的驗(yàn)證 RuO2含量對(duì)電極性能的影響，將析氯電位、析氧電位隨 RuO2含量的變化情況用表 3 進(jìn)行描述。

分析表 3 可以看出，當(dāng) RuO2含量在 15%～30%時(shí)，隨著 RuO2含量的逐漸升高，析氯電位逐漸減少，這主要是因?yàn)閱挝浑娏髅芏认?，單位面積上的活性點(diǎn)數(shù)量逐漸增多，實(shí)際電流密度逐漸減少，導(dǎo)致析氯電位下降。但在 RuO2含量超過 30% 的情況下，析氯電位增加，說明此時(shí) Ti-RuO2電極具有最低的析氯電位。RuO2含量對(duì)析氧電位的影響與析氯電位，說明在 RuO2含量為 30% 的情況下，電極性能最高。

表 3 RuO2含量對(duì)電極性能的影響Tab.3 Influence of RuO2content to electrode performance

4 結(jié) 語

本文將電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污中，分析了電解海水計(jì)算在船體清污中的應(yīng)用原理，采用電解槽方式對(duì)船體進(jìn)行清污，給出電解海水計(jì)算應(yīng)用于船體清污的裝置流程，將海水從海水泵導(dǎo)入電解槽進(jìn)行電解，通過電解槽出口進(jìn)入分離罐，到達(dá)攔污柵，令冷卻水泵從海水箱中吸入和電解液混合的海水，傳輸至海水冷卻系統(tǒng)，防止海生物附著在船體上。給出電解槽的數(shù)學(xué)模型，降低極化電位，確定電極材料，降低歐姆降對(duì)電解糟的影響，減少，通過電解槽數(shù)學(xué)模型對(duì)電解槽結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問題進(jìn)行解決，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的電解槽。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所提方法對(duì)船體進(jìn)行清污，清污效果較好，在 RuO2含量為 30% 的情況下，電極性能最高。

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Electrolytic seawater computing research and simulation analysis in the application of hull clean-up

ZHANG Xi-zhu, ZHAO Jin-an
(Department of Environmental and Safety Engineering, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan 030008, China)

Current hull clean-up method for water pollution is larger, and the need to change regularly, cost is larger, so it will soon be electrolytic water calculation used in the hull clean-up, analyzed the principle of electrolytic seawater computing application in hull clean-up, using electrolytic cell to clean-up of hull, electrolytic seawater calculation applied to hull clean-up equipment process, the water from sea water pump imported electrolysis cell, through cell exports into the separating tank, to the trash rack, the cooling water pump from the water tank of inhalation and mixture of sea water, electrolyte transport to the sea water cooling system, prevent the biofouling on the hull.Gives the mathematical model of electrolyzer, reduce the polarization potential, and determine the electrode material, reduce the ohmic drop to the electrolytic bad influence, reduce Pcl2and PH2, through cell mathematical model to solve the related problems in aluminum reduction cell's structure, design the excellent performance of cell.The simulation results show that the proposed method was carried out on the hull clean-up, clean-up effect is good, in the case of RuO2content is 30%, the electrode performance is the highest.

electrolytic seawater calculation；hull clean-up；electrolytic cell

TQ637.3

：A

1672-7619(2017)01-0109-05doi：10.3404/j.issn.1672-7619.2017.01.022

2016-04-11；

: 2016-04-20

教育部高校碩士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(200801120007)

張西珠(1966-)，女，碩士，研究員級(jí)高工，主要研究方向?yàn)榘踩こ獭⒑嘶w防護(hù)器材。