[发明专利]基于电化学原位析氯的水下光学窗口的防生物污损装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学视窗防生物污损领域，具体地说是一种基于电化学原位析氯的水下光学窗口的防生物污损装置和方法。

背景技术

海洋环境研究和资源开发利用日益受到各国的高度关注，在海洋研究和开发过程中，实海数据的采集正向自动控制、原位测量、无人值守的方向发展。人们建立了诸多海洋环境自动监测网络并布设不同的传感器跟踪和测量各种海水相关数据，比如溶解氧浓度、浊度、导电率、酸度、荧光强度等。这些监测系统在预定海域达到近乎连续的长时间观测，能更加详实和精确的反映海洋的实时状态，为人类探索和开发海洋提供重要的数据支撑。

用于原位监测的水下光学器件(如光学传感器和照明系统)对于海洋环境研究和资源开发必不可少。一般而言，透明材料可以作为此类光学器件窗口的首选，通过光的透过可实时采集外界海水的信息。然而，处于海水中的光学器件将在短时间内被生物膜所覆盖，之后宏观生物群落形成，造成严重生物污损。生物污损会对水下器件的光学窗口造成诸多不利影响，是限制此类海洋装备测试精度和正常使用的重要因素，这对于高质量、高精确度科学数据的获取是极为不利的。一旦光学窗口遭受生物污损，其性能将受到不同程度的影响，需要耗资高、难度大的实海维护，故提高水下光学器件窗口材料的防污损对海洋的探索、开发和利用具有重要意义。

目前，水下仪器光学窗口的防生物污损系统主要有以下三种类型：(1)刮刀式机械防除污损系统；(2)基于铜腐蚀的“铜罩”防污损系统；(3)受控式电解海水产氯系统。刮刀式机械防除污损系统需要利用内置电动马达给外界刮刀提供动力。仪器在布放于海水之前，需设定好刮刀对光学窗口外沿的刮擦频率，从而在布放过程中按预定程序进行刮擦。即使光学窗口附近有污损生物的聚集，在刮刀作用下也将清除，使光学窗口免于污损。但是，此类技术存在如下缺点：首先，由于马达等配套装置，其成本较高，电能消耗较大。再者，如果仪器所处海域污损程度高，而预设刮擦频率低，则相关的光学窗口依然会被污损。铜罩法也是海洋光学窗口常用的防污损方式。由于铜在海水中易于腐蚀，产生的铜离子向海水中扩散，将对靠近光学窗口的海生物起到杀灭和驱赶的作用，从而抑制生物污损的发生。然而，此类方法也存在诸多缺点。首先，防污损的效果依赖于铜罩系统的外形设计，如若存在设计缺陷，则相应的铜罩难以起到有效的防污效果；再者，由于铜离子扩散浓度与铜罩距离相关，其防污效果只能在短距离内有效；第三，对于光学仪器而言，铜罩可能阻挡光路，从而影响传感器的正常工作。

受控式电解海水产氯系统原理最早由法国国家科研中心研究者提出。从1998年开始，相关研究人员即利用ITO玻璃电解海水制氯进行防污损研究。当把普通玻璃和产氯ITO导电玻璃一起置于海水中挂样90天时间，普通玻璃表面逐渐有污损生物附着，最后影响其透明的效果。然而，对于电解产氯ITO玻璃而言，即使经历了90天的浸泡时间，玻璃表面依然光洁如初，这说明表面儿乎没有污损生物的附着，从而证明在外界控制下电解产氯可以有效保护玻璃基体免于发生生物污损。

本课题组在前期工作中也据此原理开展了相关研究，发现单纯ITO材料不能作为高效催化剂从海水中电解制氯。主要体现在以下方面：首先，ITO玻璃在海水中耐久性差，其导电性和电解效率很快退化。这是因为电解海水发生如下反应：2Cl^--2e＝Cl₂，而氯气与水发生反应：Cl₂+H₂O＝HCl+HClO，即阳极表面为酸性环境，而ITO溶于酸性环境中，故该电极在阳极电解海水过程中效率会很快降低；再者ITO电解产氯的过电位高，所需能耗高，这对海洋水下设备的长效运转目标不利。为改善产氯效率，申请者前期研究中采用ITO表面负载Pt的方式并收到了显著成效，主要体现为：(1)电解稳定性提高。惰性金属Pt在表面形成保护层，有效阻隔Pt所覆盖的ITO与外界酸性环境的接触，从而保证ITO不被溶解，从而保持高的导电性；(2)产氯过电位显著降低。析出氯气电位由ITO的1.5V变为1.1V，降低了0.4V。然而此类材料依然存在不足，表现为：(1)构成的Pt/ITO以膜层的形式覆盖了整个玻璃表面，而Pt本身为纳米颗粒，对特定光波存在相互作用，故限制了在水下光学镜头中的使用。若采取减小Pt/ITO在表面覆盖面积的方式，则相关电极在单位时间内产氯量不够，达不到杀灭生物所需的最低浓度来避免污损。由于光学镜头处于开放的海水环境，故需要高的产氯效率，需要增大电极比表面积和增多析氯活性位点的方式得以实现。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种基于电化学原位析氯的水下光学窗口的防生物污损装置和方法。