[发明专利]一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法

说明书

本发明提供一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法，属于深海金属防护技术领域。该装置包括微生物催化分解反应单元、分离沉积单元和导电及固定装置，微生物催化分解反应单元不少于1个，多个微生物催化分解反应单元之间并联；微生物催化分解反应单元与分离沉积单元并联；导电及固定装置包括外壳体固定部件和导电部件，用于固定微生物催化分解反应单元和分离沉积单元，并为上述单元供电。本装置平行安装在海底行走机构两侧，底部插入沉积物中，本装置不需外部能源供给，且无原材料损耗，在所保护设备行进中，本装置完成菌种和菌群的自我更替，能持续、高效地保护海底金属，延长金属使用寿命。

技术领域

本发明涉及深海金属防护技术领域，特别是指一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法。

背景技术

海洋面积约占地球总面积的71％，蕴藏着重要的油气、多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等新型矿产以及极为丰富的海洋生物资源，其经济总价值是陆地资源总价值的数十倍，海洋因此成为了各国高科技竞争的重要舞台。更为重要的是，海洋关系到国家领海安全，因而倍受重视。近年来，我国提出大力发展海洋经济的国家战略，这也为海洋尤其是深海的开发提供了广阔的发展空间。

随着国家战略和海洋经济的不断发展，人们对深海装备研发和探究工作力度不断增加。然而制约深海探测的一个重要瓶颈就是深潜装备材料的安全服役问题。以钢结构潜艇为例，它的工作环境纵穿海洋各个腐蚀区域，同时又面临流体场、温度场、应力场、电磁场等多强场的交互作用，其壳体、肋骨、管路等部位易于出现腐蚀、疲劳等失效行为，导致钢结构强度下降，严重的还会由于锈蚀穿孔导致爆裂、注水等事故产生。因此，对深海装备进行有效保护就显得格外重要。

海洋电活性微生物是自然界存在的一类功能性微生物，能将代谢有机物产生的电子直接或间接传递给导电体。

海底羽状流所包含的海底沉积物根据颗粒的显微结构颗粒可以分为4类：生物碎屑、微生物成因颗粒(即保留有微生物成因特征如形态、大小、细胞复杂性、种群分布及活动痕迹等特征的颗粒)、无定形颗粒和自形颗粒。其中：微生物成因颗粒有丝状、簇状等不同形态特征；无定形颗粒根据成分分可分为S-Zn-Ba-Ca、Fe氧化物和少量Ba-Zn-Ca、Fe-Mn-Ca-Ba和少量的Zn、硫化物颗粒及多金属颗粒等类型；自形颗粒主要为黄铁矿和闪锌矿。生物体碎屑一般为孔洞构造的片状体，孔洞不规则，直径在0.2-10μm之间。微生物成因颗粒是细菌在无机矿物颗粒表面矿化的结果，细菌在其表面分解其中有机质，生长富集在矿物颗粒表面，直径一般在0.05-0.6μm。无定型颗粒是羽状流颗粒的主要类型，颗粒种类及形态结构复杂多变，粒径不一，直径在3-40μm，一般为多种矿物伴生的致密状颗粒，团聚松散，大颗粒受到外力作用，容易破碎。羽状流中还含有少量的自形晶颗粒，其自身为规则的矿物晶型颗粒，多以单体存在，也会与其他类型的颗粒聚集在一起，单体粒径一般在1μm以下。由于海底沉积物受到扰动形成的海底羽状流，初形成时团聚较严重，随着海底洋流的漂移逐渐分散。

专利《便于水下安装和拆卸的牺牲阳极保护装置》(CN204058599U)，公开了一种便于水下安装和拆卸的牺牲阳极保护装置，但该装置需要在被保护装置壳体外接肋板，对装置的结构造成破坏，装置壳体强度受到损伤，使用寿命减小，随着服役时间延长，阳极块的放电性能下降，需要及时更换新的阳极材料，造成较大的原料浪费。专利《一种海洋船舶漆、防止生物附着寄生镀层及热喷涂工艺》(CN1201840A)，公开了一种以锡黄铜和重金属氧化物Cu2O通过热喷涂形成的涂层。虽然能有效防止海底微生物在设备表面生长富集，但是本身在海水中长时间浸泡，会向海水中溶解一些有毒重金属，涂层一旦受到外力撞击就可能发生开裂、脱落等情况，露出被保护基体，设备受到的侵蚀将会加速。专利《一种海水管路牺牲阳极保护装置》(CN2656433Y)，公开了一种海水管路牺牲阳极保护装置，但该装置适用于管状、柱状等零部件，适用范围小，且需要外接铜导线，对于海下复杂洋流而言，存在导线连接断开。需要定时水下更换阳极块，每次更换，都需要再次对被保护设备表面海底管路处理，安装步骤复杂，水下操作较困难。

发明内容