CN109030603A - 一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法，属于海洋污损及防护领域。本发明基于微生物附着后新陈代谢产生氢离子和电子的原理，采用污损生物附着的金属基体作为阳极，以本专利研发设计的阴极探头作为阴极，接入电位测试仪器来测试金属基体与阴极探头之间的电位差，进而表征污损生物附着过程中产生的电荷变化，从而监测微观生物污损在金属基体表面的发生和发展过程。本发明利用电位信号的变化监测污损状况，不但反应时间快，而且可持续、实时、原位监测。安装及操作简便，可对管道等设施内部的生物污损实现实时监控，达到及时进行生物污损预警和防范的目的，具有广泛的应用前景。

Description

一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的 实时原位电化学监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对海洋污损生物附着过程进行实时监测的方法，特别涉及一种利用电化学方法对海洋微观污损生物在金属材料表面附着和污损情况进行监测的方法，是针对海洋环境下，船舶及海洋工程水下设施等采用的金属材料表面生物污损状况进行评价，设计发明的一种阴极探头、原位电化学监检测装置及方法，属于海洋污损及防护技术领域。

背景技术

海洋环境下的生物污损现象是海洋污损生物在海洋结构物上的附着和繁殖演替过程，对人工设施造成严重危害。其对各种设施的危害不尽相同，表现为：使船舶水下摩擦阻力增大，使通海管道阻塞，使电厂冷却设备导热效率降低，使渔业养殖网箱阻塞减产等。

生物污损过程通常分为两个阶段，即微生物污损阶段和大型污损生物污损阶段。在微生物污损阶段，固体表面先被蛋白质等有机质分子覆盖，在数分钟的短时间内即可形成最初的条件膜。随后，微生物的胞外产物开始分泌并且黏附，附着不可逆，且较为牢固。接着，微生物繁殖扩增，逐步形成较厚的生物膜，随着膜系统发育并逐步成熟，牢固吸附在基底材料表面。微生物膜形成后，附着生物种类增加并逐步变厚，到达大型污损生物污损阶段。大型藻类的孢子、无脊椎动物的幼虫等开始附着，并逐渐长成成体，形成一种垂直分布的复杂生态系统，各种污损生物混合在一起，大型和小型污损生物繁殖，并随季节交替演变，形成污损生物群落。在生物污损发生和发展过程中，微观污损生物的附着对整个污损生物群落的形成具有重要的奠基作用，很大程度上影响着后续其它污损生物的附着和生长。因此，监测微观污损生物附着发生过程对掌握生物污损进程具有重要意义。

对船舶及海洋工程设施而言，监控微观污损生物的发生过程也具有重要价值。如管道等封闭体系的设施，通常采用了电解制氯的防污措施，其原理是利用一定浓度（约1ppm）的有效氯对污损生物的毒杀作用达到防污目的。然而，在封闭体系中，污损发生在隐蔽、不可视的内壁，防污措施是否有效仍缺乏直观的监测和控制，往往是长出了大型污损生物，造成了危害后才察觉。这与不同季节、海域的生物量和种类差别大，氯浓度没有达到有效浓度有关；而有时情况正相反，如在水温较低时，环境中污损生物量较少，污损威胁相对较小，此时所需的有效氯浓度可以变小，若制氯设备仍运行不变则造成能源浪费。因此，如果能实时监控微观污损生物的发生及发展状态，实现根据不同季节及昼夜等生物量变化，调节电解产氯浓度，从而以最小耗能达到最大效果，对提高杀灭效率，并减少能源浪费具有很大意义。对材料研发而言，监测微观污损生物的形成过程，有助于探明污损生物的附着机制，进而有针对性地开发防污材料，对提升防污措施的有效性和针对性具有重要作用。

目前，尚没有针对微观污损生物发生过程的实时原位监测方法。现有微观污损生物的观测主要采用GBT 12763.6中微生物调查及相关方法，包括表面采样、扩增培养、显微观察、染色计数、平板计数等步骤和方法，不但操作步骤繁琐、测试周期长，而且无法实现实时和原位监测，当测试结果出来时，已经过去数天，甚至几周，设施表面的生物污损状态已经发生变化，无法做到实时反馈。因此，建立微观污损生物发生过程的实时监测方法，将有助于提高测试的时效性，对早期污损的发生实施监控，尽早发现，及时预警，尽早采取措施，预防更大污损的发生，从而为提升防污措施的有效性提供支撑。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有海洋生物污损问题，提供一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法。本发明基于微生物附着后新陈代谢产生氢离子和电子的原理，利用金属基体和阴极探头产生的电位差，实时反映微生物污损状态，达到快速、实时、原位监测金属基体表面微观生物污损发生过程的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种微观生物污损的实时原位电化学监测阴极探头，该阴极探头在微观生物污损的电化学监测中用作阴极，其结构包括：壳体、质子交换膜、阴极电极和阴极介质；

所述壳体为一端开口、其余面封闭的腔体；

所述质子交换膜设置在壳体的开口处，并与壳体一起组成封闭空间；

该封闭空间内设置有阴极电极，封闭空间内填充阴极介质，阴极电极位于阴极介质中，阴极电极一端延伸出壳体外连接引线。

在本发明的一个实施例中，所述质子交换膜覆盖在壳体的开口处，用密封圈和密封条固定压紧，并用密封胶（如防水环氧胶）粘接，形成封闭的整体。

在本发明的一个实施例中，所述阴极介质为灭菌海水、或含铁氰化钾的溶液，其中铁氰化钾含量为0.05-0.15 mol/L、NaCl 15-30 g/L、磷酸缓冲液（KH₂PO₄ 1.3 g/L、K₂HPO₄0.45 g/L）。

此处，阴极介质的作用是：通过介质中电子受体获得电子产生阴极反应，而阳极反应则失去电子，这样阳极与阴极的两个反应即构成电池反应体系，形成电子传递回路。

当阴极介质选择灭菌海水时，灭菌海水中溶解氧作为电子受体。灭菌海水中含有NaCl，能保持盐度与工况环境即海水的盐度一致。

铁氰化钾是最常用的阴极液，原因是易溶于水，阴极几乎没有极化现象，能产生更高的功率输出，所以优选该介质体系。其中，铁氰化钾作为电子受体，产生阴极反应，反应方程式为：K₃Fe(CN)₆+e=K₄Fe(CN)₆，其反应电位为0.361 V，NaCl保持盐度与工况环境即海水的盐度一致，磷酸缓冲液调节pH值。

在本发明的一个实施例中，所述壳体为非金属绝缘壳体，其材质为有机玻璃、普通玻璃、塑料等。

在本发明的一个实施例中，所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜（如Nafion膜）、非氟复合物质子交换膜、复合型质子交换膜等。

在本发明的一个实施例中，所述阴极电极为柱状、板状、片状或棒状，其材质为石墨、钛合金、金属氧化物电极、铂电极等，其一端与引线连接并从壳体内引出。

2、本发明另提供一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置，该装置采用污损生物附着的金属基体作为阳极，上述阴极探头作为阴极，将阴极、阳极接入电位测试仪器来测试电位差；

利用污损生物附着在金属基体表面后，新陈代谢过程中产生游离氢离子，扩散到海水中，并透过质子交换膜进入阴极探头，而新陈代谢产生的电子进入金属基体，从而在阴极探头与金属基体之间形成电位差，根据电位测试仪器检测到的开路电位的变化趋势，实现微观生物污损监测。此处，质子交换膜的作用是作为传递氢质子的介质,只允许氢质子通过。

在本发明的一个实施例中，所述阳极材质为钛合金、不锈钢等耐腐蚀金属材料，阳极材料还可以为铜合金、钢结构等不耐腐蚀的金属材料。当进行电化学监测时，需要断开牺牲阳极与该船舶及海洋工程设施阳极材料的连接。

在本发明的一个实施例中，所述质子交换膜所在一侧面向金属基体，质子交换膜与金属基体表面的距离小于50 cm，优选，使质子交换膜、金属基体、阴极探头三者相平行。

在本发明的一个实施例中，所述阴极电极固定在壳体的中间位置，阴极电极一端用密封胶粘接在壳体的一侧面，另一端通过螺纹与壳体的另一侧面连接固定，并用密封胶（如防水环氧胶）进行绝缘和密封处理。

在本发明的一个实施例中，所述壳体为一侧开口的长方体，阴极电极的体积为长方体体积的1/2。

3、本发明还提供一种微观生物污损的实时原位电化学监测方法，基于上述电化学监测装置，包括步骤如下：

1）将金属基体与导线或测试探针连接，接入电位测试仪器的负极连接端；

2）将阴极探头放入海水中，与金属基体的距离小于50 cm，利用导线或测试探针接入电位测试仪器的正极连接端；

3）采用电位测试仪器实时记录电位，采样频率为0.1-10 Hz，电位测试精度至少达到0.1 V，根据开路电位变化判断微观生物污损的情况。开路电位越大污损越严重，开路电位趋于稳定时，生物膜开始成熟，形成较牢固的微观生物污损。

在本发明的一个实施例中，所述电位测试仪器可以是电化学工作站、万用表、PXI数据采集测试系统等。

本发明的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明采用污损生物附着的金属基体作为阳极，以本专利研发设计的阴极探头作为阴极，接入电位测试仪器来测试电位差。由于污损生物附着在金属基体表面后，新陈代谢过程产生游离氢离子，扩散到海水中，并透过质子交换膜进入阴极探头，而新陈代谢产生的电子进入金属基体，从而在阴极探头和金属基体之间形成电位差，可以被电位测试仪器检测。随着微观生物附着量的增多，新陈代谢产生的电子和质子也增多，电位差增大，根据电位测试仪器检测到的开路电位的变化趋势，建立微观生物污损监测的表征方法。

试验结果表明，利用该发明可以快速、实时、原位的监测金属基体表面的生物污损过程。经与现有技术产品相比，不需要繁琐的定期采样、显微观测、计数等操作，也不需要长期的室内培养，只要利用电位信号的变化即可推断污损状况，不但反应时间快，而且可持续原位监测。既不影响生物的附着状况，也不影响污损的发展过程。该监测方法简便，可对管道等内部空间的生物污损实现实时监控，具有很好的推广和应用前景。

附图说明

附图1是本发明微观生物污损电化学监测用阴极探头的结构示意图；

附图2是微观生物污损电化学监测用阴极探头的侧视结构示意图；

附图3是本发明微观生物污损的实时原位电化学监测装置的结构示意图；

附图4是本发明测试例中电位差随着时间的波动变化曲线；

附图5是本发明测试例中开路电位随着时间的波动变化曲线。

图中，1、壳体，2、阴极电极，3、阴极介质，4、质子交换膜，5、阴极探头，6、电位测试仪器，7、金属基体，8、污损生物，9、海水，10、螺丝，11、引线，12、防水环氧胶，13、密封圈，14、密封条。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头5、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法作以下详细说明。

1.1 一种微观生物污损电化学监测用阴极探头5

如附图1、2所示，本发明的一种微观生物污损的实时原位电化学监测阴极探头5，该阴极探头5在微观生物污损的电化学监测中用作阴极，其结构包括：壳体1、质子交换膜4、阴极电极2和阴极介质3。壳体1为一端开口、其余面封闭的腔体。质子交换膜4设置在壳体1的开口处，并与壳体1一起组成封闭空间，该封闭空间内设置有阴极电极2，封闭空间内填充阴极介质3，阴极电极2位于阴极介质3中，阴极电极2一端延伸出壳体1外连接引线11。

上述壳体1为非金属绝缘壳体1，其材质为有机玻璃、普通玻璃、塑料等，其形状为一侧开口的长方体、棱柱或棱台形、圆柱或圆台形等。

上述质子交换膜4为全氟磺酸树脂膜（如Nafion膜）、非氟复合物质子交换膜4、复合型质子交换膜4等。质子交换膜4作为传递氢质子的介质,只允许氢质子通过。

上述阴极电极2为柱状、板状、片状、棒状等，其材质为石墨、钛合金、金属氧化物电极、铂电极等，其一端与引线11连接并从壳体1内引出。

上述阴极介质3为灭菌海水9、或含铁氰化钾的溶液，其中铁氰化钾含量为0.05-0.15 mol/L、NaCl 15-30 g/L、磷酸缓冲液（KH₂PO₄ 1.3 g/L、K₂HPO₄ 0.45 g/L）。

为保证阴极探头5在海水9中的密闭性，也就是探头的防水性，在本发明的一个实施例中，质子交换膜4覆盖在壳体1的开口处，用密封圈和密封条13固定压紧，并用防水环氧胶12粘接，形成封闭的整体。

考虑到阴极探头5制备的简便性，优选壳体1为一侧开口的长方体，材质为有机玻璃，阴极电极2为钛合金棒。以下以此为例对阴极探头5的具体制备方法进行阐述，但本发明的保护范围不限于此。

阴极探头5的具体制备方法为：

1）首先利用有机玻璃为原料，制备长方体壳体1，长方体壳体1的一个长方形面留空，预留用于放置质子交换膜4；

2）将钛合金棒固定在长方体壳体1内的中间位置，钛合金棒一端用防水环氧胶12粘接在壳体1的一侧面，另一端用钛合金螺丝10通过螺纹固定在壳体1的另一个侧面上，螺丝10穿过壳体1的另一侧面与引线11连接，并用防水环氧胶12进行绝缘和密封处理；

3）配制阴极介质3，配方为铁氰化钾0.1mol/L，NaCl 20g/L， KH₂PO₄ 1.3g/L，K₂HPO₄0.45g/L，将阴极介质3倒满长方体壳体1；

4）将质子交换膜4覆盖在壳体1预留的长方形面上，用密封圈和密封条13固定压紧，并用防水环氧胶12粘接，使整体密闭，阴极介质3不会泄露。

如此即组装了阴极探头5，与导线或测试探针连接后，接入电位测试仪器6联合使用，即为整套的微观生物污损监测装置。

1.2 一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置

如附图3所示，本发明的一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置采用污损生物8附着的金属基体7作为阳极，上述1.1的阴极探头5作为阴极，将阴极、阳极接入电位测试仪器6来测试电位差；

利用污损生物8附着在金属基体7表面后，新陈代谢过程中产生游离氢离子，扩散到海水9中，并透过质子交换膜4进入阴极探头5，而新陈代谢产生的电子进入金属基体7，从而在阴极探头5与金属基体7之间形成电位差，根据电位测试仪器6检测到的开路电位的变化趋势，实现微观生物污损监测。此处，质子交换膜4的作用是作为传递氢质子的介质,只允许氢质子通过。

上述阳极材质为钛合金、不锈钢等耐腐蚀金属材料，阳极材料还可以为铜合金、钢结构等不耐腐蚀的金属材料。当进行电化学监测时，需要断开牺牲阳极与该船舶及海洋工程设施阳极材料的连接。

上述质子交换膜4所在一侧面向金属基体7，质子交换膜4与金属基体7表面的距离小于50 cm，优选，使质子交换膜4、金属基体7、阴极探头5三者相平行。

上述电位测试仪器6可以是电化学工作站、万用表、PXI数据采集测试系统等。

1.3 一种微观生物污损的实时原位电化学监测方法

本发明的一种微观生物污损的实时原位电化学监测方法，基于上述1.2的电化学监测装置，包括步骤如下：

1）将金属基体7与导线或测试探针连接，接入电位测试仪器6的负极连接端；

2）将阴极探头5放入海水9中，与金属基体7的距离小于50 cm，利用导线或测试探针接入电位测试仪器6的正极连接端；

3）采用电位测试仪器6实时记录电位，采样频率为0.1-10 Hz，电位测试精度至少达到0.1 V，根据开路电位变化判断微观生物污损的情况。开路电位越大污损越严重，开路电位趋于稳定时，生物膜开始成熟，形成较牢固的微观生物污损。

1.4 测试例

1.4.1 阴极探头5的制备

结合附图1、2，考虑到阴极探头5制备的简便性，壳体1为一侧开口的长方体，材质为有机玻璃，阴极电极2为钛合金棒，质子交换膜4为Nafion膜，具体制备方法为：

1）首先用三个长方形和两个正方形有机玻璃，粘结成长方体壳体1，长方体壳体1的一个长方形面留空，预留用于放置质子交换膜4；

2）将长方体1/2体积大小的钛合金棒，固定在长方体壳体1内的中间位置，钛合金棒一端用防水环氧胶12粘接在正方形侧面，另一端用钛合金螺丝10通过螺纹固定在另一个正方形侧面上，螺丝10穿过正方形侧面与引线11连接，并用防水环氧胶12进行绝缘和密封处理；

3）配制阴极介质3，配方为铁氰化钾0.1mol/L，NaCl 20g/L， KH₂PO₄ 1.3g/L，K₂HPO₄0.45g/L，将阴极介质3倒满长方体壳体1；

4）将质子交换膜4覆盖在壳体1预留的长方形面上，结合附图1、2，用密封圈和密封条13固定压紧，并用防水环氧胶12粘接，使整体密闭，阴极介质3不会泄露。

如此即组装了阴极探头5，与导线连接后，接入电位测试仪器6联合使用，即为整套的微观生物污损监测装置。

1.4.2 微观生物污损监测的表征

结合附图3，在海水9环境中，对钛合金表面的微观污损生物8附着进行监测，将钛合金连接导线，然后与电位测试仪器6的负极连接端连接；将上述1.4.1制备好的阴极探头5放置在钛合金基体的上方，质子交换膜4所在一侧面向钛合金基体，质子交换膜4与钛合金表面的距离为5 cm，使质子交换膜4、钛合金、阴极探头5三者相平行，探头导线与电位测试仪器6的正极连接端连接。

上述电位测试仪器6采用美国NI公司的NI PXI-1042型PXI数据采集测试系统，软件采用LabVIEW，采集频率1Hz，实时记录电位差。电位差实时数据记录结果如附图4所示，记录精度为0.001V，可见电位差随着时间发生波动变化。

开路电位数据按记录时间作图如图5，可以看出：在最初的1 h左右，电位从0.001V升至0.5 V，是微生物附着初期，微观生物开始附着在钛合金表面形成条件膜；5 h之后电位发生波动，此期间微生物附着不牢，出现脱附-吸附现象，属于生物膜生长期；15 h后电位继续升高至0.7 V以上，微生物附着数量增多，随着胞外分泌物的增多，附着变牢，并逐渐达到平衡状态，达到微观生物稳定附着期。这一结果与微生物附着过程的研究报道和显微观察实验的结果一致，说明本发明的装置和监测方法，可以有效地对微观生物污损进行监控。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，该阴极探头在微观生物污损的电化学监测中用作阴极，其结构包括：壳体、质子交换膜、阴极电极和阴极介质；

所述壳体为一端开口、其余面封闭的腔体；

所述质子交换膜设置在壳体的开口处，并与壳体一起组成封闭空间；

该封闭空间内设置有阴极电极，封闭空间内填充阴极介质，阴极电极位于阴极介质中，阴极电极一端延伸出壳体外连接引线。

2.根据权利要求1所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述质子交换膜覆盖在壳体的开口处，用密封圈和密封条固定压紧，并用密封胶粘接，形成封闭的整体。

3.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述阴极介质为灭菌海水、或含铁氰化钾的溶液，其中铁氰化钾含量为0.05-0.15 mol/L、NaCl 15-30 g/L、磷酸缓冲液（KH₂PO₄ 1.3 g/L、K₂HPO₄ 0.45 g/L）。

4.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜、非氟复合物质子交换膜、或复合型质子交换膜。

5.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述壳体为非金属绝缘壳体，其材质为有机玻璃、普通玻璃、或塑料。

6.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述阴极电极为柱状、板状、片状或棒状，其材质为石墨、钛合金、金属氧化物电极、或铂电极，其一端与引线连接并从壳体内引出。

7.一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置，其特征在于，该装置采用污损生物附着的金属基体作为阳极，权利要求1或2所述的阴极探头作为阴极，将阴极、阳极接入电位测试仪器实时测试电位差；

利用污损生物附着在金属基体表面后，新陈代谢过程中产生游离氢离子，扩散到海水中，并透过质子交换膜进入阴极探头，而新陈代谢产生的电子进入金属基体，从而在阴极探头与金属基体之间形成电位差，根据电位测试仪器检测到的开路电位的变化趋势，实现微观生物污损监测。

8.根据权利要求7所述的一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置，其特征在于，所述质子交换膜所在一侧面向金属基体，质子交换膜与金属基体表面的距离小于50 cm，并使质子交换膜、金属基体、阴极探头三者相平行。

9.根据权利要求7所述的一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置，其特征在于，所述阴极电极固定在壳体的中间位置，阴极电极一端用密封胶粘接在壳体的一侧面，另一端通过螺纹与壳体的另一侧面连接固定，并用密封胶进行绝缘和密封处理。

10.一种微观生物污损的实时原位电化学监测方法，其特征在于，该方法基于权利要求7所述的电化学监测装置，包括步骤如下：

1）将金属基体与导线或测试探针连接，接入电位测试仪器的负极连接端；

2）将阴极探头放入海水中，与金属基体的距离小于50 cm，利用导线或测试探针接入电位测试仪器的正极连接端；

3）采用电位测试仪器实时记录电位，采样频率为0.1-10 Hz，电位测试精度至少达到0.1 V，根据开路电位变化判断微观生物污损的情况。