CN113490536A - 持久的生物结垢保护 - Google Patents
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Abstract
公开了用于保护暴露于、浸没和/或部分地浸没在水生环境中的物品和/或结构免于由于具体类型和/或种类的生物有机体和/或植物的入侵和/或定殖而引起的污染和/或结垢(包含在暴露于水生环境的延长的时间段内免于微观和/或宏观结垢的保护)的装置、方法和/或系统。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月1日提交的题为“持久的生物结垢保护(DURABLEBIOFOULING PROTECTION)”的美国临时专利申请第62/754,574号和2019年3月13日提交的并且题为“生物结垢保护性外壳(BIOFOULING PROTECTIVE ENCLOSURES)”的美国临时专利申请第62/817,873号的优先权和其权益，所述专利申请的公开内容各自通过全文引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于保护暴露于、浸没和/或部分地浸没在水生环境中的物品和/或结构免于由于具体类型和/或种类的生物有机体的入侵和/或定殖而引起的污染和/或结垢的改进的装置、方法和/或系统。更具体地，公开了用于在暴露于水生环境的延长的时间段内保护结构和/或基材免于微观和/或宏观结垢的改进的方法、设备和/或系统。
背景技术
各种海洋生物在水生环境中的结构上的生长和附着(被称为生物结垢)是许多行业(包含娱乐和工业船运和航运业、石油和天然气工业、发电厂、水处理厂、水管理与控制、灌溉行业、制造业、科学研究、军事(包含工兵团)和渔业)的重大问题。暴露于沿海、港口或海水(以及与其相对应的淡水)的大多数表面(如与船体、水下系缆、链条和地桩、石油钻机平台、浮标和渔网相关的那些表面)最终被动物物种(如藤壶、贻贝(以及牡蛎和其它双壳类动物)、苔藓动物、水螅类生物、多毛虫、海鞘和/或其它被囊动物)以及各种植物物种定殖。生物结垢是由于各种植物物种和/或动物物种与所述植物物种和/或动物物种最终附着的基材的各方面之间相互作用，导致形成了将生物结垢有机体与基材牢固地结合的粘合剂，从而导致生物结垢而引起的。尽管看起来简单，但生物结垢的过程还是受到无数的微生物、大型生物和不断变化的水生环境特性的影响的高度复杂的相互作用网络。
对于许多行业而言，生物结垢的经济影响是至关重要的。船只上的大量生物结垢会导致暴露于水生环境的各种表面腐蚀，从而大大降低船舶运行的效率，并且常常最终导致船只的各部分劣化。大型生物的堆积还会导致船只表面粗糙度的增加，使得船只经历更大的摩擦阻力、速度和操纵性降低以及曳力增加，从而导致油耗增加。由于藤壶和其它动物附着于浸没在水中的螺旋桨、驱动系统组件、入口和/或船体组件，因此商业和娱乐船民都经历了这些增加的成本。
除了增加对结构的腐蚀和其它破坏之外，物体上宏观结垢的重量和分布还可以显著改变物体和/或支撑结构所经历的浮力或应力和应变，这可能导致结垢的物体的过早损坏和/或下沉。例如，表面具有大量生物结垢的导航浮标或码头支柱会因重量增加而经受增加的应力负载，并且甚至会在过量的宏观结垢下沉没或下沉。这种增加的应力常常导致结构的使用寿命减少，并且需要连续清洁和/或替换。类似地，由于海洋生物的入侵和/或定殖，浸没的传感器(包含系留传感器和/或自由浮动传感器)常常会相对较快地(常常少于30天)发生故障和/或失灵。
生物结垢还通过在植物和动物物种于结垢的物体上“沿所述物体行进(ridealong)”时将植物和动物物种分布到非原生环境而产生大量的生态问题，并且大量立法和财政资源也被分配以对抗生物结垢的商业和生态影响。
已经使用了各种方法来试图阻止和/或减少生物结垢堆积。更常见的方法之一，尤其是在船运和航运业中，是通过刮除来去除生物结垢。然而，刮除是劳动密集型的并且会损坏结垢的表面，并且由于刮除导致入侵物种的扩散增加以及对当地动物群的负面环境影响，已经引起了环境问题。因此，需要消除或减少暴露于水生环境的表面上的生物结垢量的装置。
用于保护与水接触的物体并且防止水生生物结垢的一种策略包含使用物理覆盖物。这些覆盖物通过将结构遮蔽以免受水的影响或使结构与水分离而期望地充当保护装置。例如，美国专利第3,220,374号公开了一种海洋保护装置。本发明涉及一种当不使用船只时，保护海洋设备免于水的腐蚀作用和/或海洋生物生长的独特手段和方法。
美国专利第3,587,508号公开了一种易于附接到船只的舷外挂机保护设备。当不使用船只时，所述设备保护舷内舷外发动机的舷外挂机免于海洋生物生长。将包放置在舷外挂机单元的周围，以便易于以在包与船只的艉板之间以及在舷外挂机单元周围提供水密密封的方式附接到艉板。
美国专利第4,998,496号公开了一种用于船舶推进系统的护罩，所述护罩包含防水护罩主体，所述防水护罩主体可以被紧固到船只的艉板以围绕推进系统的舷外部分。锁定和密封机构以水密接合的方式将护罩固定到船只艉板，并且潜水泵可操作以从护罩主体中去除水，使得推进系统在不使用时有效地处于“干船坞”内。
美国专利第5,072,683号公开了一种可排水的保护船只电动机包设备，所述可排水的保护船只电动机包设备包含保护罩，所述保护罩限定了用于安装在固定在船只的船尾上的电动机的舷外挂机的螺旋桨和船首上方的包。包包含从嘴部延伸到包的封闭端的通道，用于收纳端部开口的软管，使得一旦将包定位在船首上方，就可以插入软管以从此类包中抽吸残留物。可以在包的嘴部周围结合系绳，以将其绑到船首，并且如果期望，可以包含单独的保护袋，用于覆盖螺旋桨叶片，以保护螺旋桨叶片免于直接暴露于包本身。
美国专利第5,315,949号公开了一种用于保护性地覆盖船只的电动机支柱的设备。覆盖物包含可调整的轴环、不透明的柔性包和可调整的轴环抽拉线。包具有附接到轴环的开口的顶端。包的封闭的底端与顶端相对，并且具有附接到其的重物。轴环的可调整的轴环抽拉线使得在将包放置在露出物上方的情况下，通过拉动可调整的轴环抽拉线可以将包的开口端部围绕露出物封闭。轴环包含闭锁糟，用于将可调整的轴环抽拉线适当地锁定在露出物周围。操纵手柄可拆卸地附接到套环，以便于将覆盖物放置在露出物上和从露出物去除。在覆盖物适当地在露出物上方的情况下，期望地防止水和光进入包的内部，由此，如滤食性生物等水生生命形式和植物生命期望地不能在覆盖物内繁衍。
美国专利第6,152,064号公开了一种保护螺旋桨覆盖物。覆盖物包含柔性套，飘浮材料放置在所述柔性套中以提供漂浮外壳。柔性螺旋桨覆盖物部分固定到柔性套筒，并且覆盖物的端部可释放地固定在螺旋桨周围。漂浮外壳定位于螺旋桨附近，并且在螺旋桨定位于水线下方时在水线上方延伸。漂浮外壳还用于保护游泳者在船只附近游泳时免于与螺旋桨直接接触。保护螺旋桨覆盖物设备进一步用于在运输或储存期间保护螺旋桨。当船只在航行中时，保护螺旋桨覆盖物设备进一步用作锚定器覆盖物。保护螺旋桨覆盖物设备进一步用作紧急漂浮装置。
美国专利第6,609,938号公开了一种螺旋桨保护器滑块，所述螺旋桨保护器滑块用于锚定、漂流、搁浅、停靠、储存或在运输途中停水的船只的舷内和舷外电动机。螺旋桨保护器滑块确保保护螺旋桨免于造成对螺旋桨的点蚀和损坏的因素，以及最小化螺旋桨相关的伤害。保护器螺旋桨滑块还提供了用于预测挂船的螺旋桨与后续车辆的距离的量规。
美国公开第2008/0020657号公开了一种用于保护水运工具的舷外挂机的设备。设备包括适合于附接到水运工具的鱼鳞板的底侧的定位构件和可与定位构件接合以提供围绕舷外挂机的外壳的护罩。护罩是漂浮的，并且可以浮动成与定位构件滑动接合。护罩具有开口，在护罩与水运工具的艉板接合时，所述开口被封闭，以期望地防止水进入所述护罩的内部。设置有连接装置和锁定装置，用于将护罩可释放地连接到定位构件。
除了使用如上文所展示的物理覆盖物外，还采用了其它策略来减少生物结垢。美国公开第2009/0185867号公开了一种用于减少涡流引起的振动和围绕船用元件的曳力的系统和方法。系统包含但不限于围绕船用元件可旋转地安装的壳体，所述壳体具有限定了纵向间隙的相对的边缘，所述纵向间隙被配置成允许壳体卡扣在船用元件的至少一部分周围。鳍片可以沿纵向间隙的每个相对边缘定位，其中每个鳍片可以从壳体向外延伸。鳍片可以定位在壳体上，以期望地减少涡流引起的振动并且最小化对船用元件的曳力。可以将一种或多种防污剂安置在壳体、鳍片或其组合的至少一部分上、之中或周围。
美国专利第7,390,560号公开了一种用于对基材进行除污的涂层系统。所述系统包含长时间浸没在水或海水中的船体。所述系统包括导电层、防污层和用于向导电层提供能量脉冲的装置。导电层包括导电的聚合物，如碳填充的聚乙烯。防污层包括具有低表面自由能量的聚合物，如聚二甲基硅氧烷。所述层被设计成使得当导电层暴露于电、声或微波能量或其组合的脉冲时，所述导电层与所述防污层分离。
美国专利第6,303,078号公开了一种用于保护与海水接触的物体的防污结构，所述结构可以包含透水性纤维材料，所述透水性纤维材料结合了含有大量的防污剂的模制的热塑性树脂或机织织物，其中所述防污剂从结构中渗入海水中。根据此参考文献，重要的是浸出剂在物体附近维持高浓度的防污剂，以防止水生生物的附着。另外，通过此参考文献公开的外壳实施例中的许多外壳实施例产生的环境具有极低的溶解氧水平(即，8.3％或更低)，这往往是高度缺氧的并且促进了过度的微生物腐蚀和被保护物体的降解。
为了直接屏蔽和/或隔离这些物体免于生物结垢的影响，在本领域中还已知多种表面涂层、油漆和/或其它材料可用于水下物体的外表面。这些涂层和/或其它材料中的许多涂层和材料依赖于杀菌添加剂和/或金属添加剂(即，铜)，所述添加剂期望随时间渗入周围的水性环境中并且干扰生物结垢生物的各个方面。例如，二价Cu2干扰细胞膜上的酶并且阻止各种生物结垢生物的细胞分裂，而三丁基锡(TBT)杀生物剂(在许多发达国家现已被禁止用作海洋杀生物剂)和/或其它有机锡化合物则杀死或减缓许多海洋生物的生长，并且这些物质中的许多物质也可以充当内分泌干扰物。然而，制备物体的一个或多个水下表面，并且然后将此类油漆/涂层直接施加和/或结合到一个或多个此类表面的过程常常是昂贵且费时的过程(这甚至可能需要从水性环境中去除物体和/或甚至使船舶干船坞)，并且所有这些涂层都具有有限的持续时间，通常会随时间失去效力，并且常常对周围水性环境中的生物产生有害的(和不需要的)影响。对于依赖于烧蚀和/或表面特性，如疏水性、超疏水性和/或非粘性(即，不粘和/或超纤毛)表面的系统，存在类似的困难。
最近，为了试图减少和/或防止生物结垢，特别是在用于大型工业设施的冷却和/或过滤水系统中，已经使用了依赖于活性腐蚀剂如释放到水性环境中的氯的释放或产生的系统(即，从海水中产生次氯酸盐化合物的电氯化系统)。除了购买和/或操作此类系统的高昂成本外，此类腐蚀性物质(在氯的情况下可以是强氧化剂)会造成远远超出其预期使用环境的有害影响(即，一旦释放，所述腐蚀性物质可能会损坏周围的水生环境中的生物)，并且这些物质中的许多物质都会增强本来要保护的物品或相关系统组件的腐蚀和/或降解。
在本领域中还进行了各种尝试以将物体与水性环境中的生物结垢元素完全隔离，如通过在要保护免于生物结垢的物体周围形成完全密封的环境。然而，在这些情况下，密封环境内含有的液体(其也与受保护物体直接接触)通常会很快变得停滞和/或缺氧，从而导致各种材料的高水平厌氧腐蚀，并且尤其是富含缺氧硫酸盐的环境(如缺氧海水)中的高水平的腐蚀。
发明内容
本文公开的各种发明包含对改进的方法、装置和/或系统的需求的实现，所述改进的方法、设备和/或系统用于在暴露于水生环境的延长的时间段内保护结构和/或基材免于微观和/或宏观结垢，包含在连续基础上在暴露的基材结构周围利用完全密封的“外壳”或其它类型的外部覆盖物可能不可行、不可能和/或不方便的情况。这可能包含基材或其它物体正移动穿过水性环境或提供某种形式的推进功率(即，船只螺旋桨和/或船体)的情况，其中水性环境中的周围水正在循环、消耗和/或正被利用(即，用于冷却水和/或被蒸馏用于淡水)和/或正利用传感器或其它装置来记录和/或采样周围水性环境的情况。
本文公开的各种发明进一步包含以下实现：将基材与周围水性环境完全隔离的完全密封的外壳可能不足以保护基材免于水性环境的各种负面影响，因为“受保护的”基材可能会遭受腐蚀或由于缺氧、酸性和/或可能会在完全密封的外壳内和/或靠近基材发展的其它条件(和/或与此类环境相关的其它条件，如微生物诱导的腐蚀的作用)而产生的其它影响。因此，可以通过至少部分(但不完全)将基材与周围的水性环境的各种特征和/或方面分离的外壳来提供对基材的最佳保护。
在各个实施例中，描述了一种抗生物结垢的“外壳”或“屏障”，所述外壳或屏障可以围绕、抵靠和/或以其它方式定位在基材或其它物体的附近以过滤、隔离、分离、隔绝、保护和/或屏蔽基材免于周围的水性环境的一个或多个特征或特性，包含采用于2018年11月1日提交的并且题为“持久的生物结垢保护(DURABLE BIOFOULING PROTECTION)”的共同未决的美国专利申请序列号62/754,574和于2019年3月13日提交的并且题为“生物结垢保护性外壳(BIOFOULING PROTECTIVE ENCLOSURES)”的共同未决的美国专利申请序列号62/817,873中描述的各个实施例，所述申请的公开内容通过全文引用的方式并入本文。更具体地，外壳的各个实施例将期望地在紧邻基材附近产生“有界的”/封闭的和/或差异化的水性环境，所述环境可以用于过滤或筛选基材免于被一些种类的微观和/或宏观试剂直接生物结垢，以及至少在一些情况下，促进在基材和/或外壳壁上形成相对持久耐用的表面、涂层或层，这可能即使在没有封闭环境的情况下，这可能会在延长的时间段内(即使在不存在外壳的情况下)潜在地抑制、阻碍、避免和/或防止不希望类型的生物结垢生物对基材表面的沉降、募集和/或定殖。在许多情况下，外壳壁的开窗可以允许外壳内的水性环境与外壳外的水性环境之间进行一定量的水交换，并且甚至可能改变外壳内含有的液体的水化学和/或浊度，与周围的开放水性环境相比-其水平可能以各种方式导致外壳内含有的基材结垢和/或腐蚀(或没有结垢和/或腐蚀)，这可能导致不同水平的粘土、淤泥、细分的无机和有机物、藻类、可溶性有色有机化合物、化学品和化合物、浮游生物和/或悬浮在分化液体中的其它微观生物。
在各个实施例中，本文描述的外壳用于产生与要保护的基材或表面的浸没和/或部分浸没的部分相邻的“封闭的”、“局部的”、“内含的”和/或“差异化的”水生环境，所述水生环境对造成各种类型的生物结垢的水生生物的沉降和/或募集不利或变得不利(所述水生环境可以包含产生“负”沉降线索的表面，以及可能缺乏和/或存在减少一种或多种类型的生物结垢生物的“正”沉降线索水平的表面)。各个实施例中的一个或多个外壳还可以期望地过滤、减少和/或防止有助于生物结垢的海洋生物进入外壳和/或接触基材的浸没和/或部分地浸没的表面。
在各个实施例中，外壳可以包括可渗透的可成形的基质、纤维基质和/或织物材料，在至少一个示例性实施例中，所述可渗透的可成形的基质、纤维基质和/或织物材料可以包括由纺制聚酯纱线制成的机织聚酯织物。在至少一个另外的实施例中，采用纺制聚酯纱线可以期望地以微小和/或微观的尺度增加织物材料的有效表面积和/或原纤化，这可以期望地(1)导致延伸穿过织物的天然和/或人工开口的“有效”或平均大小显著减少，(2)减小穿过织物和/或织物内的开口内的“自由空间”的数量和/或宽度，从而潜在地减小(流入/流出的液体内的)微生物与织物表面之间的分离距离和/或(3)以各种方式改变和/或引起外壳内水质的变化。减小的织物平均开口大小将期望地增加液体的“过滤”，以减少和/或防止各种生物有机体和/或其它材料进入封闭或有界的环境，同时一个或多个开口内的减小的“自由空间”将期望地减少有机体自由穿过织物的机会和/或降低封闭或有界的环境与开放水性环境之间的“总水交换”的速度和/或数量。这些因素将期望地导致进入/离开外壳的微生物和大生物(以及各种有机和/或无机结垢和/或其它化合物)的大小和/或生存力的显著减小或计量。此外，这些方面还将期望地减少可能在外壳材料本身上和/或其中的一个或多个开口内发生的生物结垢或其它降解的数量、程度和/或速度，从而在延长的时间段内期望地保持外壳的织物的柔性、渗透率和/或其它性质。
期望地，外壳的织物壁的至少一部分将被开窗和/或穿孔到足够的程度，以允许一定量的液体和/或一种或多种其它物质以相对受控和/或计量的方式(即，从外部或“开放的”水性环境到差异化的水性环境和/或从差异化的水性环境到外部或开放水性环境)穿过和/或“过滤”穿过外壳的壁，这期望地提供在差异化的环境(外壳内)与周围的开放水性环境(外壳外)之间发生一定水平、数量和/或百分比的“大量液体流动”和/或“总液体交换”，以及各种材料和/或组合物扩散或以其它方式穿过外壳壁和/或其孔的可能性。液体和/或其它组合物的这些移动，与各种天然和/或人工过程组合，期望地在外壳内引起、促进和/或产生相对“不同”或动态的“人工”环境，特别是与周围的水性环境的动态特性在许多方面具有不同的特性，这期望地使差异化的环境对于许多生物结垢生物“不期望”，并且从而减少和/或消除生物结垢在外壳内和/或紧邻外部发生。另外，在外壳的壁中存在许多小的穿孔期望地提供了一种或多种交换液体的各种水平的过滤，这可能潜在地减少进入外壳的生物的数量和/或生存力以及对外壳内部和/或外部的可能在外壳壁附近通过的生物产生负面影响。
作为一个实例，外壳内的液体中的溶解氧量将期望地在很大程度上与外部水性环境中的液体中的溶解氧量不同，其中差异化的液体中溶解氧的变化(在变化量上)可能反映、落后和/或“滞后”外部水性环境中的溶解氧水平。期望地，差异化的液体中的此溶解氧水平通常小于周围水性环境的溶解氧水平(尽管在各个实施例中，所述溶解氧水平可以等于和/或大于周围环境的溶解氧水平，包含在周期性和/或连续的基础上)，并且在各个实施例中，溶解氧水平可能会在高于有助于减少硫酸盐的细菌或类似细菌活性的水平(即，微生物引起的腐蚀-“MIC”)和/或其它缺氧降解/腐蚀的水平的值处波动，其中波动本身期望地有助于抑制和/或控制外壳或其各个区段或部分内的任何单一不期望的类型或群组的微生物和/或大微生物的优势。
在各个实施例中，在外壳的内壁与受保护的基材的外表面之间的外壳的液体内可能会形成溶解氧和/或其它水化学组分的梯度，其中此梯度可能产生靠近外壳的内壁的“更适宜区域”和/或靠近基材的一个或多个表面的“较不适宜区域”，这在一些实施例中可能会引起各种微生物向外壳内壁和/或远离基材的一个或多个表面行进(作为一个实例，这可能是由于可能存在更靠近外壳壁的溶解氧百分比的增加)，以及潜在地促使一些微生物无法在基材的一个或多个表面上定殖、沉降、繁衍和/或生长。在各个实施例中，此梯度可能至少部分地是由于水流入穿过和/或进入外壳，和/或可能至少部分地是由于水流出穿过和/或流出离开外壳产生的。水进出外壳和/或离开外壳的所得“交换”以及其中包含的各种浓度的化学品和/或化合物将期望地减少在其天然(即，未受保护的)状态下基材可能发生的生物结垢或其它降解的数量、程度和/或速度。
在各个实施例中，进入或离开外壳的水或其它水性介质将期望地主要以“整体”方式完成此流通，其中将使外壳内的水速度和/或“水流”的局部变化最小化。外壳内的水的所得相对静态的性质将期望地减少和/或抑制外壳内水的显著“混合”，期望地导致外壳内更大水平的分层和/或分化，所述分层和/或分化可以包含基于氧合水平(即，化变层)和/或其它性质(即，盐度、密度、温度)的分层，从而可能导致在外壳内产生局部缺氧和/或静海区域(所述区域可以悬浮在外壳内和/或通过外壳内的其它水区域与基材的表面分离)。此外，离开外壳的水(其可以包括各种代谢废弃物和/或有害化合物(包含各种已知和/或未知的微生物“毒素”)和/或在差异化的环境内产生的其它抑制性化合物)将期望地在不同的时间长度内以此类“废弃物”/化合物的“云状(cloud)”在外壳的孔内和/或在外壳的外壁附近“徘徊(linger)”，这将期望地减少和/或阻止结垢生物对外壳壁(包含朝外的壁)的定殖。
在一个示例性实施例中，可以在基材附近利用外壳，以在外壳内产生氧耗竭的区域，其中氧耗竭的区域的至少一部分与基材靠近或接触，其中在一些实施例中，氧耗竭的区域可以包括整个差异化的水性环境(即，外壳内)，而在其它实施例中，氧耗竭的区域可以仅包括差异化的水性环境的一部分。期望地，外壳的独特设计和布置的各个方面将允许一个或多个自然过程最初产生氧耗竭区域，尽管在一些实施例中，可以采取另外的动作和/或活动来启动、加速、维持、延迟、减少和/或补充一个或多个自然过程，所述过程可能影响由此产生的氧耗竭区域。
期望地，外壳将在水性环境中提供独特的保护环境，其中外壳内的细菌和/或其它微生物的数量和/或多样性可以不同于定位于外壳外部的那些细菌和/或其它微生物。此外，外壳可以在外壳内产生多个差异化的环境，所述多个差异化的环境可以包含可以被量化为“邻近外壳的内壁”(即，例如在外壳的内壁的几毫米内)的第一分化“环境”和可以被量化为邻近基材的外表面(即，在基材的外表面的几毫米内)的至少一个第二分化“环境”。在各个示例性实施例中，给定的差异化的环境可以引起或促进外壳内形成一个或多个生物膜，这可以包含在基材的表面上形成生物膜，所述生物膜在各个方面可能与在没有外壳和/或外壳壁的内表面上或的孔内的不同生物膜的情况下可以在水性环境内的基材上形成的生物膜不同。例如，在“封闭”或差异化的环境中的基材生物膜可以结合较低/较少的细菌或其它微生物多样性，或者可以包括比通常在未受保护的等效基材的表面上形成的生物膜“更薄”的层。在各种情况下，此分化生物膜对于防止和/或减少基材的微观和/或宏观结垢可能是有利的。
在一些实施例中，水性环境内的独特的受保护环境可以在外壳内引起细菌和/或其它微生物的独特数量和/或多样性，这可以引起或促进外壳内一个或多个生物膜的形成，其中此类生物膜与未受保护的环境中通常遇到的生物膜相比，可能“不太牢固地附接”到基材。此类生物膜可以促进从基材和/或从中间生物膜层去除和/或“刮除”结垢生物。在此类情况下，微生物区系和/或微动物区系可以包括与定位于外壳外部的那些门不同的门(即，不同的细菌和/或蓝细菌和/或硅藻)。
在各个实施例中，外壳和贯穿其中的各种穿孔的存在可以产生“差异化的”水性环境，所述差异化的水性环境可以比周围的水性环境更不利于基材的微观和/或宏观结垢，这可以包含生存和/或存在(existence and/or presence)比周围的水性环境的生物膜局部沉降线索的阳性水平低的差异化的环境内生物膜局部沉降线索。期望地，与周围的开放水性环境内的类似因素和/或化合物相比，外壳将在差异化的水性环境内的各种环境因素和/或化合物的组成和分布中产生“差异”，其中这些“差异”抑制和/或防止大量生物结垢的发生(1)在受保护基材的表面上，(2)在外壳的内壁表面上，(3)在外壳壁上的开口和/或穿孔的空隙内和/或(4)在外壳的外壁表面上。在一些实施例中，外壳将在外壳内产生沉降线索梯度，从而引起和/或推动一些和/或全部微观和/或宏观结垢生物定位于基材的某个远端，而在其它实施例中，外壳可以产生靠近基材的不利于基材的生物结垢和/或其它降解的微环境。在仍其它实施例中，外壳可以被定位成邻近于基材和/或与基材直接接触，如被直接包裹在基材周围，并且仍然提供本文所描述的各种保护。
在各个其它实施例中，与周围的水性环境相比，穿孔的外壳壁的存在可以类似地影响各种水化学因子和/或差异化的环境和/或其部分内的营养物和/或废弃物的存在/不存在。例如，pH、总溶解氮、铵、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷酸盐和/或二氧化硅可以在差异化的环境和周围的开放水性环境之间变化，并且甚至在差异化的环境内，此类营养物的水平也可以跨封闭或有界的水性区域变化。通常，在靠近外壳壁的至少一部分(即，基于大量水流动的方向的“上游部分”)的位置处，外壳内的液体中的水化学、营养水平和/或废弃物代谢产物的水平可能更接近外壳外部的液位的水平，其中通常在外壳内和/或靠近基材表面会进一步看见更大的变化。
在各个实施例中，如本文所描述的外壳的存在可能改变水化学，使得可能落在基材上的结垢生物由于差异化的环境内的各种“不适宜的”条件而可能不会沉降或附着到基材和/或可能无法繁衍和/或定殖于基材，所述不适宜的条件使生物无法生长(包含无法像位于外壳外部的可比较的生物那样迅速生长)、繁衍和/或穿过这些生物经历以变成功能全面的大结垢生物的所需的自然过程和/或阶段中的一个或多个过程或阶段。例如，外壳内可能发生各种化学变化(与周围的开放水性环境相比)，包含外壳内较低的溶解氧水平、改变的pH、不同的营养水平和/或浓度、废弃品水平和/或缺乏移动的水等。在许多情况下，当将基材放置在本文所描述的各种外壳内时，结垢生物甚至可能会从已经结垢的表面断开连接和/或“相继死亡(die off)”，这可能会停止和/或减少基材的结垢，以及可能会从一个或多个结垢的表面上松动和/或脱离一些现有的生物结垢生物和/或骨骼残留物，如贝壳、骨骼、外骨骼和/或相关的支撑结构。
在各个实施例中，外壳壁的穿孔的布置、小的大小和/或分布以及其中定位的各种线条和/或线条部分(即，纤齿)的存在会限制、防止和/或调节外壳或其各个部分内的阳光或其它光/热能(包含人造的和/或生物发光的能源)的存在和/或可用性，包含限制和/或防止各种能源(例如用于光合作用的阳光)可容易地被各种微生物和/或其它降解过程所利用，特别是在更接近水性环境的表面或靠近此类其它能源而利用外壳的情况下。如果需要的话，靠近外壳壁(即，穿过穿孔)的此类能源的可用性或存在性可能会引起一些活动生物聚集和/或汇集在外壳的内壁附近，从而期望地减少其在要保护的基材表面附近的存在。在各个替代性实施例中，光源或其它能量源可以定位于外壳附近的周围的水性环境中和/或可以定位于各个位置中的外壳内，包含靠近受保护的基材，从而增加此类能量源在外壳附近和/或外壳内的可用性。此类实施例在限制对添加的能量源敏感的生物结垢生物的存在和/或生长方面可能是特别有用的(即，如提供抑制斑马贻贝的光源，所述斑马贻贝通常更喜欢更黑暗的环境)。
在各个实施例中，外壳壁的穿孔的布置、小的大小和/或分布以及其中各种线条和/或线条部分的存在可以限制、防止和/或调节可能在外壳或其各个部分内出现的一种或多种较高速度质量的水流动的位置和/数量，包含限制和/或防止外壳内和/或靠近基材的液体的各种类型的层流和/或湍流(即，局部水流或“射流”)。在一些实施例中，可以在外壳内获得的水的相对“缓慢”但略小于完全“静止”的性质可以防止大量非固着微生物与基材或与其相邻的边界层接触。此外，外壳内有限的液体流动可以允许较薄/较厚的水性液体边界层靠近受保护的基材和/或外壳壁存在，这可以进一步限制微生物或者说与受保护的基材接触以及引起或允许在基材上形成比通常在开放水性环境的一种或多种更活跃的流动情况中存在的更薄/更厚的生物膜。
在至少一个替代性实施例中，本发明的各种优点可以通过结合补充和/或人工水交换结构(如动力泵或“止回阀”布置、螺旋桨系统和/或花瓣系统)的非渗透率外壳(包含塑料、木材和/或金属壁片材或板等)来提供，所述人工水交换结构提供了分化水性环境与周围的开放水性环境之间的期望水平的水交换。
在本发明的一些实施例中，本文所描述的用于受保护的基材的一些或全部生物结垢保护和/或有效性可以期望地由外壳和其可渗透的可成形的基质、纤维基质和/或织物壁材料提供，而不需使用各种补充性抗生物结垢剂，而在其它实施例中，外壳可以包括可渗透的可成形的纤维基质和/或织物壁材料，所述可渗透的可成形的纤维基质和/或织物壁材料将一种或多种杀菌剂和/或防污剂结合到壁结构和/或其涂层的某个或一些部分中。在一些实施例中，一种或多种杀菌剂和/或防污剂可以为外壳壁和/或组件提供生物结垢保护(其中外壳本身为基材提供一定水平的生物结垢保护)，而在其它实施例中，一种或多种杀菌剂和/或防污剂可以为基材本身提供某种水平的生物结垢保护，而在仍其它实施例中，一种或多种杀菌剂和/或防污剂可以为外壳和基材两者和/或其各种组合提供生物结垢保护。
在一些实施例中，即使不存在可以整合到外壳结构中和/或补充性地提供道外壳结构的补充杀生物剂或其它结垢保护物质、抑制剂和/或毒素的情况下，外壳也可以在不同程度上为基材和外壳壁提两者供生物结垢保护。例如，当如本文所描述的外壳围绕基材放置并产生一种或多种所公开的差异化的环境时，所述一种或多种环境还可以使各种代谢废弃物的浓度增加，并且外壳内发生的各种过程和/或代谢活动可以产生对结垢生物具有有害、伤害、有毒和/或其它负面影响的一种或多种物质(例如，硫化氢或NH3-N-氨态氮)。例如，NH3-N是氨的未离解形式，也被称为游离氨态氮(FAN)或氨态氮，由于其可以渗透细胞膜，因此被发现对微生物有害和/或有毒。在一些实施例中，此类有害化合物(包含各种已知和/或未知的微生物“毒素”)和/或抑制性化合物的期望的浓度可能在外壳内发展(并且然后可以通过外壳内发生的各种过程不断地“补充”这些浓度)，其中所述化合物可以驻留在外壳内的差异化的水性区域中和/或通过外壳的壁洗脱，从而潜在地产生有害化学品的在某种程度上保护外壳的外壁免于结垢生物的局部“云”。然而，一旦这些化合物离开外壳，这些有害和/或抑制性化合物可能因各种自然过程而迅速被稀释和/或分解，从而避免了对这些物质在距外壳一定距离处对环境的长期影响的重大担忧。另外，因为在外壳内产生这些化合物的过程是连续的和/或周期性的，所以外壳可以在不确定的基础上以相对恒定的水平不断地产生和/或洗脱这些抑制性化合物，而无需洗脱液储集器和/或外部补充或外部电源。
在至少一个示例性实施例中，外壳可以包括由纺制聚酯纱线制成的聚酯织物的可渗透的可成形纤维基质，所述可渗透的可成形纤维基质可以在至少一侧(例如外壳的面向外的表面)上涂覆有杀菌化合物或含有杀菌剂的涂层或油漆，其中至少一些杀生物剂化合物至少部分地渗透到织物的主体中。在至少一个另外的实施例中，采用环纺制聚酯纱线可以期望地以微小和/或微观的尺度增加织物材料的有效表面积和/或原纤化，这可以期望地(1)导致延伸穿过织物的天然开口的平均大小显著减少和/或(2)减小穿过织物和/或织物内的开口内的“自由空间”的数量和/或宽度，从而潜在地减小(流入/流出的液体内的)微生物与织物上驻留的一个或多个杀生物剂涂层之间的分离距离。在此类实施例中，减小的织物平均开口大小将期望地增加液体的“过滤”，以减少和/或防止各种生物有机体和/或其它材料进入封闭或有界的环境，同时一个或多个开口内的减小的“自由空间”将期望地增加或放大杀生物剂对穿过外壳的生物的影响(包含杀生物剂与各种生物之间发生的直接接触的可能性增加)，因为所述生物非常靠近杀菌涂层。这些因素将期望地导致进入外壳的微生物和大生物(以及各种有机和/或无机结垢)的大小和/或生存力的显著减小。此外，一种或多种杀生物剂涂层和/或一种或多种油漆和/或一种或多种添加剂在外壳的织物上和/或中的存在将期望地显著减少可能在外壳材料本身上和/或其中的一个或多个开口内发生的生物结垢或其它降解的数量、程度和/或速度，从而在延长的时间段内期望地保持外壳的织物的柔性、渗透率和/或其它性质。
在一些实施例和/或一些水性环境中，杀生物剂涂层至少在柔性外壳材料的外表面上的存在将期望地减少在外壳本身内的开口上和/或内经历的生物结垢和/或其它降解的厚度、密度、重量和/或程度，这将最佳地维持外壳与周围环境之间的水交换的期望水平和/或延长外壳在基材周围的其期望的位置中的使用寿命。在许多情况下，外壳的生物结垢会显著增加外壳的重量和/或刚度，这会损坏外壳和/或附接到外壳的结构(包含基材本身)，以及不利地影响外壳和/或附接在其上的任何物体的浮力。另外，外壳本身的生物结垢会降低各种织物组件的柔韧性和/或延展性，这会在动态水性环境中引起和/或促成织物和/或相关附接机构的过早撕裂和/或失效。此外，外壳上/内的生物结垢形成可能潜在地“堵塞”或减小穿过外壳织物和/或在外壳织物内的开口的大小和/或封闭的开口，这可能潜在地改变差异化的环境与周围的动态和/或开放水性环境之间的渗透率和/或液体交换速率，可能会导致不期望的状况(即，低溶解氧水平和/或缺氧)和/或腐蚀或外壳内发生的其它问题。
在至少一个实施例中，外壳可以包含初始杀生物剂处理，所述初始杀生物剂处理在部署外壳之后在有限的时间段内洗脱和/或以其它方式分配，其中此时间段足以使外壳的其它特征发展差异化的环境，其中差异化的环境可以产生各种抑制性物质，以在初始杀生物剂洗脱降低到较低和/或无效水平和/或已经停止洗脱或分配之后，为基材和/或外壳提供后续的生物结垢保护。
附图说明
通过参考结合附图做出的以下描述，实施例的前述以及其它目的、方面、特征和优点将变得更加显而易见并且可以被更好地理解，在附图中：
图1描绘了包或袋形式的外壳的一个示例性实施例；
图2描绘了圆柱形外壳的替代性实施例；
图3描绘了具有一个或多个间隙或间隔开的区段的外壳的另一个示例性实施例；
图4A描绘了供外壳中使用的示例性纺制纱线的扫描电子显微镜显微照片；
图4B描绘了图4A的纱线的中心主体的横截面视图；
图4C描绘了包括PET纺制纱线的针织物的放大视图；
图5描绘了供各种外壳设计中使用的示例性轧制片材织物；
图6A和6B描绘了适合在各种外壳设计中采用的示例性织物缝合；
图7A描绘了结合粘合剂、钩环紧固件材料的卷起的片材织物的一个示例性实施例；
图7B描绘了结合图7A的织物的一个渐进包裹的外壳；
图8A和8B以图形方式描绘了与周围的水性环境相比的各种测试外壳中的示例性溶解氧水平；
图9描绘了外壳内部的与周围的水性环境的那些水化学因子保持相同或类似的一些水化学因子；
图10A到10D以图形方式描绘了与周围的水性环境的DO读数相比的各种示例性外壳内的溶解氧(DO)水平；
图11描绘了水性环境内的基材和相关的外壳壁的示例性横截面视图；
图12A描绘了自然发生在各种水体中的生物驱动的氮循环；
图12B以图形方式描绘了NH3-N对水性环境中可用溶解氧水平的示例性依赖性；
图13描绘了各种外壳内部的与周围的水性环境的那些pH水化学因子保持某种类似的pH水化学因子；
图14描绘了浸没在如海水等水性介质中的基材上的结垢群落的示例性“标准”进展或定殖序列；
图15描绘了海水中各种基材上形成的生物膜中的细菌门的各种分布；
图16A描绘了未经涂覆的聚酯机织织物的另一个示例性实施例；
图16B描绘了用杀生物剂涂层涂覆的16A的实施例；
图17A描绘了天然的未涂覆的粗麻布织物；
图17B和17C描绘了用于基于溶剂的杀菌涂层和基于水的杀菌涂层涂覆的图17A的织物；
图18A描绘了未经涂覆的聚酯织物；
图18B描绘了用杀菌涂层涂覆的图18A的织物；
图18C描绘了未经涂覆的纺制聚酯织物；
图18D描绘了用杀菌涂层涂覆的图18C的织物；
图18E描绘了未经涂覆的纺制聚酯布；
图18F描绘了在涂覆之后图18E的纺制聚酯布的未涂覆侧；
图19描绘了适用于本发明的各个实施例的各种织物；
图20描绘了示例性外壳中的随时间的罗丹明浓度的检测；
图21描绘了在各个外壳实施例中鉴定的各种浮游生物类型和条件；
图22A和22B描绘了一对浸没在海水中的青铜螺旋桨，其中图22A的螺旋桨不受保护，并且图22B的螺旋桨由外壳实施例保护；
图23A描绘了在海水中浸没12个月后被外壳保护的基材；
图23B描绘了保护图23A的基材的外壳；
图23C描绘了在图23A和23B的基材和外壳附近靠近海水浸没了12个月的未受保护的基材；
图23D描绘了受保护的基材；
图23E描绘了保护图23D的基材的外壳；
图23F描绘了受保护的基材；
图23G描绘了保护图23F的基材的天然纤维外壳；
图24A和24B分别描绘了由纺制聚酯和变形聚酯构造的示例性外壳的内表面；
图25以图形方式描绘了与周围的水性环境的DO读数相比的各种示例性外壳内的DO水平；
图26A和26B描绘了未受保护的基材，其中基材在浸没在淡水中3个月后受到外壳实施例的保护；
图27A和27B描绘了适用于构造各个外壳实施例的各种柔性织物；
图28A到28C描绘了来自各个外壳实施例的示例性杀生物剂释放速率；
图29描绘了具有至少部分渗透到织物和其孔中的杀生物剂涂层的外壳织物的横截面视图；
图30描绘了用于保护基材免于生物结垢的外壳的一个示例性实施例的透视图，所述外壳结合具有多个层的壁结构；并且
图31描绘了外壳和补充泵送系统的替代性实施例。
具体实施方式
本文描述的各个实施例的公开内容提供有满足法定要求的足够的特异性，但是这些描述不一定旨在限制权利要求的范围。所要求保护的主题可以以多种其它方式体现，可以包含不同的步骤或元件，并且可以与包含过去、现在和/或将来的发展的其它技术结合使用。除了明确描述各个步骤的顺序或元件的布置之外，本文提供的描述不应被解释为暗示各个步骤或元件当中或之间的任何特定顺序或布置。
本文公开了各种易于组装和/或使用的外壳和/或其它装置，所述外壳和/或其它装置可以放置在定位于(或放置于)易受生物结垢影响的水性环境或水性容纳箱内的基材或其它物体的附近、周围、之内、顶上和/或下方。在各个实施例中，公开了可以保护浸没和/或部分地浸没的基材或其它物体(或其部分)免于水性生物结垢的影响的系统、装置和方法，包含在打开和/或去除外壳后的某个延长的时间段内，基材产生抗生物结垢性，并且可能保留抗生物结垢性。
在各个实施例中，公开了可以由相对便宜且可容易获得的材料如聚酯、尼龙或人造丝织物和/或天然材料如棉、亚麻或粗麻布织物(或其各种组合)形成的保护外壳。在各个实施例中，外壳可以包含处理和/或生物可降解性特征，所述处理和/或生物可降解性特征允许外壳或其部分在暴露于水性环境中一定量后与基材和/或支撑结构断开耦接、分解和/或以其它方式退化，在基材上形成期望的生物膜或其它层之后，其可能包含退化和/或脱离。
在本文公开的各个实施例中，术语“差异化的水性环境”和/或“局部水性环境”意在广泛地涵盖由于外壳的撞击和/或存在已经或将要改变水化学的一些和/或全部水性区域，所述差异化的水性环境和/或局部水性环境可以包含以下中的一种或多种(和/或其任何组合)：1)外壳的内壁内的任何水(即“封闭”或“分化”的水性环境)，2)外壳的内表面与外表面之间任何孔隙或空间内的任何水(即“夹带的”水性环境)和/或3)紧靠近外壳的外表面的任何水(即“最近的”水性环境)。
尽管在一些实施例中，外壳可以基本上围绕和/或包围基材的外表面，但是在一些替代性应用中，外壳可以期望地被定位和/或配置成保护定位于外壳附近和/或外部的基材，其中“开放水性环境”可以被认为定位于外壳内，并且“封闭的”或“差异化的”水性环境可以定位于外壳的外壁与基材的内壁之间。例如，在储水箱中，箱的内壁可能构成要保护的“基材”，并且被泵送进入箱中(即，从外部环境源如溪流、湖泊、井、港口或储集器泵出)的一些或全部水可能构成从中寻求保护基材的“开放水性环境”。在此类情况下，如本文所描述的外壳可以围绕水入口定位(或者外壳壁可以定位于水入口与箱壁之间的某个点处)，其中外壳期望地产生靠近箱壁的一个或多个“不同的”环境条件，并且从而保护箱壁免于如本文所描述的生物结垢的各种影响。
以类似的方式，对于可能涉及使用外壳和/或其部分对液体进行“过滤”和/或“滤除”的实施例，在穿过外壳壁之前，“开放水性环境”可以被认为是液态水(或其它液体)的上游来源，并且“差异化的水性环境”可以被认为是已经穿过一个或多个外壳部分之后的液体。至少一个替代性实施例可以包含可以做水箱、容纳室或分配单元的内壁的衬里的外壳元件。
应该理解的是，在各个替代性实施例中，本文所描述的“封闭”基材涵盖以足以在靠近受保护的基材时引起一些和/或所有期望的过滤和/或水化学变化的程度用外壳部分地封闭基材，包含不能将基材与周围的水性环境或其它环境完全密封或隔离的外壳。例如，可以将保护船体或船只或船舶的其它浸没和/或部分地浸没的部分的外壳视为“封闭”本文所描述的船体，即使其中外壳仅涵盖可以对周围的空气开放(即，包含对“水上”环境开放的部分)、对水性环境的各部分和/或向其它物体如木结构、岩壁、固体金属片材等开放的船体的水下部分和外壳的各部分中的一些或全部。以类似的方式，在其中具有各种缺口、开口、接缝、裂隙、裂缝和/或缺失的壁元件的外壳可以被认为“封闭”如本文所描述的基材，其中存在足够的外壳结构以期望地引起一些和/或全部期望的水化学变化和/或过滤功能都将在外壳和/或受保护的基材附近发生，从而如本文所描述的保护外壳和/或基材免于生物结垢和/或将外壳/基材的生物结垢量减少到可接受的水平和/或引起在基材上形成期望的生物膜。
在至少一个实施例中，公开了一种部分开放的或裙形外壳，如具有靠近和/或接触海港地面的底表面的外壳壁的下边缘的外壳。在至少一个可能的实施例中，外壳可以包含将外壳的某个或某些部分部分地和/或完全地“密封”起来以抵御其它物体如海堤、船体部分、较大的船体、浸没和/或部分浸没的结构和/或海底的底面/泥浆的特征。在其它实施例中，外壳可以期望地包含足够的深度以提供本文所描述的生物结垢保护，但是将足够浅以避免在退潮期间(即，例如，长度为水下3英尺、6英尺和/或9英尺的深度)接触水性介质的底部。如果期望的话，竖直朝向的片材的底部部分可以包含开窗、狭缝、条纹和/或穿孔，所述开窗、狭缝、条纹和/或穿孔可以抑制但不能完全阻止水流入和/或流出外壳的底部与海底之间的空间。
在各个实施例中，裙形保护系统可以包含用于外壳或“裙”的单独元件，所述外壳或裙包括可以部署到围绕物体或其部分的水中的多个竖直朝向的“片材”或类似结构，其中片材的某个部分向下延伸到要保护的物体下方，并且在一些实施例中，在水体的透光带(即，阳光照射带)的某个部分内延伸，其中保护系统期望地在物体附近产生水的部分或完全弱光带(即，光线不足带)，或产生引起和/或维持靠近受保护物体的水的期望的化学变化的部分和/或完全束缚的水区域，从而期望地抑制生物结垢。在各个实施例中，保护系统期望地可以进一步对穿过其中的太阳光引起某种水平的渗透率变化，这在一些实施例中可以减少和/或防止大量可用的太阳光通过外壳的顶部结合屏障材料(如片材、网目、筛子和/或其它障碍物)获准进入此弱光带(即，可被生物利用用于光合作用)，以减少和/或消除物体与外壳壁的上部部分之间的阳光通过(和/或各种波长和/或其组分)。在各个实施例中，这些屏障材料还可以通过波和/或风作用来抑制或防止氧与屏障内的水的物理混合。
在其它实施例中，可以在海上石油平台周围放置裙部或外围外壳，从而期望地减少和/或消除围绕平台的支撑结构或“支柱(leg)”的各个部分的生物结垢。在此类实施例中，外壳壁可以围绕整个支撑结构的大部分周界部署，并且从滚筒式分配器或“浮标”竖直向下延伸到水中(或可以直接固定到平台和/或支柱)，其中一个或多个外壳壁的深度可以根据期望增加和/或减小。期望地，外壳壁将完全和/或部分地包围平台支撑件(其可以包含围绕具有单独外壳的单个支撑支柱或单个外壳中的整个支撑结构)，并且将扩展到足够的深度以引起封闭或有界的水体的各部分的期望的水化学变化，包含靠近封闭或有界的水体的较浅部分和/或表面的变化。如果期望的话，可以根据期望升高或降低外壳壁中的一个或多个外壳壁，如果正在监测此类化学(即，例如，在钻机周围或在远程监测站)，则可以引起期望的水化学变化。以类似的方式，可以根据期望打开和/或关闭外壳壁中或之间的一个或多个开口、分区和/或分区，以期望的方式期望地改变水化学。
如果期望的话，防污系统可以包括自由浮动的外壳，其中外壳壁可以由可以环绕或围绕受保护的船舶的浮动吊杆支撑。在各个实施例中，所公开的结构和/或其组件可以直接附接到船坞或船用滑道和/或直接从船坞或船用滑道垂悬。例如，可以将U形外壳定位在标准船用滑道内，其中外壳壁连接到一个或多个相邻船坞和/或其它结构。如果期望的话，可以靠近船只的船尾提供浸没式悬垂式帷幕或其它可移动壁结构，以关闭开放的“U”形区段，所述“U”形区段可以打开和/或关闭以允许船只进入或离开船坞和/或外壳。如果期望的话，悬挂式帷幕可以包括外壳的水下壁，所述水下壁可以转动或旋转或远离外壳和/或朝外壳旋转(即，以类似于打开和/或关闭门的方式)，以打开和/或关闭外壳，以允许船只或其它浮动结构进入和/或离开外壳。可替代地，悬挂式帷幕可以结合允许帷幕和/或其部分升高和/或降低的特征，以允许船舶以正常方式进入到外壳/从外壳离开(即，当帷幕区段降低足够量时，船舶可能会浮动在降低的帷幕区段上方的外壳中和/或从外壳中浮动出去)。作为另一个替代方案，外壳壁材料的一个或多个区段和/或一个或多个支撑结构(即，支撑管道或钢丝绳支撑件)中的一些或全部支撑结构可以“滑开”(以类似于打开和/或关闭淋浴帘的方式)以允许从外壳进入和/或离开外壳。在此实施例中，外壳壁的上边缘可以悬挂在水面之上至少一或两英尺处(其中外壳期望地在水面下方延伸期望的程度)使得水和/或波浪作用期望地不会侵害外壳壁的顶部。在各个替代性实施例中，悬挂式帷幕和/或其它结构可以安装在各种表面上，包含安装到受保护的基材本身、浮动结构、固定结构、水上表面、水下表面和/或水体的底部上/中和/或地下海港结构和/或海底。在一些实施例中，在可能发生更强的底流和/或过多的淤积，或者在海底上不期望的生命形式可能侵入和/或试图定殖外壳部件的情况下，外壳与海底的直接接触可能是不太期望的，而在其它实施例中，可能期望具有底表面(即，自然和/或人工表面)的部分和/或完全密封。
在各个实施例中，可以利用外壳定期向受保护的基材提供生物结垢保护，这可以包含在可能增加靠近受保护基材的水流时中断生物结垢保护，其中生物结垢保护可能会在靠近受保护基材的水流减少的时间段处恢复。例如，外壳可以包含可以由用户自动和/或控制的一个或多个地下开口，当期望流入和/或流出外壳的水流增加时可以将所述一个或多个地下开口打开。此类情况可以包含从外壳中去除基材，需要对外部环境水质进行采样和/或需要大量冷却和/或其它水(例如通过基材船体中的浸没的引入口和/或排气口)。在其它实施例中，可以将外壳设计成在期望的时间段内增加水通过外壳壁的流量，这可以减少和/或消除在一个或多个增加的流量时间段内由外壳提供的部分或全部生物结垢保护，但是一旦水流量降低到预定设计阈值以下，可以恢复生物结垢保护。
在至少一个示例性实施例中，可以提供一种具有特殊效用的外壳设计作为用于将海水和/或淡水用作冷却水源的系统的防生物结垢和/或过滤系统。在此实施例中，可以提供水性环境中的浮动外壳或“储集器”，其中外壳涵盖比正常使用时冷却系统所需量更多的水性流体。例如，如果在正常运行期间冷却系统每分钟需要1000加仑的水，那么储集器将期望地涵盖至少10,000加仑、至少20,000加仑、至少50,000加仑、至少100,000加仑、至少500,000加仑和/或至少1,000,000加仑和/或更多的水。期望地，可以在储集器的顶部附近的水入口将具有相对较低的溶解氧水平的水抽吸到供冷却设备使用的入口中，其中具有相对较高的溶解氧水平的水被抽吸到储集器的底部和/或任何侧部开口或间隙中。在水分子和/或液滴沿着储集器内的水柱向上运送所花费的时间期间，水柱内的天然和/或人工除氧剂将期望地降低水中的溶解氧水平，使得溶解氧水平在进入入口之前已稍微被耗竭。然而，在至少一个替代性实施例中，水入口可以处于外壳的底部和/或储集器的底表面附近，所述水入口通常是外壳/储集器内的供冷却设备使用的最冷的水。
在至少一个示例性实施例中，用于确定外壳的适当设计、大小、形状和/或其它特征的方法可以用于确定推荐的最小外壳或有界的体积和/或水交换速率，以期望地减少和/或消除外壳内的生物结垢。在一些实施例中，如在膜过滤器配置中，其中可以利用外壳来为制造工厂(即，发电厂、海水淡化工厂、精炼厂和/或其它制造工厂)提供冷却水源和/或其它来源的水，所公开的方法可以潜在地用于减少和/或消除工厂的水和/或其它导管内的生物结垢，并且在一些实施例中，不需要另外过滤和/或微过滤水。
在各个实施例中，在某些条件下，外壳的设计和使用可能会潜在地促进、引起和/或促使在基材和/或外壳壁上形成层、生物膜和/或材料的沉积，从而减少、排斥、抑制和/或防止微生物和/或宏观生物随后尝试定殖、募集和/或污染一些或全部受保护的基材(即，将某种水平的“生物结垢接种”提供到基材)。例如，本文公开的外壳的各个实施例可能引起外壳内独特的水性环境的产生，导致在环境内(包含靠近基材的表面的一个或多个水性层内)产生独特的微生物和/或微生物区系混合物。在许多实施例中，微生物/微生物区系在外壳内的独特混合和/或分布可能引起和/或影响在基材上产生微生物生物膜或其它层，所述微生物生物膜或其它层与各种表面细菌组合可以释放影响基材上的结垢生物的沉降、募集和/或定殖。在各个实施例中，一旦建立了独特的微生物生物膜层，此层就可以保持耐用和/或自我补充，这在没有外壳的情况下(即，在外壳可以被临时和/或永久地去除和/或损坏的情况下)可以在延长的时间段内继续保护基材免于某些类型和/或数量的生物结垢。
在各个实施例中，影响基材上的结垢生物的沉降、募集和/或定殖的化学品和/或化合物可以包含毒素和/或杀生物剂，以及阻止此类沉降、募集和/或定殖的化学品和/或化合物，以及可能缺乏阳性沉降、募集和/或定殖线索的化学品和/或化合物，以及与周围的水性环境内的表面上产生的那些相比和/或与产生有益生物(例如，可能通常不被认为是重要的生物结垢生物的生物)的阳性沉降、募集和/或定殖线索的化学品和/或化合物相比，可能产生较低水平的阳性沉降、募集和/或定殖线索的化学品和/或化合物。在一些实施例中，在受保护的基材和/或相关的生物膜上可能缺少某些“欢迎线索”，这可能会为基材提供扩展的结垢保护。在各个实施例中，“欢迎线索”可以涵盖微观和/或宏观植物区系需要、期望和/或促进在给定表面上的沉降、募集、定殖、生长和/或复制的营养物和/或化学品，并且此类“威慑线索”可以包含可以抑制、阻止和/或防止微观物和/或宏观植物区系在给定表面上沉降、募集、定殖、生长和/或复制的废弃物代谢产物和/或其它化学品。
在各个实施例中，结垢的抑制可以通过与浸没在和/或部分地浸没在基本上类似的水生环境中的基本上类似的基材的总结垢覆盖率相比(没有保护外壳)，结垢生物减少基材和/或一个或多个外壳表面/空隙的总覆盖率来表示。结垢的这种减少可以是结垢减少10％或更多、结垢减少15％或更多、结垢减少25％或更多、结垢减少30％或更多、结垢减少40％或更多、结垢减少50％或更多、结垢减少60％或更多、结垢减少70％或更多、结垢减少80％或更多、结垢减少90％或更多、结垢减少95％或更多、结垢减少98％或更多、结垢减少99％或更多、结垢减少99.9％或更多和/或结垢减少99.99％或更多。可替代地，对一种或多种受保护的制品上的结垢的抑制可以表示为在等效的未受保护的基材上形成的结垢覆盖物的量和/或结垢质量(即，按体积和/或重量计)的百分比。例如，受保护的物品可以形成少于10％的未受保护的基材的结垢覆盖物(如其中受保护的基材形成厚度小于0.1"的结垢覆盖物，并且未受保护的等效基材形成厚度1"或更大的结垢覆盖物)，这将反映出与未受保护的基材的结垢水平相比，受保护的基材和/或外壳壁的结垢水平降低了超过十倍。在其它实施例中，受保护的制品可以形成少于1％的结垢，或者受保护的基材和/或外壳壁的结垢水平降低超过一百倍。在仍其它实施例中，受保护的制品可以形成少于0.1％的结垢，所述受保护的制品的受保护的基材和/或外壳壁的结垢水平降低超过一千倍。在本发明的甚至其它实施例中，受保护的基材和/或外壳壁在基材和/或外壳壁的任何受影响的一个或多个区域中可能没有明显的结垢，与未受保护的基材相比，这可能表示受保护的基材和/或外壳的0.01％(或更高)或甚至0％的结垢水平(即，受保护的基材和/或外壳壁的结垢水平降低了大于一万倍)。ASTM D6990和《海军舰船技术手册(the Navy Ship Technical Manual)》(NSTM)是用于测量基材上的结垢百分比覆盖率和结垢厚度的量的已知的参考标准和方法。
在各个另外的实施例中，结垢的抑制可以通过与浸没和/或部分地浸没在基本上类似的水生环境中的基本上类似的基材(即，没有保护外壳)的结垢覆盖物的总增加相比，结垢生物对基材和外壳表面两者的总覆盖物增加的减少来表示，当从水性介质中去除时，这可以通过目视检查、物理测量和/或基于增加的重量和/或组合的基材和外壳的体积(即，由于附着其中的结垢生物的重量而导致的重量增加)进行测量。结垢的这种减少可以是结垢减少10％或更多、结垢减少15％或更多、结垢减少25％或更多、结垢减少30％或更多、结垢减少40％或更多、结垢减少50％或更多、结垢减少60％或更多、结垢减少70％或更多、结垢减少80％或更多、结垢减少90％或更多、结垢减少95％或更多、结垢减少98％或更多、结垢减少99％或更多、结垢减少99.9％或更多和/或结垢减少99.99％或更多。
更改的水域和外壳
图1描绘了呈包或袋形式的具有开放的近端20和封闭的远端30的外壳10的一个示例性实施例。在使用中，外壳10可以放置在基材40周围，其中开放的近端构造得足够大以在基材和/或任何相关的支撑结构上方和/或周围通过，其中开放的近端能够使用例如拉绳或拉线型封闭件50来减小大小，以期望地将外壳内的水性环境(即，“差异化的水性环境”或“封闭环境”)与周围的“开放”水性环境(在期望的程度上)分离或封闭。理想地，一旦外壳以此方式“分离”，“封闭”或以其它方式封闭，则来自开放环境的一定量的液体仍可以渗透穿过到外壳的壁，以进入差异化的环境中，并且类似地，来自差异化的环境的一定量的液体仍可以渗透穿过外壳的壁以进入开放环境中。
本发明的一个重要特性是外壳可以在靠近基材产生“差异化的水性环境”，但是外壳还允许在外壳内的液体和/或其它物质与周围的水性环境(即，外壳外部)中的液体和/或其它物质之间进行受控量的“混合”和/或其它运输。可以发生进入外壳中和/或从外壳中离开两者的这种受控运输期望地在外壳的各部分内产生独特的水性环境，所述水性环境抑制和/或防止在基材上形成大量的生物结垢。例如，海水中的溶解氧源自以下三种来源之一：(1)溶解、扩散和/或混合(即，通过曝气)进入水面的大气氧，(2)由于光合作用或其它代谢途径，由藻类、水下草和/或其它生物过程释放的氧和/或(3)溪流和河水流中存在的混合进入海水中的氧。当在合适的环境中适当地设计和部署时，外壳结构将期望地阻挡和/或抑制大量的阳光渗透到差异化的水性环境中，从而减少了外壳内光合作用产生的溶解氧的数量。另外，由于各种因素(包含因为外壳可以弯曲到不同程度)，由于水平和/或竖直水流(或其组合)，外壳壁的存在将期望地减少和/或抑制水进入、穿过和/或流出外壳的大量物理流动，这允许所述外壳壁提供对水流的至少部分阻挡，同时还允许所述外壳壁在某种有意义的程度上改变形状和/或朝向以减小流动阻力，并且还因为柔性外壳壁可以随水流“移动”和/或变形至不同程度，从而减小了促使水流穿过壁织物的孔的压差。
在至少一个示例性实施例中，当首先将本发明的外壳围绕基材放置时，差异化的水性环境中的溶解氧可以通过外壳内的生物、代谢和/或其它过程和/或活动从外壳的内部迅速地耗竭以在外壳内产生氧耗竭区域。然而，由于外壳允许一些水大量流入和/或流出外壳(即，外壳与周围的“开放”水之间的水交换)，因此随着含氧水穿过外壳壁的流入，将发生一定量的氧补充，并且一定量的氧耗竭水将从外壳壁中流出。通常，向外壳中补充氧的速率低于开放水中的微生物区系和/或微动物区系正常利用的速率，这会引起和/或迫使外壳内的微生物区系和/或微动物区系中的至少一些改变其活性、行为、繁殖、新陈代谢、多样性，组成和/或相对分布，以适应外壳内的人工条件，以及影响各种自然化学过程(如氧化)和/或自由基的活性等。此外，由于各种因素(昼/夜循环、潮流/潮汐流和/或其它水移动、由于风和/或暴风雨活动引起的水曝气等)导致开放水氧水平和/或交换速率波动时，溶解氧的流入量将发生变化，这改变外壳内的氧和/或其它化学品的水平，从而引起外壳内部的人工环境内的微生物区系和/或微动物区系的活动、行为、繁殖、新陈代谢、组成和/或相对浓度的进一步变化。期望地，由外壳产生的人工环境条件将由此抑制和/或防止结垢生物对基材的沉降、募集、生长和/或定殖，并且还将引起代谢和/或其它过程在外壳内发生的独特混合。
图8A描绘了经历几个月的时间段浸没在海水中的各个外壳实施例内的溶解氧水平。对于这些实施例中的每个实施例，外壳内的溶解氧水平通常低于周围的开放水的溶解氧，从而产生人工环境，所述人工环境使外壳内的微生物区系和/或微动物区系改变其活性、行为、繁殖、新陈代谢、多样性、组成和/或相对分布，以适应这些人工条件。此外，外壳内的人工条件不断变化，如图10A所示，其中外壳内的溶解氧水平(即，标有“纺制聚酯包(SpunPoly Bag)”的下线)“跟随”或“滞后”于外壳外部不断变化的氧气水平。
通常，如本文所描述的外壳内的溶解氧的净量的变化应归因于流动穿过外壳壁进入外壳中的水中所含有的溶解氧的任何流入(即通常为增加的氧气供应源)，减去外壳内发生的各种过程(包含其中的植物区系和/或动物区系的氧化过程或类似过程和/或代谢过程)在外壳内消耗的氧气量(即，减少氧气供应)(以及一定程度上从外壳流出的脱氧水中的任何溶解氧的流量)。在外部溶解氧水平较高和/或水流入带入外壳中的氧气要多于外壳内消耗的氧气和/或离开外壳的氧气的情况下，外壳中的净氧气水平应在一定程度上增加，并且在外部溶解氧水平较低的情况下和/或当水流入变慢并且带来的氧气少于外壳内消耗的氧气时，外壳中的净氧气水平应在一定程度上降低。因此，外壳内的溶解氧水平“反应”或“滞后”于围绕外壳的水的溶解氧水平，其中外壳DO水平通常(但不一定总是)低于周围水域的DO。此外，如图10A和10B最佳可见，外壳内的DO水平(标记为“纺制聚酯包”的下线)通常会模仿外壳外部溶解氧的昼夜和/或季节性波动(标记为“开放式部署”的上线)，但在降低的水平下。差异化的环境的这些变化中的每个变化将期望地使外壳内的宏观结垢和微生物区系和/或宏观结垢和微动物区系进一步改变其活性、行为、繁殖、新陈代谢、多样性、组成和/或相对分布，以适应人工环境的变化。
除了在外壳内引起的溶解氧水平通常比在外壳外引起的溶解氧水平低外，本发明的各个实施例可以减少和/或限制开放环境中最高氧气水平与最低氧气水平之间的变化量，并且另外具有减少或“消除”氧气水平的可能导致在开放环境中结垢的瞬时变化中的许多瞬时变化的能力。可以在图10A和10B中看到外壳内DO水平的此类缓冲或平滑，其中外壳内溶解氧的变化经历了比开放水更平滑的变化，其中与外壳外部的开放环境的“锯齿状”和/或陡峭的DO水平变化相比，外壳内DO水平的变化正被缓冲或平滑。
在各个外壳实施例中，局部水生环境内的溶解氧水平将期望地在24小时时段内维持平均水平，或高于5％、或8％、或10％、或12％、或15％、或20％、或25％、或50％、或60％、或75％、或80％、或85％、或90％、或100％、或105％、或110％、或115％、或120％或125％浓度的水平处或高于其它溶解氧水平(包含高于15％、高于14％、高于13％、高于12％、高于11％、高于10％、高于9％、高于8％、高于7％、高于6％、高于5％、高于4％、高于3％、高于2％、高于1％和/或高于0％溶解氧)。然而，在一些实施例中，使外壳内的溶解氧水平降低到缺氧水平是可接受的和/或甚至是期望的，所述缺氧水平可以包含在一些或全部外壳内小于每升液体0.5毫克氧气的氧气浓度。此类缺氧条件将期望地不维持延长的时间段，而是倾向于是持续时间小于一分钟、或小于10分钟、或小于半小时、或小于一个小时、或少于3小时、或少于12小时、或少于24小时、或少于一周的相对短暂的现象，这取决于相关的外壳设计、局部水条件、要保护的基材、一个或多个相关的季节、局部结垢压力和/或其它因素。期望地，此类降低的和/或缺氧的氧气水平将不会维持一段时间，这将对下面的基材和/或外壳的结构是显著有害的。
据信，在外壳内产生的降低的溶解氧水平显著有助于减少基材的生物结垢，因为减少的氧气可用性可以使一些结构生物难以在外壳内和/或基材上定殖和/或繁衍。另外，外壳内溶解氧水平的降低会增加其它生物的产生和/或大大减少其它生物处理和/或消除如硫化氢和/或氨态氮(即，游离的铵态氮、氮-氨或NH3-N)等废弃材料的机会，所述废弃物材料对多种水生生物和/或微生物均有害和/或甚至有毒。例如，图12A描绘了自然发生在各种水体中的生物驱动的氮循环，这可以有助于极大地降低外壳中的游离氧，并且图12B以图形方式描绘了NH3-N对可利用的溶解氧的示例性依赖。另外，在一些实施例中，厌氧氨氧化反应可能由外壳内的细菌引发和/或持续，所述厌氧氨氧化反应可以产生肼和/或类似地抑制海洋生长的其它副产物。通常，这些副产物的浓度在外壳内部要大于外壳外部(尽管这些有害化合物中的各种化合物-包含各种已知和/或未知的微生物“毒素”和/或抑制性化合物-可能会以不同的速率通过外壳壁洗脱)，并且在一些实施例中，由于各种原因，这些副产物在外壳内的单独的浓度和/或比较比率可能会波动。
例如，在各个实施例中，本文所描述的外壳可以引起代谢废弃物、毒素或其它抑制性化合物(如浓度范围为0.53mg/L到22.8mg/L的NH3-N)在外壳内产生，所述代谢废弃物、毒素或其它抑制性化合物对各种淡水生物可能是有毒的(通常取决于pH和/或温度)。在其它实施例中，在所公开的外壳内的差异化的环境中产生的NH3-N的浓度可以在0.053到2.28mg/L的范围内，这可以抑制外壳内和/或外壳的外表面上的生物结垢形成。另外，在NH3-N的水平低至0.002mg/L或更高时，各种水生植物区系和/或动物区系定殖和/或繁殖的能力可能显著降级。
进一步建议的是，在一些示例性实施例中，外壳内的水化学成分(如溶解氧、铵、总溶解氮、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷酸盐和/或二氧化硅(以及本文所描述的化学组分的各种其它成分))的单独的水平的波动和/或变化形成本发明的一些实施例的重要方面，因为在外壳内产生的人工环境将期望地“促进”和/或“抑制”不同的宏观污垢和微生物区系和/或宏观污垢和微动物区系在不同时间段下的繁衍。差异化的环境中的此类连续变化期望地迫使外壳内和/或靠近外壳存在的各种生物不断适应和/或变化以适应新的环境条件，这往往会抑制外壳内和/或靠近外壳的单个物种或种群的优势。这可以具有增强外壳内的各种植物区系和/或动物区系之间的竞争的作用，这可以抑制和/或防止单一种类、物种和/或分布的植物区系和/或动物区系对外壳的控制，并且从而减少了主要细菌或其它微观或宏观实体物种具有繁衍的机会和/或投入能量污染基材或形成其它污垢生物可能附着的基础的可能性。
在各个实施例中，外壳可以引起水化学因子的形成，所述水化学因子抑制如在外壳内的浓度高于外壳外部的浓度的结垢，如氨态氮。如果期望的话，可以在外壳内获得氨态氮浓度，所述浓度可以等于或大于十亿分之0.1(ppb)，可以等于或大于十亿分之1(ppb)，可以等于或大于十亿分之10(ppb)和/或可以等于或大于十亿分之100(ppb)。在各个实施例中，外壳可以引起水化学因子的形成，所述水化学因子抑制如在外壳内的浓度高于外壳外部的浓度的结垢，如亚硝酸盐。如果期望的话，可以在外壳内获得亚硝酸盐，所述浓度可以等于或大于十亿分之0.1(ppb)，可以等于或大于百万分之0.1(ppm)，可以等于或大于百万分之0.5(ppm)和/或可以等于或大于百万分之1(ppm)。
在本发明的许多实施例中，外壳上的另一个重要方面是，外壳在典型的水条件下期望地抑制但不完全阻止水流入和/或流出外壳。在许多情况下，要保护的基材将固定，连接，附接和/或拴系到一个或多个不可移动的固体物体，如海床、锚定器、壁、墩、桩、码头、锭盘或其它结构，所述一个或多个不可移动的固体物体可以相对于其所处的水在不同程度上限制基材的移动，这可以引起一定水平的大量水流过基材的各个表面。然而，本文所描述的外壳的各个实施例(通常附接到基材、其各种支撑结构和/或其它相邻物体上)将在期望地在一定程度上中断和/或阻碍紧邻基材表面的周围的水流动，并且将更期望地在许多水流条件下维持封闭或有界的水体与基材直接接触。本文公开的各种外壳设计通过各种外壳部件的柔性来实现此目的，所述柔性允许外壳和其中封闭或有界的水体响应于周围水的撞击和/或移动而在不同程度上变形和/或移位。
如果期望的话，可以将外壳形成为近似于要保护的基材(或其部分)的大小、形状和/或总体轮廓的形状，如用于保护一个或多个单独的螺旋桨叶片的叶片状包形状(参见图1)或如所描绘的可以包括基本上围绕基材159(即，传感器或其它结构)的柔性壁152、下盖153和/或上端盖154的圆柱形或非圆柱形的“包”形状150(参见图2)。图2还描绘了支撑件156，所述支撑件将基材159支撑在外壳和/或端盖的内壁上和/或使所述基材与外壳和/或端盖的内壁基本上隔离，其中外壳组合物件附接到绳索或系绳158。如果期望的话，可以利用此类外壳设计来保护大梁、支撑缆绳或绳索和/或圆柱形传感器或传感器支撑体。在各个实施例中，外壳可以包括一个或多个基本上柔性的弯曲壁，所述弯曲壁可以任选地结合很少或不结合可能对生物结垢生物特别适宜的宏观的面向外部的拐角、“尖锐”的凹口和/或朝向外部的缝隙。在各种设计中，外壳的面向外部的壁期望地是柔性的，包含侧面结构以及外壳的任选地面向顶部和/或面向底部的表面。在各个实施例中，实际上可以提供具有任何形状、大小和/或配置的外壳，包含“预制”的外壳以及具有预制或模块化子区段的外壳，所述预制或模块化子区段可以组装成具有期望的大小、形状和/或配置的最终外壳。如果期望的话，可以以相对简单的形状设计外壳，以适应具有更复杂形状的基材(即，阀、穿孔的基材或传感器)，或者可以以相对复杂的三维形状设计外壳，以适应具有大大简化的外部形状的基材。
在各个实施例中，可能期望外壳的可渗透壁与基材的表面保持间隔开，而在其它实施例中，外壳的各部分与基材的各个表面之间的偶然的、周期性的和/或恒定的接触可能提供很少或没有提供对由此提供的生物结垢保护的更改。在仍其它实施例中，外壳的各部分与基材的各个表面之间的偶然的、周期性的和/或恒定的接触可以提供对外壳的抗生物结垢效果的显著改善。在一些实施例中，外壳壁可以与受保护的基材直接接触，如在纤维基质可以包裹在如浸没和/或部分地浸没的管道、大梁和/或桩等基材周围的情况下。
在各个实施例中，如图3所示，外壳310可以包含一个或多个间隙或间隔开的区段325(即，与基材300间隔开)，所述区段包含定位于基材300的底部或下部340附近的部分，所述部分可以在外壳内提供另外的空间，以使沉积物320和/或其它材料在差异化的环境中驻留或收集而不会永久保持与基材的直接接触(即，在沉积物与基材之间留出“空间”330)。一种或多种此类沉积物可以包含可能不会从外壳的开口中通过的死的、垂死的和/或分解的微生物体，这可能会在外壳内形成逐渐堆积的沉积物材料和/或“泥浆”“堆”。如果期望的话，可以在“下部区域”中的外壳中形成比在外壳的其它区域中的对应开口更大和/或更多的开口，以期望地允许此类沉积物或其它材料在一段时间内穿过外壳和/或从外壳排出，并且允许流入/流出的液体或水流以受控方式将沉淀物从外壳“洗出”。在其它实施例中，此类“下部区域”中的外壳中的开口可以形成得较小和/或较少，以最小化由于局部温度波动-或数量和/或大小增加而引起的“上升流”和/或“下降流”水羽流导致的水交换，以允许在某些情况下(如果期望的话)进行另外的水交换。
在本公开的各种描述中，期望地将“渗透率”用作外壳和/或其组件的一些方面的度量，因为由于此织物的架构中的“模糊性”和/或随机性可能有点难以测量和/或确定整个聚合纺织品和/或粗麻布材料的开口的“有效”孔隙率，所述渗透率可以通过在湿性和/或干性条件下织物的柔韧性和/或形式的变化而加重，申请人认为所述渗透率对所公开的系统和装置的各种实施例的有效性可以是重要的。在各个实施例中，外壳可以包括一个或多个壁，所述一个或多个壁包括具有穿过其中形成的开口和/或孔的柔性材料。在一些期望的实施例中，穿过一个或多个壁的开口中的一些或全部开口可以包括曲折的或“弯曲的”流动路径，其中曲折率被定义为流动路径的实际长度(Lt)与流动路径的两端之间的直线距离的比率：
在一个示例性实施例中，由变形纱线或纺制聚酯纱线制成的机织织物可能非常期望用于产生示例性外壳壁，其中纺制聚酯纱线可能具有大量的纤维末端，所述末端在各个位置处并且在多个方向上从纱线延伸(即，相对更高水平的“毛羽”或起毛)-期望地产生更复杂的三维宏观结构和/或从织物的外表面到内表面的多个弯曲路径。在各个优选的实施例中，这些纤维末端可以延伸到可能存在于织物组织中的自然开口中，从而潜在地减少和/或消除穿过织物的“直线路径”开口和/或增加穿过织物的现有路径的曲折度(其在一些情况下可以延伸穿过三维织物的形貌的相当大的距离)。在各个实施例中，可能期望织物的各部分结合具有曲折率大于1.25的开口，而在其它实施例中，对于织物中的各种开口而言曲折率大于1.5可能是更期望的。
图4A描绘了示例性纺制纱400的一个示例性扫描电子显微镜(SEM)显微照片，所述SEM显微照片描绘了缠结的细丝420的中心主体或纱线束410，其中各个细丝末端430相对于中心主体410横向地延伸。图4B描绘了中心主体410的横截面，突出了纱线束410内的单独的细丝420的非常细的大小。如在描绘了包括PET纺制纱线的针织物450的放大视图的图4C中最佳可见的，在编织过程期间一系列的间隙或开口480定位于纱线束470之间，其中一个或多个延伸的纤维或纤维末端490延伸跨过各个开口(其中多个纤维末端期望地遍历各个实施例中的每个开口)。
在各个实施例中，外壳壁和其中受保护的基材可以通过以下平均间隔(即，外壳的内壁与基材的外表面之间)分离和/或间隔开：约200英寸、约150英寸或约144英寸、或约72英寸或更少、或约36英寸或更少、或约24英寸或更少、或约12英寸或更少、或约6英寸或更少、或约1英寸或更少、或约1英寸或更大、或6英寸或更大、或约1英寸到约24英寸、或约2英寸到约24英寸、或约4英寸到约24英寸、或约6英寸到约24英寸、或约12英寸到约24英寸、或约1英寸到约12英寸、约2英寸到约12英寸、或约4英寸到约12英寸、或约6英寸到约12英寸、或约1英寸到约6英寸、或约2英寸到约6英寸和/或约4英寸到约6英寸。在各个替代性实施例中，至少一部分或全部外壳可以在一个或多个区域(包含但不限于外壳的封闭部分)中与基材直接接触，并且因此在一些实施例中，结构与基材之间可能基本上很少有或没有距离。
在各个其它实施例中，可能期望外壳壁与基材之间的间隔落入一定的平均距离范围内，或者期望的间隔可以与外壳和/或要保护的基材的宽度、长度、深度和/或其它特性成比例。例如，与相对较大的船体与在外壳内的其“差异化的环境”中含有数千或数百万加仑的水的大外壳之间的间隔相比，维持较小的基材与仅含有几加仑水的较小外壳之间的预定间隔可能更为关键，特别是在可能更易受水交换水平以及相对其的所得水化学变化的影响的差异化的环境中存在相对较小量的水的情况下。在此类情况下，外壳壁与基材的相对表面之间的期望间隔可以是相对外壳壁之间的距离的2％或更少，或相对外壳壁之间的距离的5％或更少、或10％或更少、或20％或更少、或30％或更少或40％或多达49.9％，这取决于基材大小、类型、外壳设计和/或外壳刚性和/或设计。在另一个实施例中，局部水性环境距离基材的表面可以延伸的距离为100英寸或更多、50英寸或更多、10英寸或更多、5英寸或更多、3英寸或更多、2英寸或更多、1英寸或更多、0.5英寸或更多、0.1英寸或更多、0.04英寸或更多、50英尺或更少、40英尺或更少、20英尺或更少、20英尺或更少、10英尺或更少、4英尺或更少、2英尺或更少、100英寸或更少、10英寸或更少、5英寸或更少、1英寸或更少、0.1英寸或更少、0.04英寸或更少。
图5描绘了呈轧制片材形式的示例性织物材料100，所述织物材料可以以各种方式用于形成本文所描述的各种外壳。在此实施例中，所述材料期望地包括柔性纤维材料，在此情况下为织物材料，所述柔性纤维材料可以包含天然纤维布以及聚酯或其它合成纤维的机织、针织、毡合、非织造和/或其它结构和/或其各种组合。在各个实施例中，织物可以被用于构造本文所描述的各种外壳实施例，和/或可能和/或期望用此类轧制的片材材料包裹或以其它方式“覆盖”细长的基材，特别是在展开和包裹的片材可能与其它片材区段重叠的情况下(即，沿桩或支撑大梁)，所述其它片材区段可以产生包括逐渐包裹的基材的“外壳”，其中织物材料以重叠的“螺旋条状纹”或五朔节花柱型技术或水箱或灌溉管道的内壁内衬的方式包裹在基材周围。在此类情况下，可能期望织物直接接触受保护的基材，其中织物外壳壁与基材表面之间的非常薄的液体层(以及任选的织物本身内的液体)构成如本文所描述的“差异化的环境”。
在各个替代性实施例中，外壳和/或其组成材料可以包括三维织物基质和/或纤维基质结构，所述三维织物基质和/或纤维基质结构由以网格状、网状、垫状或有孔的织物布置形成的交织和/或缠结的线条股线形成，所述三维织物基质和/或纤维基质结构在各个实施例中可以结合一个或多个非平坦和/或非光滑织物层。在一种非常简化的形式中，外壳可以含有与多个竖直定位的元件交织的多个水平定位的元件(以及在不同方向上排列的其它纤维元件的各种组合)，所述外壳可以包含多个分离和/或交织的层。柔性材料可以包含可以包括挡板或各种互连区段的一个或多个间隔开的层。期望地，外壳材料中的每根纱线或一个或多个其它线条元件将包含预选数量的单独的股线，其中股线的至少一部分在不同的位置和/或方向处从线条型芯元件向外延伸，从而在织物中产生交织线条和线条股线的三维曲折网络。在各个实施例中，纤维基质的各种元件实际上可以以任何朝向布置(包含对角线)，或者以彼此平行的方式布置，从而形成直角，或者实际上以任何其它朝向布置，包含三维朝向和/或随机化分布(即，毡垫)和/或图案。另外，尽管在一些实施例中，单独的元件之间可能存在显著的间隔，但是在其它实施例中，可以将间隔减小到更紧密的图案，以便形成彼此之间几乎没有或没有间隔的紧密图案。在各个优选的实施例中，如线条和/或纤维等元件可以由天然或合成聚合物制成，但是可以由如金属、尼龙、棉等其它材料或其组合制成。
本发明的各个方面可以包含使用高度纤毛化的纤维基质和/或柔性材料，这意味着材料可以包含从其表面突出或进入三维柔性织物的孔或开口空间中的卷须或毛发状附件(即，纤维)，从而产生“过滤”介质。卷须或毛发状附件可以是构成三维柔性过滤材料的材料的一部分或并入所述材料。可替代地，卷须或毛发状附件可以由粘附或附着于柔性材料的单独的组合物形成。例如，卷须或毛发状附件可以附接到粘合剂层并且从粘合层突出，所述粘合剂层本身附接到柔性材料的表面。在本发明的各方面，卷须或毛发状附件可以从外壳材料的表面突出，而在其它方面，卷须或毛发状附件可以从外壳材料向内延伸和/或延伸向内朝向和/或进入外壳材料纤维基质和/或织物的其它线条和/或纤维。在本发明的各个方面，由于外壳和/或水的移动，卷须或毛发状附件可以是弹性的和/或可以振动和/或摇摆。在各个实施例中，纤毛本身和/或卷须或毛发状附件的移动的组合也可能阻止生物结垢生物在外壳表面上或表面中的沉降。
据信，在外壳的可渗透材料中存在许多小纤维可以大大增加材料的三维结构的复杂度，因为这些结构可以延伸到编织物图案中的开放空隙中和/或周围。纤维的这种布置可以进一步为试图穿过织物的深度并且进入由外壳保护的内部环境(即，增加材料的“过滤”效果)的生物提供更曲折的路径。在各个实施例中，已经确定，纺制聚酯具有高度期望的特性作为外壳材料。在各个实施例中，进入外壳的三维“进入路径(entry paths)”的形状和/或大小(即，当微生物穿过材料的开口和/或孔时)将期望地提供更长的路径、更大的表面积和/或证明在过滤和/或阻止结垢生物流入到外壳中更有效。
在各个实施例中，外壳壁的三维形貌将期望地有助于外壳的抗生物结垢作用，因为此类织物构造可以增加外壳壁的“过滤效果”和/或可能对各种结垢生物“闩锁到外壳织物和/或受保护的基材上”的能力产生负面影响。然而，在其它实施例中，外壳壁和/或其它组件可以包括“更平坦的”和/或“更平滑的”材料，如变形纱线或其它材料(和/或其它材料构造技术)，并且仍提供本文公开的抗生物结垢效果中的许多效果。尽管此类材料可以比结合纺制聚酯纱线的材料显著更平坦、更平滑和/或更少纤毛化，但这些材料仍可为各种应用提供可接受水平的生物结垢保护。
可能在不同程度上适合于构造外壳的各种材料包含各种天然和合成材料，或其组合。例如，粗麻布、黄麻、帆布、羊毛、纤维素、丝绸、棉、大麻和平纹细布是可能有用的天然材料的非限制性实例。有用的合成材料可以包含但不限于聚烯烃的聚合物类别(如聚乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、共聚物等)、聚酯、尼龙、聚氨酯、人造丝、聚酰胺、聚丙烯酸酯和环氧树脂。也可以使用各种类型的玻璃纤维组合物。聚合物和共聚物的组合也可以是可用的。这些三维柔性材料可以形成为纺织结构、可渗透片材或提供能够如提供本文所描述的防污和/或过滤性质的结构的其它配置。用于构造本文所描述的外壳的潜在合适的柔性材料的实例包含但不限于粗麻布、帆布、棉织物、亚麻布、平纹细布、可渗透的聚合物片材、由聚合物纤维或细丝构造的织物以及可渗透的薄膜和膜。在本发明的各方面，柔性材料可以选自天然或合成织物，如粗麻布、针织聚酯或其它织物、机织聚酯或其它织物、纺制聚酯或其它织物、其各种组合或具有各种特性的其它织物，包含图19、27A和27B以及表3、4A和4B所示的那些。
在各个实施例中，形成外壳的一个或多个壁的柔性材料可以具有由缠结的纤维或纤维束(即，纱线)形成的结构。如本文所使用的，“缠结”意指纤维可以是非织造的、机织的、编织的、针织的或以其它方式混合以产生能够具有本文所描述的各种过滤和/或水渗透率和/或水交换特征的纤维基质。纤维缠结在一起的物质可以期望地在三维柔性材料中产生开放空间和封闭空间的图案，其中的开放空间限定了空隙。期望地，可以构成柔性材料的纤维是例如单个细丝、多个细丝束、天然或合成组合物的细丝或天然和合成组合物的组合。在本发明的各方面，纤维的平均直径(或“平均细丝直径”)为：约50密耳或更少、约25密耳或更少、约10密耳或更少、约6密耳或更少、约5密耳或更少、约4密耳或更少、约3密耳或更少、约2密耳或更少、约1密耳或更少、约0.5密耳或更少、约0.4密耳或更少、约0.3密耳或更少、约0.2密耳或更少或约0.1密耳或更少。
在本发明的一些方面，柔性材料可以包括机织或针织的织物。例如，机织织物的每英寸纬线(每英寸“ppi”或纬纱)为约3到约150、约5到约100、约10到约50、约15到约25、约20到约40和/或大约20ppi。在本发明的其它方面，机织织物的每英寸经线(每英寸“epi”或经纱)为约3到约150、约5到约100、约10到约50、约15到约25、约20到约40和/或大约20epi或大约24epi。在本发明的仍其它各种其它方面，针织织物的每英寸横列(“cpi”)可以为约3到约120、约5到约100、约10到约50、约15到约25、约20到约40和/或大约36cpi或大约37cpi。在本发明的甚至其它方面，针织织物的每英寸纵行(“wpi”)为约3到约80、约5到约60、约10到约50、约15到约25、约20到约40和/或大约36wpi或大约33.7wpi。
因此，在本发明的至少一个方面，机织织物的纱线大小密度(即，纬纱乘以每单位面积的经纱)为每平方英寸约9到约22,500、约100到约20,000、约500到约15,000、约1,000到约10,000、约2,500到约8,000、约4,000到约6,000、约2,500到约4,000、约5,000到约15,000、约10,000到约20,000、约8,000到约25,000、约20到约100、约30到约50、约45或约40根纱线。
在本发明的另一方面，机织织物或针织织物的纱线的大小为约40旦尼尔到70旦尼尔、约40旦尼尔到100旦尼尔、约100旦尼尔到约3000旦尼尔、约500旦尼尔到约2500旦尼尔、约1000到约2250旦尼尔、约1100旦尼尔、约2150旦尼尔或约2200旦尼尔。
在本发明的仍另一方面，机织或针织织物的每单位面积基本重量为每平方码约1到约24盎司(约34到约814g/m2)，每平方码约1到约15盎司、每平方码约2到约20盎司(约68到约678g/m2)、每平方码约10到约16盎司(约339到约542g/m2)、每平方码约12盎司(约407g/m2)或每平方码约7盎司(约237g/m2)或每平方码约3盎司。在本发明的另一方面，期望的基于纺制聚酯纤维的机织织物可以用作外壳材料，其中所述织物的基础重量(包含任何涂覆或改性之前的基础织物的重量)为大约410克/平方米(参见表13)。
在各种示例性实施例中，合适的外壳或结构壁的厚度的范围可以为0.025英寸到0.0575英寸或更大，其中期望的外壳为大约0.0205英寸厚、大约0.0319英寸厚、大约0.0482英寸厚和/或大约0.0571英寸厚。取决于外壳中的穿孔和/或开口的大小以及外壳中各种开口的形状、大小和/或曲折程度，厚度大于和/或小于特定描述的厚度的外壳可以用于具有不同成功程度的各种外壳设计和各种外壳材料中。在各种替代性实施例中，取决于要保护的期望的基材或特定的应用，用于所公开的纤维基质的构造中的柔性基础材料、纤维和/或线条可以具有厚度和/或长度的宽变化。例如，在本发明的一些方面，柔性材料的厚度可以为约0.001到约0.5英寸、约0.005到约0.25英寸、约0.01到约0.1英寸、约0.02英寸、约0.03英寸、约0.04英寸、约0.05英寸或约0.06英寸。在单个结构内，如在膜过滤结构以及其多个层中，厚度和渗透率的变化是可设想的。
应当理解，多种材料和/或材料组合可以用作外壳材料，以实现本文所描述的各种目的。例如，薄膜或类似材料可以用作织物外壳壁材料的一种替代方案，所述薄膜或类似材料可以包含一些或所有外壳壁中的可渗透和/或不可渗透的薄膜。类似地，可以利用天然和合成材料，如橡胶、胶乳、薄金属、金属薄膜和/或箔和/或塑料或陶瓷，其中结果各不相同。
图30描绘了用于保护基材免于生物结垢的外壳3000的一个示例性实施例的透视图，所述外壳结合具有多个层的壁结构，所述壁结构可以包含结合多个层的壁结构，所述多个层在每一层中具有相同、类似或不同的渗透率，在每个层中具有相同、类似或不同的材料，和/或在每个层中具有相同、类似或不同的厚度。在另一个实施例中，各层可以用每个层之间的间隔的最小距离或没有距离或每个层之间的间隔的显著距离间隔开。如果期望的话，第一覆盖层3010可以是可去除的，其中去除第一覆盖层(其可以包含“撕开”或其它类型的连接区段3015)，露出完整的第二下层3020，并且去除第二下层则露出完整的第三下层(未示出)等，所有下层都围绕受保护的基材。如果期望的话，第一覆盖层可以是可去除的，其中剩余的一个或多个下层完整地保留在基材周围，并且然后可以将替换的第一覆盖层定位于完整的一个或多个下层和/或基材周围，如其中第一覆盖层可能变得足够结垢以证明去除和/或替换。可替代地，多个上层和/或下层可以包括多个牺牲层，当每个层变得足够结垢时将其去除，从而露出下方的原始层或半原始层(即，仍围绕并保护基材)。在一些实施例中，下层可以在基材周围的适当的位置保持延长的时间段，甚至1、2、3、4和/或5年或更长时间，并且定期清除、替换和/或刷新基材和/或如先前所描述的一个或多个下层周围的外部层(即，去除结垢的层并且用新的覆盖层立即和/或延迟替换)。如果期望的话，此类系统可以在盐水、淡水和/或微咸水中应用。
在各个实施例中，外壳设计可以结合各种配置的可渗透壁，包含(1)完全封闭基材的外壳(即，“盒子”或“柔性包”外壳)，(2)具有围绕基材的外围的侧壁的外壳(即，封闭基材侧面但可能具有开放的顶部和/或底部的“裙”或“悬垂物”)，(3)由可以围绕基材进行组装的模块化壁形成的外壳，所述模块化壁可以结合各种开口和/或缺少的模块化区段(即“开放的测地线圆顶”外壳)，(4)仅围绕基材的浸没部分的外壳(即，具有开放的顶部的“浮动包”外壳)和/或(5)仅保护基材的单个面的外壳(即“悬垂式”外壳)，以及许多其它可能的外壳设计。另外，外壳壁可以是相对平滑的或平坦的或弯曲的和/或连续的，或者如果期望的话，外壳壁可以包括更复杂的结构，如起伏的表面、波纹状或手风琴状表面、折叠的、“起皱的”或“皱缩的”表面和/或可以显着增加表面积和/或潜在地更改外壳壁的过滤能力的其它特征。
在各个实施例中，外壳可以结合包括三维柔性过滤织物的一个或多个壁，所述三维柔性过滤织物包含纤维细丝，并且平均基础细丝直径为约6密耳或更少(即，0.1524毫米或更少)。在各个替代性实施例中，外壳材料可以包括变形聚酯。另外，天然纤维材料(如80×80粗麻布)对于保护作为外壳材料的基材也可能有用，即使该天然材料在水性环境中降解相对较快，并且潜在的降解过程也会导致外壳内显著的可测量pH差异，这可能在各种水性环境中是有用。如果期望的话，各个外壳实施例可以结合允许外壳组件在一定时间之后在水性介质中降解的可降解的和/或可水解的材料和/或连接(即，在组件之间和/或沿组件材料的聚合物链)。
在各个实施例中，本发明的装置将期望提供减少、停止和/或逆转生物结垢保护和/或产生期望的封闭环境，所述封闭环境阻止生物结垢生物的沉降和/或有利于在基材上形成期望的防污层和/或生物膜-在被部署以影响有利的生物膜的形成时，开始产生期望的局部水生环境(即“差异化的环境”)，这导致受保护的基材或制品上的生物结垢减少。在各个实施例中，可以在围绕基材进行外壳部署的几分钟或几小时内产生此“差异化的环境”，而在其它实施例中，产生期望的“差异化的环境”可能要花费数天、数周或甚至数月。如果期望的话，可以在将基材放置在其中很久以前就部署外壳，而在其它实施例中，可以将外壳与基材同时部署，或者可以在将基材浸没和/或维持在水性环境中很久以后才部署外壳。在各个实施例中，在将外壳放置在水性环境中(其可以包含将外壳单独放置在环境中和/或放置在要保护的基材附近)的1小时内，可能会开始产生显著的水化学差异和/或差异化的环境的其它独特方面，而在其它实施例中，启动和/或产生期望的差异化的环境(其可以包含产生完整的差异化的环境以及产生可能会随着差异化的环境的另外的方面的引入而更改和/或补充的各种结垢抑制条件)可能需要外壳处于基材周围的适当位置至少2小时、至少3小时、至少6小时、至少12小时、至少18小时、至少1天、至少2天、至少3天、至少4天、至少5天、至少6天、至少1周、至少2周、至少3周、至少4周、至少一个月、至少2个月、至少3个月和/或至少6个月或更长时间。在各个实施例中，在这些不同时间段内可能产生的各种水化学差异可以包含溶解氧、pH、总溶解氮、铵、氨态氮、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷酸盐、二氧化硅、盐度、温度、浊度、叶绿素等，所述水化学差异的各种浓度可能会在不同的时间处增加和/或减少，包含在不同的外壳浸没持续时间下，单独的成分的浓度也会有所不同。
在一些情况下，在一定时间段之后，本发明的装置可能降解并且不再提供期望水平的防污和/或环境产生效果。在各个实施例中，直到外壳失去防污效果的时间可能会基于多种因素(包含特定的水生环境、季节、温度、存在的海洋生物组成、温度、光照、盐度、风、水速等)而变化。应当注意的是，基于水生环境的条件，外壳可能会暂时失去防污和/或环境产生的作用，只是在条件恢复正常或达到某个期望的量度时恢复其一种或多种防污/环境产生的作用。如本文所使用的，“使用寿命”可以意指从外壳的部署到基材上宏观结垢水平成为问题的时间的时间量，而“外壳寿命”可以意指外壳本身在物理上完整并且在基材自身周围有效的时间量(所述外壳寿命可能会被由外壳提供的生物结垢保护的“使用寿命”超过)。在本发明的各个方面，外壳的使用寿命和/或外壳寿命中的一者或两者可以是：不少于3天、不少于7天、不少于15天、不少于30天、不少于60天、不少于90天、不少于120天、不少于150天、不少于180天、不少于270天、不少于1年、不少于1.5年、不少于2年、不少于3年，不少于4年或不少于5年。
如果期望的话，外壳或其部分可以任选地由可降解材料构成，所述可降解材料可以包含可生物降解、可光降解、可氧化和/或可水解的材料，这期望地导致在某些条件下随时间推移分子量降低、质量降低和/或外壳或其部分的强度或耐久性降低(以及其它潜在的影响)。在各个实施例中，此类材料对水生环境的持续暴露最终可能导致外壳(或其一个或多个层)与基材分离和/或外壳和/或其各种成分的环境友好降解。此类分离可以包含以时间释放和/或结垢程度(即，基于重量、基于阻力和/或减小的壁柔性)释放的方式，分离整个外壳和/或分离不同的层。
无论使用哪种类型的材料，都可以任选地构造外壳，使得所述结构可成形为能够在三维、径向、纵向和/或其各种组合上进行扩展。如果期望的话，此类型的构造将期望地允许以各种配置定位在物体之上，这可以包含定位成使得外壳壁可以镜像其上附接有物体的物体的表面的轮廓。在一些实施例中，外壳可以以基材的一个或多个表面的镜面形状形成，并且通常具有至少稍大的大小以将基材容纳在其中。
在一些示例性实施例中，外壳可以由完全天然的材料(如粗麻布或麻)构造，并且可以部署成在特别敏感的水中(如饮用水储集器和/或野生动植物保护区)保护基材，在这些情况下，禁止和/或阻止使用人工材料和/或杀菌毒素。在此类情况下，即使外壳变得与基材和/或相关支撑结构脱离(因为分离结构中的一个或多个另外的开口现在可能会阻止受保护的水性环境的发展和其伴随的优势)，外壳也将期望地在期望的时间段内为下面的基材提供保护，而不会造成污染水和/或损害局部水生环境的显著潜力。在此类情况下，一旦基材不再需要保护，或者由于各种原因而使外壳结垢和/或损坏，则可以将外壳去除和/或用于新的外壳和/或类似材料的外壳组件替换，其中根据需要将结垢保护恢复到基材。
外壳组装
在各个实施例中，外壳可以以单个部件构造，或者可以包括可以被组装成各种外壳形状的多个模块化部件。例如，外壳设计可以期望地包括多个壁结构，其中每个壁结构通过缝合、编织、钩环紧固件、维可牢搭扣和/或类似物附接和/或组装到一个或多个相邻壁结构(如果有的话)，这可以包含任何接缝和/或缝合/粘附区域的涂覆和/或包封。图6A和6B描绘了可以特别好地适用于构造本发明的各种外壳的示例性缝合技术，其中形成第一织物区段610与相邻的第二织物区段620之间的接缝600的线条630朝差异化的(即，内部)环境定位，使得接缝或重叠的织物褶皱的线条和/或相关的不规则表面期望地不暴露于外部环境，并且因此，期望地，不提供适合于外壳的生物结垢的面向外部的表面(尽管沿外壳的外表面形成的细缝可能不是最佳的，但在各个实施例中可能是可接受的)。可替代地，可以根据需要利用其它连接技术，如热粘合、超声焊接和/或其它基于能量的粘合技术、胶合或粘合剂以及其它缝合和/或二维编织/针织技术。在其它替代性实施例中，三维织物形成技术可以用于产生外壳的材料“管”或包，所述材料管或包在侧面没有外部接缝和/或在顶部和/或底部仅具有一个或多个接缝和/或开口。在一些特别期望的实施例中，将优选地实现外壳的各个壁区段的附接和/或粘附，使得在附接区域中维持一定水平的柔性。
以类似的方式，外壳的各个实施例将期望地结合可渗透的和/或柔性的附接机构和/或封闭件，使得相对坚硬的不断裂的和/或不可渗透的表面将不期望地由外壳呈现在周围的水性环境的外部。在许多情况下，生物结垢实体可能更喜欢坚硬的不断裂的表面进行沉降和/或定殖，这可以为此类实体提供“立足点(foothold)”，以便随后在相邻的柔性织物区段(如本文所描述的外壳的那些柔性区段)上定殖。通过减少此类“立足点”位置的可能性，公开的外壳设计中的许多外壳设计可以显著提高各种公开的实施例的抗生物结垢性和/或其提供的基材保护。在至少一个实施例中，可以为作为没有接缝和/或没有不可渗透的壁区段的单个构造的基材特别指定外壳。
在钩环或“维可牢搭扣”紧固件的情况下，此类连接装置的采用可能特别适合于各种外壳实施例，因为此类紧固件可以以类似于可渗透的外壳壁的方式可渗透水性介质。此类设计特征可以允许外壳内的液体以类似方式洗脱通过紧固件组件和/或外壳壁，从而如本文所描述的抑制紧固件表面的结垢。可替代地，可以将柔性钩环紧固件的连接“折板”放置在对应的柔性或非柔性附接表面上，以对附接表面提供另外的保护。
在各个实施例中，外壳可以结合一个或多个特征，所述特征期望地减少、减轻、抑制和/或防止静水压力的影响损坏外壳、各种外壳组件、受保护的基材和/或任何连接的物体和/或锚定系统。例如，许多外壳可以期望地包括柔性织物材料，所述柔性织物材料可以期望地减轻、减少和/或消除外部水移动(即，水流、波浪和/或潮汐作用)对外壳和/或其组件的影响中的许多影响(与不可弯曲的坚固外壳或外壳壁相比)。以类似的方式，外壳壁的穿孔和/或渗透率的存在期望地减少和/或减轻作用在外壳和/或其支撑结构的各个部分上的静水压力，因为任何静水压效应中的至少一部分将期望地“穿过”外壳(通常导致外壳与周围的水性环境之间的流体交换的期望的水平)，并且外壳的其它部分将在流动的水中挠曲、弯曲和/或“拍动”。此外，在整个外壳的大部分中采用柔性的、柔韧的布织物和/或其它材料期望地减少了各种外壳组件的工作硬化和/或疲劳失效的可能性，从而增加了外壳的耐用性和功能寿命。因此，外壳的至少一个示例性实施例可以包含一个或多个壁组件(或外壳设计的整体)，所述一个或多个壁组件可以随着外壳附近的潮汐、水流和/或波浪移动而移动和/或挠曲。
在各个实施例中，织物渗透率可能会受到多种技术(包含机械加工)的影响和/或更改，如通过使用穿刺装置(即，针、激光切割、拉伸以产生微孔等)、研磨材料和/或压力和/或真空效应(即，水和/或空气射流)或化学手段(即，蚀刻化学)。以类似的方式，可以对低渗透率织物进行处理以将织物的渗透率期望地增加到期望的范围内，而在其它实施例中，可以对较高渗透率织物进行改性(通过使用油漆、涂层、堵塞剂或凝结剂)以降低期望量的渗透率。
在许多实施例中，一种或多种所选外壳壁材料的渗透率的类型和/或水平将是外壳和/或各种外壳组件的设计和放置中的重要考虑因素。在将外壳初始放置在水性介质中时，可渗透材料将期望地允许在开放环境与封闭和/或有界环境之间发生足够的水交换，以允许形成防止生物结垢的差异化的环境。然而，由于各种结垢压力和/或其它因素可能会随时间推移潜在地更改和/或影响给定外壳壁材料在水性介质中的渗透率和/或多孔性，因此常常重要的是，可渗透材料继续允许维持差异化的环境-并且还期望避免在一些外壳实施例中发生长期缺氧的期望的水平的水交换。根据这些考虑，可能期望为外壳壁材料选择更高水平的渗透率，使得材料中的一些孔的堵塞和/或封闭不会显著影响外壳的防污性能，即使在外壳的使用寿命期间不同时间的水交换速率可能会降低、增加和/或保持不变。
放置和间隔
在使用中，期望在将基材浸没在水性介质中之前将外壳实施例施加到基材周围。这可能包含在物体首次浸没在水性介质之前对物体的保护(即，物体“原始”浸没在水性环境中)，以及对从水性介质中去除并且进行清洁和/或除垢的先前浸没的物体的保护，其中在随后浸没之前将外壳施加到物体上。在其它实施例中，可以将外壳施加到已经浸没在水性环境中的物体，包含可能先前已经浸没了延长的时间段和/或已经在其上具有显著量的生物结垢的物体。一旦将外壳施加到物体上，就可以以某种方式将外壳固定在基材的一个或多个暴露表面周围，从而在不同程度上将外壳内的水性环境与周围的水性环境部分和/或完全隔离。还应当理解，在各个实施例中，外壳可能不会“完全”封闭基材，如在外壳可能具有相对较大的间隙和/或穿过其中的开口的情况下。在此类情况下，外壳仍可以充分“封闭”到足以在外壳内产生期望的环境变化，从而减少和/或防止如本文所描述的基材和/或基材的各部分的生物结垢。
基材的非限制性实例包含但不限于运动、商用和军用船舶、轮船、船舶和海上运载工具(如水上摩托艇)的表面；民用船、轮船、船舶和海上运载工具，如水上摩托车；船只、轮船、船舶和海上运载工具的推进系统；船只、轮船、船舶和海上运载工具的驱动系统和其组件，如船尾驱动器、舷内驱动器、吊舱驱动器、喷气驱动器、舷外驱动器、螺旋桨、叶轮、驱动轴、船尾和船首推进器、托架、方向舵、轴承；以及壳体；船只、轮船、船舶以及海上运载工具的推进器，如船首推进器和船尾推进器；船只、轮船、船舶和海上运载工具的入口，如冷却水入口、HVAC水入口和推进系统入口；海上操作支撑设备，如船坞、滑道、桩、墩、木筏、浮动油漆平台、浮动脚手架平台以及浮动绞盘和牵引设备平台；捆绑和固定设备，如锚定器、绳索、链条、金属系缆、系泊装置、合成纤维系缆和天然纤维系缆；海洋仪器，如pH测量仪器、溶解氧测量仪器、盐度测量仪器、温度测量仪器、地震测量仪器以及运动传感器仪器和相关阵列；系泊设备，如锚链、锚缆、附件链、附件缆、系泊链、系泊缆、配件、浮子、系船柱和相关附件；浮标，如标记浮标、通道标记浮标、入口标记浮标、潜水浮标和水深指示器浮标；海上桩，如木桩、金属桩、混凝土船坞桩、码头桩、墩桩、通道标记的桩和地下结构的桩；海洋地下结构，如海堤、油气钻探和生产结构、市政用结构、商业用结构和军事用结构；工业过滤系统设备，如海洋过滤系统、膜过滤器、进水过滤器、管道和/或储存箱；海上升降机和船只储存结构；灌溉水储存箱和灌溉管道和/或设备；和/或其任何部分，包含水管理系统和/或系统组件，如锁、水坝、阀门、防洪闸和防波堤。可以使用本公开解决的受生物结垢影响的其它机构包含微电化学药物递送装置、造纸和纸浆工业机器、水下仪器、消防系统管道和洒水系统喷嘴。除了干扰机构外，生物结垢还发生在活的海洋生物的表面上，这被称为附生生活。在几乎所有水基液体与其它材料接触的情况下，也会发现生物结垢。工业上的重要影响是对大型工业设备和发电站的海水养殖、膜系统(例如，膜生物反应器和反渗透螺旋缠绕膜)以及冷却水循环的维护。生物结垢也可能发生在携带夹带水的油的输油管道中，特别是那些携带废油、切削油、通过乳化变成水溶性的油和液压油的输油管道。
在各个实施例中，一种或多种要保护的基材可以是由任何材料制成的表面或地下部分，包含但不限于金属表面、玻璃纤维表面、PVC表面、塑料表面、橡胶表面、木材表面、混凝土表面、玻璃表面、陶瓷表面、天然织物表面、合成织物表面和/或其任何组合。
图7A描绘了卷起的片材织物700的一个示例性实施例，所述卷起的片材织物沿织物的各个部分结合粘合剂、钩环紧固件材料710(和/或缝合接缝)，所述紧固件材料可以期望地自粘至其它织物部分，其中大部分织物包括如本文所描述的穿孔或可渗透部分720(并且在各个实施例中，紧固件材料本身也可以包括可渗透和/或不可渗透部分)。如果期望的话，覆盖某个其它织物部分的材料口盖可能是不可渗透的，并且保护下面的结构。
在使用中，可以将织物包裹在桩或支撑大梁730周围(参见图7B)，以在桩的某个部分周围形成外壳，这可以包含渐进包裹方法740(即“螺旋条状纹”型包裹)或环形包裹方法750(即“循环”型包裹)以产生功能与本文所描述的类似的各种外壳，以保护桩的各个部分免于生物结垢生物和/或其它降解。在各个实施例中，使用钩环或类似紧固件的附接是特别期望的，因为可以使此类紧固技术具有可渗透率，并且允许以与本文所描述的各种可渗透材料类似的方式通过其中进行水交换。
如果期望的话，可以使用可以组装成三维(3D)构建体的单独的组件区段来构造外壳。例如，外壳的单独的壁区段可以被设置为以各种配置(包含三角形、正方形和/或其它多边形)彼此附接。如果期望的话，壁区段可以由相对刚性的底架支撑，或者区段可以是高度柔性的和/或设置在辊子或其它载体上，可以在组装之前将所述区段展开以释放每个单独的区段。在至少一个替代性实施例中，可以提供开放的外壳框架或支撑件，其中提供可以包裹在框架段周围和/或覆盖在框架段之上的细长的片材或外壳壁材料(并且例如，以类似于“船只包裹”物体的方式应用于框架以通过公共载体进行船运)。
表1描绘了海水环境中用于保护各种基材的各种外壳设计所经历的微结垢的另外的实验结果，外壳结合包裹在PVC管道周围的各种织物以及涂覆和未涂覆状态的对照基材(即，PVC PIPE)(涂层含有杀菌洗脱组分)。在海水中浸没240天后，各种外壳成功地保护了下面的PVC管道基材免于结垢，并且还高度成功地防止了生物结垢实体附着在外壳壁本身的织物结构上/中。与未涂覆的对照PIPE上累积的生物结垢的数量和类型以及直接漆涂/涂覆有杀生物剂漆的一对对照PVC管道(WB Pnt管道和SB Pnt管道)上附着的显著量的结垢相比，这些结果尤其令人印象深刻。
表1：海水浸没240天后各种基材的生物结垢％。
浸水240天后，对上文外壳和相关受保护基材的视觉分析揭示，所有完整的外壳都将基材保护到了非常期望的水平。具体地，外壳中的每个外壳内的基材的外表面基本未结垢，其中大多数基材表面都具有很容易去除沉积物和/或残留物的薄涂层(如果有的话)，并且基材上的一些水平表面形成了也很容易去除的更深的沉积物袋。另外，保护基材中的每个基材的外壳仅在其外表面上轻微地结垢，尽管有轻结垢盖，其中每个外壳通常仍是柔性的。显著的是，所有完整的外壳都可以防止在下面的PVC基材上的宏观结垢。WB10和WBDUK对外壳壁进行了一定水平的损坏和/或降解，这允许一些结垢进入了外壳内的测试区段。浸没在盐水中240天后，溶剂型杀菌涂覆的外壳仍处于良好状态，其中边缘有些磨损，并且边缘处有撕裂。延长的浸没后，水基杀菌涂覆的外壳似乎逐渐变得更脆弱，其中边缘显著撕裂，并且包裹体上有一些孔。相比之下，虽然溶剂型涂覆的管道上的结垢较少，但在涂有溶剂和水基涂层的两种管道上都发生了显著的结垢。未受保护的管道在多个层的结垢下被完全遮盖，在一些区域中的深度大于管道的直径。
在外壳经历了意外的开口、撕裂和/或错位的上文测试的各个实例中，下面的基材在其靠近一个或多个意外开口和/或一个或多个撕裂的区域的外表面上经历了极轻的结垢，其中基材的许多“暴露”区域几乎没有结垢覆盖或没有结垢覆盖。在许多情况下，虽然大多数“故障”区域会将相关的基材暴露于环境中至少一个月或更长时间，但尚不清楚何时发生各种外壳故障。在这些情况下，据信外壳的最初放置导致和/或引起在基材的表面上形成“保护性”生物膜层，并且此生物膜层随后在破坏了外壳的完整性并且将基材直接暴露于外部环境之后，保护了基材免于显著的另外结垢。
水交换速率
在各个实施例中，可以使用给定的外壳设计来确定最佳的、期望的和/或平均的“水交换速率”，以在给定的水性环境中保护给定的基材，所述水交换速率可以包含由于大范围的水和/或其它环境条件而可能变化的一个或多个期望的水交换速率的范围。例如，期望的水交换速率可以进行优化以保护某种类型和/或形状的基材材料，可以针对外壳和/或外壳壁材料的具体大小、形状和/或体积进行设计和/或特定化，可以针对水的具体区域或深度进行设计和/或特定化，可以取决于季节变化和/或温度和/或潮汐活动，和/或可以由于水盐度、溶解氧、营养物、废弃物、水速度、具体应用和/或许多其它考虑因素而变化。在各个实施例中，期望水交换速率足以在外部开放环境与外壳内的内部环境(即，溶解氧、废物、可用营养物等)之间的条件下产生期望的梯度，以保护下面的基材表面免于不期望水平水平的生物结垢，而不会产生可能会不可接受地损坏基材的条件-例如，避免延长的时间段内可能导致不可接受的基材腐蚀水平的缺氧条件(即，在一些实施例中大约0.5mg/L或更低的溶解氧水平)的有害影响。
在各个实施例中，令人高度期望的是允许“开放”环境水的计量流入以引起外壳内期望的水化学变化(其可以包含外壳内期望浓度的代谢废弃物和/或有害、抑制性和/或有毒副产物)和外壳的水的计量流出，使得各种有害化合物(包含各种已知和/或未知的微生物“毒素”和/或抑制性化合物)和/或其它水化学因子可以通过外壳壁洗脱并且保护外壳的外表面和/或孔免于过度结垢(其在一些实施例和水流条件下可能产生此类化合物的基本上围绕外壳的外壁中的一些或全部外壁的“云”)。在这些实施例中，即使没有补充地提供到外壳的补充的杀生物剂或其它结垢保护毒素，外壳的存在也可以为基材和外壳壁两者提供不同程度上的生物结垢保护。例如，当将各个外壳实施例放置在基材周围并且产生公开的差异化的环境时，此差异化的环境也可能会形成增加的各种代谢废弃物的浓度，并且外壳内发生的各种过程和/或代谢活动可能会产生对结垢生物具有有害和/或负面影响的一种或多种物质(例如，硫化氢或NH3-N)。这些有害化合物然后可以增加浓度，并且驻留在外壳的壁中和/或通过外壳的壁洗脱，从而潜在地形成有害化合物的在一定程度上保护外壳的外壁免于结垢生物的局部“云”。然而，一旦有害化合物离开外壳，这些有害化合物就会被各种自然过程迅速稀释和/或分解-许多自然过程和/或分解利用了外壳外部丰富的溶解氧-从而消除了对这些物质的长期影响的任何担忧。另外，由于在外壳内产生这些有害化合物的过程是连续的和/或周期性的，因此外壳潜在地无限期地以相对恒定的水平产生这些化合物的更新的供应。
在各个实施例中，每分钟外壳内在保护外壳与周围的水性环境之间交换的总水体积的至少0.5％(包含)的期望的水交换速率可以提供如本文所描述的受保护基材的多种防污和/或防腐蚀作用，尽管每分钟小于、等于和/或大于0.5％的交换速率可以期望地提供如本文所描述的各种防污和/或防腐蚀益处。此交换速率可以任选地确定为具体时间段(如每分钟、每小时、每天和/或每周)内以及水移动和/或不移动时段期间(如静水和/或潮汐潮起潮落)的平均速率。在其它实施例中，每分钟外壳内在保护外壳与周围的水性环境之间交换的总水体积的多达5％的期望的水交换速率可以提供如本文所描述的受保护基材的多种防污和/或防腐蚀作用，尽管每分钟小于、等于和/或大于5％的交换速率可以期望地提供如本文所描述的各种防污和/或防腐蚀益处。
在一个示例性实施例中，已经示出了允许每分钟为封闭或有界的水体积的大约0.417％(即，每小时总封闭或有界的水体积的大约25％)的水交换速率的外壳来为基材提供优异的抗生物结垢性。可以将示例性外壳内的封闭或有界的水体积计算为外壳的总封闭或有界的体积减去外壳内的基材的体积。在其它实施例中，每小时的水交换速率可以为外壳的总封闭或有界体积的大约25％，而无需考虑外壳内基材的体积。
在各个实施例中，每分钟小于0.1％的水交换速率可以提供期望水平的防污和/或防腐蚀作用，而在其它实施例中，每分钟期望的水交换速率为总水体积的0.1％到1％或在其之间可以是有效的。在其它实施例中，总水体积的1％到5％的水交换速率可以提供期望水平的防污和/或防腐蚀作用，而在其它实施例中，每分钟总水体积的5％到10％的期望的水交换速率可以是有效的。在其它实施例中，期望的交换速率范围可以为每分钟总水体积的1％到99％、每分钟总水体积的5％到95％、每分钟总水体积的10％到90％、每分钟总水体积的15％到85％、每分钟总水体积的25％到75％、每分钟总水体积的30％到70％、每分钟总水体积的40％到60％或每分钟总水体积的大约50％。在其它实施例中，每分钟的水交换速率可以从10％到50％或从10％到15％、从15％到25％和/或从25％到50％或其各种组合(即，每分钟1％到10％或每分钟5％到25％等)而不同。在各个实施例中，此类水交换速率可以使用图19和表3(下文)中公开的各种可渗透织物在外壳中获得。
还应该理解的是，在局部水条件提供水在外壳上流动和/或从外壳流出的更高的速度的情况下和/或在外壳可能经受移动的情况下(即，例如通过附接到移动的和/或可移动的物体上)，外壳材料的较低的渗透率可能是更期望的，因为与相对静止的水中通常会发生的情况相比，对一个或多个外壳壁的较高速度的水接触和/或撞击可能会导致足够更大数量的液体渗透穿过纤维基质和/或可渗透织物，从而引起期望的水交换速率，以提供如本文所描述的生物结垢保护。以类似的方式，在局部水条件提供水在外壳上流动和/或从外壳流出的更低的速度的情况下，外壳材料的较高的渗透率可能是更期望的，因为与更加活跃的水中通常会发生的情况相比，对一个或多个外壳壁的较低速度的水接触和/或撞击可能会导致足够较少数量的液体渗透穿过纤维基质和/或可渗透织物，从而引起期望的水交换速率，以提供如本文所描述的生物结垢保护。
表2-示例性表面积与体积之比
在各个实施例中，可能期望采用这样的外壳设计：所述外壳设计含有足够数量和/或体积的“水性介质”，以允许所描述的封闭环境发生分化，并且还含有足够的流体“储集器”以允许“积累”足够浓度的有毒和/或有害化学品和/或化合物，以在期望的水交换时段期间维持期望的浓度的此类化学品/化合物。在一些情况下，外壳内的水性介质(即，水)的封闭体积可以是封闭基材的体积的倍数，特别是对于相对较小的基材，如传感器和/或进水口，而在一些其它实施例中，外壳内的水性介质的封闭体积可以是封闭基材的体积的一部分和/或等于封闭基材的体积(即，在一些情况下针对船体和/或其它大型结构)。在各个实施例中，可以利用表面与体积之比来描述各种外壳设计，所述外壳设计可以包含三个示例性外壳实施例，所述示例性外壳实施例具有的表面与体积之比的范围为0.4到800倒英尺，如抽水立方体外壳设计具有0.4倒英尺或更小的表面与体积之比，船体外壳设计具有800倒英尺或更大的表面与体积之比(针对50英尺或更长的船舶)以及船尾模拟物外壳设具有350倒英尺(更小或更大)的表面与体积之比，如表2所示。
在其它实施例中，与封闭基材的表面积相比，可以设计具有具体的表面积比和/或比率范围的外壳，所述表面积比和/或比率范围可以根据外壳设计和/或表面纹理和/或基材的完全或部分地浸没和/或其它特征而大幅度变化。例如，给定的外壳设计和/或大小可以用于保护基材的大致平滑的表面和更复杂的基材表面(即，阀和/或螺旋桨)，其中针对外壳/平滑的基材，表面积比为大约1:1或1.1:1或针对外壳/复杂的基材，为大约1:2或更大。以类似的方式，复杂的外壳设计与不太复杂的基材的比率可以为1.1:1或更大。在各个实施例中，针对给定的受保护基材，外壳的表面积比范围为1:1.1到1.1:1，并且针对不同程度的基材和/或外壳复杂度，此范围可以在两个方向上扩展到1:2到2:1或更大。通常，预期外壳设计比基材至少稍微大一些(以封闭一定体积的水)，并且预期外壳表面特征比基材表面特征稍微不那么复杂，因此在许多实施例中，外壳与基材的表面积比将近似1:1、或2:1、或3:1、或10:1、或50:1、或100:1或更高。在其它实施例中，预期外壳设计的表面积小于基材的表面积。当基材仅部分地浸没时，无论基材被浸没1％、5％、10％、20％、25％、50％、60％、75％、80％、95％、99％或更少，这都可能发生。在一些实施例中，外壳与基材的表面积比将接近1:1、或1:2、或1:3、或1:10、或1:50、或1:100或更低。
渗透率
本文所公开的各种外壳实施例的一个重要方面是将可渗透元件、组件和/或结构结合到一些和/或所有外壳组件中，这允许以受控的方式和/或速率将水大量运输进外壳和/或从外壳运输出来。期望地，为外壳选择的一种或多种材料将包含具有一定水平的渗透率的一个或多个壁结构，所述水平的渗透率允许外壳与周围的水性环境之间的一定水平的“大量流体交换”。期望地，此渗透率将被优化和/或适合于其内将要放置外壳的局部环境，但是通常外壳可能结合有低至中等水平的渗透率，因为具有非常高的渗透率的外壳材料在更改外壳内的水化学和/或限制或减少受保护制品上的生物结垢方面可能稍微不太有效，而渗透率特别低或没有渗透率的外壳材料(或由于多种原因(包含由于纺织品表面上和/或其中的结垢)随时间推移渗透率可能变得非常低的外壳材料)可能导致穿过织物壁的液体交换水平低得无法接受，这可能导致由受保护的环境内的低氧水平(即，缺氧或其它条件)或其它化学水平造成的各种基材腐蚀或其它问题。在各种位置和/或环境条件(包含季节和/或天气模式的各种变化)中，更大或更小的渗透率或其它外壳设计变化可能是期望的。在许多情况下，局部环境条件(即，水流量、温度、生物植物群类型、生长季节、盐度、可利用的营养物和/或氧气、污染物等)和/或局部水条件/速度(即，由于水流和/或潮汐)可能会影响期望的渗透率和/或其它设计考虑因素-例如，针对给定的材料渗透率，对外壳的更高速度液体撞击可以产生增加的水交换速率，这在此类情况下可能会要求或建议使用较低渗透率材料。
在各个实施例中，外壳可以期望地抑制至少部分地浸没在水生环境中的基材或基材部分上的生物结垢，其中外壳包含在使用期间是水可渗透的或变得水可渗透的材料，所述外壳适于收纳所述基材并且形成差异化的水生环境，所述差异化的水生环境从基材的表面延伸到结构的至少内/外表面，其中在将结构定位在基材周围时或在将结构定位在基材周围后，所述结构或其部分的水渗透率为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低。在各个实施例中，结构的水渗透率可以通过形成结构以允许水渗透穿过所述结构(如通过制造具有期望的渗透率的纺织品)来实现。在一些实施例中，结构可以被设计成在使用时随时间推移而变得水可渗透。例如，以其它方式水可渗透的结构可以包含最初使其基本上不可渗透的涂层(所述不渗透性在刚进行初始放置后立即在外壳内“跳跃式开始”期望的低氧条件方面特别有用)，但是当涂层消融、腐蚀或溶解时，下面的渗透率增加和/或变得有用(这可以允许含氧水渗透穿过进入外壳并且有助于防止在达到低氧条件后不需要的持续缺氧状况在外壳内发生)。
在各个实施例中，外壳织物的最佳和/或期望的渗透率水平可以近似于表3(下文)中鉴定的织物渗透率中的任何织物渗透率，并且在一些实施例中，可以包含范围为100毫升/秒/平方厘米到0.01毫升/秒/平方厘米的渗透率。在各个替代性实施例中，可以在外壳的一个或多个壁中或上利用织物或其它可渗透材料，包含渗透率范围为以下的材料：0.06毫升/秒/平方厘米到46.71毫升/秒/平方厘米、或0.07毫升/秒/平方厘米到46.22毫升/秒/平方厘米、或0.08毫升/秒/平方厘米到43.08毫升/秒/平方厘米、或0.11毫升/秒/平方厘米到42.54毫升/秒/平方厘米、或0.13毫升/秒/平方厘米到42.04毫升/秒/平方厘米、或0.18毫升/秒/平方厘米到40.55毫升/秒/平方厘米、或0.19毫升/秒/平方厘米到29.08毫升/秒/平方厘米、或0.32毫升/秒/平方厘米到28.16毫升/秒/平方厘米、或0.48毫升/秒/平方厘米到25.41毫升/秒/平方厘米、或0.50毫升/秒/平方厘米到22.30毫升/秒/平方厘米、或0.77毫升/秒/平方厘米到21.97毫升/秒/平方厘米、或0.79毫升/秒/平方厘米到20.46毫升/秒/平方厘米、或0.83毫升/秒/平方厘米到15.79毫升/秒/平方厘米、或0.90毫升/秒/平方厘米到14.72毫升/秒/平方厘米、或1.05毫升/秒/平方厘米到14.19毫升/秒/平方厘米、或1.08毫升/秒/平方厘米到14.04毫升/秒/平方厘米、或1.11毫升/秒/平方厘米到13.91毫升/秒/平方厘米、或1.65毫升/秒/平方厘米到11.27毫升/秒/平方厘米、或2.09毫升/秒/平方厘米到11.10毫升/秒/平方厘米、或2.25毫升/秒/平方厘米到10.17毫升/秒/平方厘米、或2.29毫升/秒/平方厘米到9.43毫升/秒/平方厘米、或2.36毫升/秒/平方厘米到9.20毫升/秒/平方厘米、或2.43毫升/秒/平方厘米到9.02毫升/秒/平方厘米、或2.47毫升/秒/平方厘米到8.24毫升/秒/平方厘米、或2.57毫升/秒/平方厘米到8.16毫升/秒/平方厘米、或2.77毫升/秒/平方厘米到8.11毫升/秒/平方厘米、或3.68毫升/秒/平方厘米到6.04毫升/秒/平方厘米、或3.84毫升/秒/平方厘米到5.99毫升/秒/平方厘米、或4.43毫升/秒/平方厘米到5.40毫升/秒/平方厘米和/或4.70毫升/秒/平方厘米到4.77毫升/秒/平方厘米。
在各个实施例中，外壳内的分化环境与开放环境之间的最佳和/或期望的水交换速率的范围可以为每小时约0.1％到约500％，或每小时0.1％到约400％、或约0.1％到约350％、或约20％到约375％、或约0.1％到约100％、或约0.1％到约250％、或约20％到约500％、或约50％到约200％、或约100％到约200％、或约0.1％到约20％、或约100％到约200％、或约25％到约200％、或约25％到约100％、或约10％到约75％、或约25％到约275％、或约100％到约500％、或约100％到约250％、或约50％到约150％、或约75％到约200％、或约20％到约350％、或约50％到约100％、或约0.2％到约120％，或每小时约0.2％到约20％，或每小时约20％到约50％或每小时大约25％的体积。
如本文所公开的，在利用外壳来保护基材的情况下，基材上的生物定殖序列将与正常预期的开放水序列显著不同。例如，在利用如本文所描述的外壳的情况下，可以中断(破坏、更改等)基材上的生物定殖序列，以减少和/或最小化基材的沉降、募集和最终宏观结垢。一旦定位在基材周围或内部(如果保护基材的内表面的话)，则外壳的可渗透的保护织物壁可以期望地过滤和/或阻止各种微生物和/或大微生物进入外壳，并且如果生物已经定位在外壳内和/或如果生物最终穿过外壳，则外壳壁与基材之间产生的不同的水条件可以防止一些和/或全部生物免于在基材上沉降和/或定殖。例如，当微观浮游生物和其它传统的非沉降生物和其它沉降生物通过外壳的可渗透织物膜时，外壳内不同的水条件可能会损害或伤害浮游生物中的一些浮游生物，而仍然活着和活跃的其它浮游生物将避免沉降和/或定殖在基材表面。
在各个实施例中，可以制备通过其可以在实验室中评估候选材料的渗透率的设备，如本领域普通技术人员通常已知的水柱压力测试设备。例如，示例性测试设备可以利用泵将水从储集器供应到具体高度的水柱，其中将测试样品插入到柱的底部。如果期望的话，可以任选地将溢流集成到设计中，使得柱中水的高度期望地保持恒定。测试样品的大小可以根据需要变化。在一种测试设置中，4"×4"织物试样上方的柱中的水可以在大约3英寸的高度保持恒定，从而提供0.25PSI的“水头”压力。然后可以通过测量暴露于水柱的每单位面积每单位时间的水体积来计算每个织物试样的渗透率。如果期望的话，可以在预先润湿的条件下测试材料，而在其它测试中，可以在开始测试之前将材料进行干燥。在至少一个示例性实施例中，使用具有渗透率测试的干燥样品，可以观察到水没有均匀地流动穿过测试设备以进行准确的测量。
表4A和4B描述了在预浸条件下以及在水性环境(即海水)中浸没23天后各种织物和涂覆织物的实验渗透率结果。从表5B可以看出粗麻布测试样品的渗透率显著低于纺制聚酯的渗透率。然而，粗麻布和纺制聚酯两者都与防污织物类似地至少部分地通过将较大的幼虫宏观生物排除在基材的环境之外来进行。在各种情况下，织物渗透率可以根据与表面结垢和/或其它织物降解有关的时间而降低。此测试的一个重要结果是，由于粗麻布的降解和/或其它性质以及各种天然纤维存在的生产困难(如生产设备的掉色、清洁、灭菌和/或污染)(即，天然纤维在加工期间可能比合成材料需要更广泛并且更频繁的设备清洁)，纺制聚酯可能是比粗麻布(可能较不优选，但对于各种应用是仍可接受的)更优选的材料。
表4A：经涂覆的/未经涂覆的织物的样品预浸渗透率
表4B：浸没后23天(海水)的经涂覆的/未经涂覆的织物的渗透率
材料的水渗透率可以是许多因素的函数，包含材料的组成、材料的构造方法和类型、材料是经的涂覆的还是未经涂覆的、材料是干的、湿的还是饱和的、在测试和/或在水性环境中使用之前，材料本身是否会以某种方式结垢和/或是否对织物进行“预润湿”。此外，由于给定材料的渗透率可能随时间而更改，因此即使对于单一材料，也可能存在一定范围的可接受和/或最佳的水渗透率。在本发明的各个方面中，外壳的水渗透率可以是初始最小渗透率，所述最小渗透率足以期望地避免在局部(即在外壳内受保护)水生环境中产生恒定的缺氧条件，而在其它实施例中，渗透率可以更大。在本发明的各个方面，在使用之前或在使用期间达到的通过上文测试方法测得的外壳材料的水渗透率(每平方厘米基材每秒的毫升水)为：约100或更少、约90或更少、约80或更少、约70或更少、约60或更少、约50或更少、约40或更少、约30或更少、约25或更少、约20或更少、约10或更少、约5或更少、约4或更少、约3或更少、约2或更少、约1或更少、约0.5或更少、约0.1或更少、约1或更大、约0.5或更大、约0.1或更大、约0.1到约100、约0.1到约90、约0.1到约80、约0.1到约70、约0.1到约60、约0.1到约50、约0.1到约40、约0.1到约30、约0.1到约25、约0.1到约20、约0.1到约10、约0.1到约5、约0.5到约100、约0.5到约90、约0.5到约80、约0.5到约70、约0.5到约60、约0.5到约50、约0.5到约40、约0.5到约30、约0.5到约25、约0.5到约20、约0.5到约10、约0.5到约5、约1到约100、约1到约90、约1到约80、约1到约70、约1到约60、约1到约50、约1到约40、约1到约30、约1到约25、约1到约20、约1到约10或约1到约5。
溶解氧
在各个实施例中，将外壳放置在围绕基材的水性介质中将期望地“调节”溶解氧并且在外壳的内部与外部的水之间产生溶解氧差分，这期望地在防止受保护制品结垢方面提供显著的改进。在许多情况下，差异化的环境的溶解氧调节可以涵盖在外壳内产生比外部环境低得多的溶解氧水平，其中外壳内的此溶解氧水平响应于内部氧气消耗和外部溶解氧水平以不同程度进行波动。另外，至少部分地由于与外部环境相比，外壳内的能量环境较低和/或不存在可以“混合”外壳内的水的显著的湍流和/或涡流，差异化的环境内“大量水”中的溶解氧与受保护的基材或制品的表面处的“边界层”内的水中的溶解氧之间也可能存在二次梯度。这些局部差分条件可能是由于有机物和/或其它因子在基材或制品表面和/或外壳内的水柱中消耗氧气和/或营养物造成的，这可能导致进一步耗竭“边界层”，所述边界层促成缺乏生物结垢和/或在受保护的制品上形成防污生物膜。
通常，100％DO(“溶解氧”)意指平衡时水含有尽可能多的溶解氧分子，而超过100％DO则意指水被氧气“过饱和”(由于光合作用、大气交换和/或温度变化的影响，其在海水中常常会发生)。在平衡时，水中每种气体的比例可以近似大气中每种气体的比例但与所述比例很少相同。因此，在平衡时，水中的氧气的百分比(与水中的其它气体相比)可以相当于大气中的氧气的百分比(与大气中的其它气体相比)。然而，水体中的溶解氧的具体浓度通常基于温度、压力、盐度和其它因素(如光合作用的可用性和/或表面搅动)而变化。首先，氧气的溶解度随温度的升高而降低。因此，更温暖的水在饱和度为100％时比更冷的水含有更少的溶解氧，并且因此更冷的水可以携带更多的氧气。例如，在海平面和4℃下，100％的空气饱和水将容纳10.92mg/L的溶解氧。但是，如果将温度升到21℃的室温，则在100％的空气饱和度下，仅存在8.68mg/L DO。其次，溶解氧随压力增加而增加。与浅水相比，深水可以容纳更多的溶解氧。由于静水压力，每增加一米深度，气体饱和度就会降低10％。因此，如果溶解氧的浓度在表面处处于100％空气饱和度，那么即使在生物学需求下仍有相同数量的氧气可用，在表面下方三米处的溶解氧浓度仅处于70％空气饱和度。第三，随盐水平增加，溶解氧呈指数下降。因此，在相同的压力和温度下，盐水容纳的溶解氧比淡水少约20％。另外，由于上文因素已经变化(例如，一天中的空气或水温度可能会变化)并且可能尚未达到平衡，任何具体时间的溶解氧可能无法与环境处于平衡。此外，风和水的其它搅动可能导致水的曝气超过在环境条件下预期的曝气，并且通过生物和/或其它过程使用和/或产生的局部氧气可以持续增加或减少溶解氧的量。
在各个实施例中，一旦将本文所描述的外壳放置在水性环境中的基材周围，则外壳中的溶解氧将期望地被各种自然存在的生物和/或其它过程利用，使得外壳内的局部的溶解氧水平开始相对于外壳外部水中溶解氧水平而变化。由于溶解氧的渗透率运输水中非常缓慢地发生，并且由于通常很少或没有阳光能量流式传输到外壳中以允许通过光合作用产生氧气，因此，另外的溶解氧进入外壳的主要来源通常来自外壳外部的水穿过外壳壁和其它组件中的开口大量运输进入外壳(通常以较高的百分比运送溶解氧)。然后以与先前描述的类似的方式在外壳内利用此另外的溶解氧，其中不断重复此循环，直到外壳内的溶解氧水平通常达到稳定水平，所述稳定水平通常高于缺氧水平，但也显著低于外壳外部的氧气水平。
示例性溶解氧测量方案
在确定给定区域的溶解氧含量以及两个水性区域之间的差异时，可以利用溶解氧(DO)传感探头。对于连续监测，单独的探头可能比捆绑的传感器包更可取，这在很大程度上部分地由于从收集的测量结果确定DO值的方式。
对于各种测量，DO传感器将收集一个或多个读数，所述一个或多个读书然后可以针对来自其它传感器类型的读数被处理，以输出可用值。然后DO浓度(如mg/L)可能需要参考盐度/温度数据文件。除盐度/温度文件外，DO百分比饱和度测量可能还需要大气压力数据文件。可以在可接受的耐受水平内校准所有传感器，并且任何两个传感器都不可能进行相同的校准。此校准可变性是单独探头比捆绑传感器可能产生更好结果的一个原因。
当一组传感器读数均以相同的温度、盐度和压力文件进行处理时，产生的DO数据可直接比较。相反，每个传感器束通常在内部处理其原始数据。在此类情况下，每个探头的固有可变性可能会随着计算数据而加重。与比较单独的DO探头时相比，比较传感器束时，这可能导致更大的误差边际。为了进一步辅助置信度，应该对所有DO探头的校准进行比较。
新探头和最近提供服务的探头(如传感器表面替换等)应根据制造商规范进行校准。可以比较读数的所有DO探头(以及温度/盐度计)应放置在水桶或其它有水的容器中。应将水鼓泡或泵送以维持均匀的水流，并且探头应均匀分布。压力传感器应是紧邻的。一旦处理，以此方式收集的数据可能会示出探头之间的任何显著可变性。此比较应该在传感器部署的开始和结束时进行。
在一种示例性方法中，利用HOBO品牌的水质监测探头，用户可以(1)安装传感器盖并且根据制造商的规范对所有U26-001DO记录器进行100％和0％校准两者(如果期望的话，可以在此时设置启动详细信息)，(2)确定适当的日志记录间隔，(3)对于大于1天的部署，每0.5小时采样一次-对于较短的部署，可能期望更频繁的采样；(4)为了同步数据，应将所有记录器设置为以相同的间隔进行采样，并且利用延迟的开始功能，将所有记录器设置为在相同的时间和数据下进行开始，(5)在设置开始时间时考虑执行“桶比较(BucketComparison)”，(6)启动压力传感器(U20L水位记录器)、温度/盐度传感器(U24-002-C导电率记录器)和所有DO。根据制造商的规范的传感器(U26-001溶解氧记录器)，(7)准备所有传感器和测试固定装置以进行部署，(8)在部署之前卸载传感器数据以消除多余的数据，(9)部署所有传感器，(10)应记住，将需要维持用于开放水读数而部署的传感器(以及未充分保护免于宏观结垢的那些传感器)，以避免与宏观结垢相关的数据漂移，取决于位置和季节，这可能会每隔一天一样频繁，但对于热带和亚热带地区，通常每隔几天就足够了，目标是在可以形成宏观结垢之前，轻轻擦拭记录器上的粘液层，特别是传感器表面-从传感器表面去除宏观污垢会损坏光学传感器上的涂层-如果可能的话，每周两次按日程安排两个传感器交替进出水域，其中在每次重新部署前轻柔地擦拭干净是非常有效的-然后必须将这两个数据集进行组合以产生一个连续的开放水数据集-换出记录器后，将数据卸载到防水穿梭机上。每次换出这将提供一个“入水”数据集和一个“出水”数据集-其可以简单地组合“入水”数据以产生期望的数据集-并且从“桶测试”中选择校准结果最接近的两个记录器，以获取开放水数据，(11)以适当的时间间隔卸载传感器数据-对于长期部署，每月数据检索就足够了，(12)使用HOBOware Pro或其它合适的软件中的溶解氧助手处理数据-用于在excel中组合大型数据集，导入逗号分隔的数据助手非常高效，并且(13)如果实验已经进行完毕，或者可以带上记录器进行传感器面的替换(每个制造商规范每6个月一次)，则执行“桶比较”以校准置信度，并且保存结果以备将来参考。
桶比较
如果期望的话，可以进行传感器比较，所述比较可以用于确认校准置信度并且保存结果以供将来参考。用于此类比较的步骤中的一些步骤可以包含：(1)在第一个采样间隔之前至少15分钟，将DO记录器和导电率记录器放置在充满水的5加仑塑料桶7z中，(2)将压力传感器在测试的持续时间内保持在桶的附近，(3)将传感器均匀地分布在桶中，(4)在水柱的中部和中间放置空气石，以在测试的持续时间内产生水移动，(5)允许测试运行至少24小时，(6)根据制造商的规范使用防水穿梭机(U-DTW-1)或类似装置从记录器卸载数据，(7)使用HOBOware Pro或等效软件中的溶解氧助手处理数据-即，利用HOBOware pro打开DO数据集-利用溶解氧助手选择过程数据-指定要使用的导电率文件-指定要使用的压力文件-一旦产生数据集后，将其导出到excel文件进行处理和比较-完成所有DO记录器的处理，并且从excel文件中组合数据以比较校准。
图8A和8B以图形方式描绘了与周围的水性环境的那些溶解氧水平(即，“开放”读数)相比的各种测试外壳中的示例性溶解氧水平。在这些实施例中，外壳中的溶解氧水平始终低于外壳中的每个外壳的开放读数，从而与周围的水性环境相比，形成“不同的环境”。然而，由于各种外壳允许与外部水性环境进行各种水平的“流体交换”，因此外壳内整体水质的许多其它特性(包含pH、温度和盐度)与周围的水性环境的那些特性相同或类似(参见图9和13)。
在24小时时段期间，外壳外部的氧气水平通常会以昼夜的方式波动，如图10A所示，其中由于光合作用，白天(图的较亮区域)期间发生更高的溶解氧水平，并且在黑暗时段(图的阴影区域)期间溶解氧水平下降。在外壳内，同一24小时时段内的溶解氧水平通常会以与外壳外部水平类似的方式波动，因为通过大量流体运输进入外壳的“溶解氧替换物”的数量将取决于外部溶解氧水平而变化。此外，由于替换的溶解氧靠近外壳的壁进入外壳，并且水在外壳内的大量运动和/或混合常常受到限制，导致通常在外壳壁与受保护基材的表面之间会存在较高或较低的溶解氧梯度。
如图10A和10B可见，与周围的开放水性环境中的水的DO水平相比，本文所描述的外壳可以期望地控制、减轻和/或“平滑”在差异化的水性环境(即，靠近受保护的基材)中的一种或多种溶解氧水平。在许多情况下，尽管在一些实施例和/或一些条件中差异化的DO水平可能会周期性地超过周围的开放水性环境的DO水平，但外壳内的DO水平仍将期望地低于周围的水性环境的DO水平(参见图8A、8B、10A和10B)。另外，尽管在各种情况(包含缺氧周期短到足以允许基材发生很少或没有缺氧腐蚀的情况)下可以接受落入缺氧范围内的周期性和/或间歇性差异化的DO水平，但本文所描述的外壳将期望地使差异化的DO水平维持在缺氧DO水平之上。
在各个实施例中，0.5mg/L或更少的溶解氧水平可以被视为是不期望的和/或“缺氧”条件，而大约2mg/L(或更少)的溶解氧水平能够对水性生物在水性环境中定殖、繁衍和/或繁殖的能力造成显著负面影响。
在许多情况下，给定水性环境中溶解氧含量的显著变化可能会引起许多生物体的快速响应，其中DO水平的向下变化则是生物对其响应最快的参数之一。细菌或其它生物的广泛分类为厌氧、好氧或兼性通常基于所述细菌或其它生物为产生生长和其它活动的能量所采用的反应类型。在其含能量化合物代谢中，需氧菌需要分子氧作为末端电子受体，并且在其不存在的情况下通常无法生长。另一方面，厌氧菌通常无法在氧气存在下生长-氧气对其有毒，因此所述厌氧菌必须依赖于其它物质作为电子受体。其新陈代谢通常是发酵型的，其中所述厌氧菌将可用的有机化合物还原为各种最终产物，如有机酸和醇。兼性生物是最通用的。所述兼性生物优先利用氧气作为末端电子受体，但也可以在没有氧气的情况下通过还原其它化合物进行代谢。例如，与当葡萄糖分子在不存在氧气(2个ATP分子)下通过发酵过程仅部分地分解相比，在氧气(ATP的38个分子)存在下被完全分解为二氧化碳和水时，以高能磷酸盐的形式获得了更多的可用能量。在一些情况下，外壳内DO水平的降低可能会促使生物更改其代谢途径的速率和/或类型，这可以包含适应新的DO水平，而其它生物可能只是进入停滞状态和/或死亡。如果外壳环境的DO水平不期望地低，生物通常会寻求另一种具有较高DO水平的环境来定殖(和/或可能试图放弃较低的DO环境)，因为如果生物未发现增加的DO环境，残留在外壳的较低DO环境内可能会对沉降能力产生负面影响和/或可能导致各种健康问题和/或死亡。
在各个实施例中，外壳内的最佳和/或期望的DO水平可以是DO含量至少平均为20％或更大、或至少平均为50％或更大、或至少平均为70％或更大、或在平均为20％到100％的范围内、或在平均为33％到67％的范围内、或平均为50％到90％的范围内或平均为70％到80％的范围内。可替代地，外壳内期望的DO水平可能是小于距外壳外部一定距离处(即，距外壳1、或2、或5、或10或12英寸，或2、或5或10英尺处)检测到的水中溶解氧水平的为平均至少10％的DO含量。
在各个实施例中，外壳内溶解氧的调节将引起外壳内差异化的环境与外壳外部开放水性环境之间的溶解氧差分为至少10％。在各个实施例中，此差分可能会在将外壳放置在水性介质中后几小时之内/之后发生，或者可能会在将外壳放置之后2到3小时、6小时、12小时、1天、2天、3天、4天、5天、6天、1周、2周之内或甚至一个月内发生。在各个替代性实施例中，将产生的期望的溶解氧差分为至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少50％、至少70％和/或至少90％或更大。
在许多情况下，给定外壳内的溶解氧水平将通过生物和/或其它过程来耗竭，其中各种外壳设计内的溶解氧水平维持可能取决于溶解氧穿过外壳的壁从周围的水性环境(在此类DO水平高于外壳内的DO水平时)的流入-这也可能通过穿过壁结构本身的扩散以及伴随水通过可渗透外壳壁的大量转移而在某个水平处发生。本文所描述的结构和方法期望地提供了一种外壳，所述外壳具有足够水平的“水交换”用于提供足够的水流(和/或溶解氧流)进入和/或穿过结构，以便避免在延长的时间段内在外壳内产生缺氧环境，所述缺氧环境可能导致金属表面的腐蚀，但也期望地在基材上产生最小化和/或防止水生生物在基材上沉降和/或繁衍的局部水生环境和/或生物膜涂层。具体地，本发明的装置将期望提供一种渗透率水平，所述渗透率水平旨在将差异化的水生环境(即，要保护的物体周围)内的溶解氧(DO)水平维持在与周围的水性环境的一种或多种DO水平不同的水平处。
在如图10A所示的一个示例性实施例中，开放水生环境的DO水平的范围为大约90％到大约150％DO，而差异化的水生环境(即，含有要保护的基材)的DO水平的范围为约50％到约110％DO-这在此实施例中抑制了各种生物使基材结垢的能力(其据信基本上抑制和/或阻止了其繁衍和/或定殖的能力)，并且这在延长的时间段内没有“骤降(dip)”到可能发生缺氧并促进对基材腐蚀的DO水平(尽管相对短时间段的周期性缺氧条件可能已经发生，并且由于各种原因可能是可以接受的)。在各个实施例中，包含在图10A至10D中所示的那些实施例中，外壳的存在还可以介导、“平滑”或“缓冲”周围的水性环境的溶解氧水平中可能发生的自然尖峰和/或骤降，这可以进一步防止和/或抑制水生生物免于在受保护的基材上沉降和/或繁衍。
在至少一个替代性实施例中，外壳设计可以包含可以渗透一种或多种水化学因子(如溶解氧(即通过扩散和/或渗透运输))同时不促进一种或多种其它因子、化学品和/或甚至水本身的运输或通过的壁材料，所述壁材料可以允许足够水平的氧气(或其它化学因子)渗透到外壳中以产生本文所描述的水化学差异中的一些或全部水化学差异。此类替代性设计可以具有产生本文公开的各种生物结垢改进的某种潜力。
在各个其它替代性实施例中，特定的外壳设计可以包含用于补充外壳内各种水化学组分(例如溶解氧)以获得期望的结垢保护的特征。例如，具有比最佳水平的渗透率稍差的壁的外壳可以包含溶解氧的补充来源，所述补充来源可以用于将外壳内的溶解氧水平维持在不期望的缺氧水平之上。可替代地，外壳的一个实施例可以包含补充流体供应泵或者甚至是外部安装的“螺旋浆”，所述补充流体供应泵或螺旋浆可以被激活以引起外壳外部的另外的流体穿过和/或进入外壳，从而提供另外的补充溶解氧和/或从外壳中去除废弃物，其中定期和/或基于外壳内对水化学因子采取的各种测量来致动和/或停用泵/螺旋桨，这可以包含直接受外壳设计和放置影响的水化学因子，以及由外壳的存在直接更改的一种或多种水化学因子可能导致的水化学因子变化。可替代地，可以利用补充泵和/或抽水系统将水直接泵入和/或从封闭的或有界的水体中泵出，而所述水不穿过可渗透的外壳壁。
图31描绘了用于将水性液体和/或其它材料或物质添加到外壳3110内的封闭环境和/或从所述封闭环境去除水性液体和/或其它材料或物质的补充泵送系统3100的水性流动机构的一个示例性实施例。在此实施例中，外壳包含外壁或边界，在一些实施例中，所述外壁或边界可以包括一个或多个可渗透壁，并且在其它实施例中，可以包括一个或多个半渗透和/或非渗透壁(其在一些实施例中可以包含外壳的一些或全部壁是不可渗透的)。可以提供具有流动腔或引入口3130和引入管3140的泵送机构3120，其中泵进一步包含从泵的出口延伸穿过外壳的至少一个壁并且穿过/进入外壳内的水性环境的出口3160和出口管或流动腔或流动路径管3170。在各个实施例中，出口管的至少某个流动腔部分3180可以在外壳内延伸某个距离，其中出口可能定位于受保护的基材(未示出)和/或外壳的一个或多个外壳壁的附近和/或远侧。在使用期间，可以激活泵送机构以期望的方式将外部水供应到外壳中，和/或可以反转泵操作以从外壳中抽出水以释放到外壳外部的环境中。可替代地，可以利用泵送机构向封闭的环境供应另外的氧气或其它水化学因子。如果期望的话，泵送机构和/或流动腔和/或引入口3130中的一些或全部可以定位在外壳内，或者可替代地在外壳壁的某个部分内和/或穿过所述某个部分，或者如果期望的话可以定位在外壳外部。在一个实施例中，水性流动机构可以是可以以与泵系统类似的方式用于移动水或产生期望的流动特性的螺旋桨系统、花瓣系统、流动管道、流动通道或流动隧道。
代替和/或除了降低外壳中含有的水中的溶解氧水平之外，本文描述的外壳实施例的设计和放置还可能影响各种其它水化学因子，包含可能显著延迟和/或防止受保护基材结垢的水化学因子。例如，当外壳内的氧气耗竭时，外壳内的一些自然存在的细菌物种通常会首先转向次优电子受体，所述电子受体在海水中为硝酸盐。将会发生反硝化作用，并且硝酸盐将被快速消耗掉。在还原了一些其它微量元素之后，这些细菌最终转变为还原硫酸盐，这产生硫化氢(H2S)的副产物(对大多数生物群具有化学毒性，并且具有特有的“臭鸡蛋”气味)。外壳内硫化氢的这种升高的水平以及其它化学品然后可以以本文所描述的期望方式抑制基材的结垢。此外，外壳内的硫化氢也可以洗脱穿过外壳的壁(即，其中大量水流出外壳)，并且潜在地抑制外壳的孔中和/或外壳的外表面上的结垢生长。
除了产生抑制外壳内含有的受保护基材的结垢的局部条件之外，本文所描述的外壳的各个实施例也非常环境友好，因为外壳内产生的任何有毒和/或恶劣环境都会在外壳外部迅速中和。例如，当1ml的流体穿过开口进入外壳时，可以假设大约1ml的外壳流体将被从外壳的外部置换到外部环境。此置换的流体通常将含有对海洋生物有毒和/或不适宜海洋生物的组分(所述组分期望地减少和/或防止结垢附着在外壳内的基材上)。然而，一旦离开外壳，这些组分就会通过多种自然发生的机构在外部水性环境中迅速降解、氧化、中和、代谢和/或稀释，所述机构通常不会对水生环境造成持久影响，即使紧邻外壳本身也是如此。这对于结合高水平杀生物剂和/或其它试剂的现有防污装置和/或涂层是高度优选的，其中杀生物剂和/或其它试剂中的一些对许多生命形式(包含鱼类和人和/或其它哺乳动物)有剧毒，并且可以在海洋环境中持续数十年。
在各个替代性实施例中，外壳壁可以结合可以抑制和/或防止外壳表面上和/或孔内结垢的补充杀生物剂或一种或多种其它化学品或化合物。在各个实施例中，可以施涂和/或结合杀生物剂或一种或多种其它化学品/化合物，使得主要的杀菌活性限于外壳织物的表面和/或孔内，其中进入外壳和/或外壳外部的杀生物剂洗脱水平极低和/或不存在。在此类情况下，杀生物剂将期望地保护外壳免于结垢，而外壳进而保护基材免于结垢。
在各种日常和/或季节性水条件下，各种测试外壳设计在为基材提供生物结垢包含方面非常有效。例如，将结合纺制聚酯的可渗透织物壁与杀生物剂涂层的外壳浸没在海水中，并且测量并切制表外壳内部和外部的水性环境中的溶解氧水平。图10A描绘了在春季/初夏的三天时段期间对溶解氧水平进行的频繁采样(即，每15分钟一次)，其展现了外壳内外的溶解氧的昼夜变化(即，明亮和黑暗区域反映了白天和黑夜)。在此图中，可以看到，外壳内的溶解氧水平通常在白天和晚上序列期间滞后或“跟随”(即，处于较低水平)外部水性环境的溶解氧水平，并且外壳中的DO比外部环境DO显得“更平滑”或更缓冲。相比之下，图10B描绘了对夏末/初秋三天时段期间的溶解氧水平的类似采样，其中外壳内的溶解氧水平通常可以等于或超过周围环境的溶解氧水平，并且其中外壳为DO水平提供了“缓冲”。在所有情况下，即使外壳内部和/或没有外壳的相对的溶解氧水平发生了变化，外壳仍能成功地限制和/或防止受保护基材的生物结垢。
图11描绘了水性环境1915内的基材1900和相关的外壳壁1910的示例性横截面视图。在此实施例中，虚线所示的溶解氧水平1920可以等于和/或相当于外壳边界处周围的水性环境的DO(尽管在一些实施例中，在水穿过外壳的壁1910期间，溶解氧水平可能会降低可测量程度)，并且当测量传感器(未示出)进一步朝基材((沿着水准线1920))移动进入差异化的环境1930时，此DO水平在外壳液体中开始逐渐降低，其中在靠近基材表面1940的位置处，DO水平可以期望地达到较低和/或最低的DO水平读数。在各个实施例中，从内壁内的液体到基材表面附近的液体的DO百分比变化可以仅为1％或2％变化，而在其它实施例中，此DO变化可以更加显著，如内壁读数与基材表面读数之间DO的差异为3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％和25％或更大。
水化学
在各个实施例中，与开放水性环境的那些相比，保护外壳围绕基材的设计和定位可以期望地在有意义的程度上更改封闭环境的各种水化学特征和/或组分。在各种情况下，与周围的水性环境相比，外壳可以引起一些水化学特征“不同”，而其它水化学特征可以与周围的水性环境中的水化学特征保持相同。例如，在差异化的环境与开放环境之间溶解氧水平常常是“不同的”的情况下，差异化的环境和开放环境内的温度、盐度和/或pH水平可以是类似的或相同的。期望地，外壳可以以期望的方式影响一些水化学特征，而与周围的开放水性环境的那些水化学特征相比，使其它水化学特征受到最小影响和/或“保持不变”。可能潜在地“不同”和/或可能保持不变(即，取决于外壳设计和/或其它环境因素(如位置和/或季节))的一些示例性水化学特征可以包含溶解氧、pH、总溶解氮、铵、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷酸盐、二氧化硅、盐度、温度、浊度、叶绿素等。
在一些示例性实施例中，与外壳外部的等效测量结果(可以包含从外壳去除用于说明外壳外部的潜在洗脱的一定距离处的测量结果(如距外壳外壁仅1或2英寸或更大，或甚至1、2、3、5、10、20英尺或更大距离))相比，外壳内部的一种或多种水化学特征的量度可以是“不同的”。此类“差异”可以包含内部/外部测量结果之间的0.1％或更大的差异、或内部/外部测量结果之间的2％或更大的差异、或内部/外部测量结果之间的5％或更大的差异、或内部/外部测量结果之间的8％或更大的差异、或内部/外部测量结果之间的10％或更大的差异、或15％或更大的差异、或25％或更大的差异、或50％或更大的差异或100％或更大的差异。另外，此类差异可以是针对具有不相等差异的多个化学因子，或者可以包含一个因子的增加和另一个因子的减少。设想了所有此类描述的水化学因子的组合，包含其中一些水化学因子对于一些因子基本上保持相同而其它因子可能存在各种差异的情况。
示例性水化学测试方案
在确定各种水化学参数量度(如温度、盐度、溶解氧和/或pH等)时，手动浇铸传感器可以方便使用且高度准确。此类传感器常常被拴系并且配备有读出屏幕。如果要在相对较短的时间框架(数分钟至数小时)内获取读数，则样品之间的读数可以相当地比较，而不必担心校准问题。如果要同时部署多于一个探头，则使用维可牢搭扣带或扎线带将所述探头捆绑在一起会很有帮助。
使用传感器工作时，应根据制造商的规范按时间表执行手持单元的校准。在校准之间，置信度解决方案可以用作一些传感器的抽查。在进入现场之前，检查手持传感器(电池寿命、置信度解决方案等)是很重要的。准备通过拆箱单元、拉直电缆、捆绑传感器(如果使用多于一个传感器的话)并且在电缆上标出期望的水深(对于静态浸没，标准为％表)来获取读数。打开每个手持单元的电源，并且将一个或多个探头放置在期望的位置-检查探头是否在期望的深度。等待探头达到平衡-并且如果从未达到平衡，则点读数可能不足以捕获样品之间的差异，并且因此可能需要连续的监测设备。记录值并且重复每个步骤的资产，直到测试完所有期望位置。一旦测试完成，清洗探头和电缆，然后再替换保护盖/瓶，并且允许设备干燥，然后再返回其相应的箱。
示例性水分析方案
在各个实施例中，可能期望量化防污外壳内部和外部的水差异，如本文所描述的那些差异，包含溶解氧(DO)、pH和/或盐度的测量读数。在此类情况下，DO(YSI，ProODO)、pH(YSI，ProlO)和盐度(YSI，Pro30)可以使用YSI单参数下投式探空仪，通过以下方法进行测量：(1)根据制造商的规范校准YSI传感器，(2)将YSI探头放置在水表面下方0.5m(18")处，(3)在记录测量结果之前允许探头稳定，(4)记录DO、pH或盐度值以及水的位置、日期和时间，以及(5)记录水温度值以及水的位置、日期和时间。
用于水化学测试的示例性水样品采集
在各个实施例中，可能期望收集用于分析水化学的水样品，包含(1)营养物测试和(2)碱度测试。水采集设备可以是使用以下方法的标准600mL水采集设备的改进设计：(1)针对每个水样品使用一个水采集设备。水采集设备可以由用于水采集的直径为1'的长1"的PVC管道组成，所述PVC管道使用滑道耦接器附接到3'长1"直径的PVC管道中进行处理。使用50磅测试尼龙钓鱼线，通过水采集设备的相对端处的不锈钢环将由橡胶软木塞和不锈钢吊环螺栓组成的塞子悬挂在水采集端，(2)在使用之前消毒水采集设备。用过滤水清洗遇到水样品的所有设备部件，直径为1"的PVC管道、塞子和钓鱼线，在DI水中浸泡至少12小时，然后干燥。设备的手柄和耦接器应用过滤水清洗，(3)消毒在测试期间遇到水样品的所有供应品。用过滤水冲洗采样瓶(250mL)、碱度分析瓶(8mL)、漏斗和过滤注射器，在DI水中浸泡至少12小时，然后干燥。将营养分析瓶(125mL)浸泡在10％的HCL溶液中至少12小时。用DI水清洗两次，然后干燥，(4)要收集水样品，将水收集设备12”浸没在水面以下或当滑动耦接器刚好在水表面上方时。提起设备手柄上的不锈钢环以关闭塞子并采集水样品。将设备从水中去除之前，确保塞子已完全拧紧。将设备从水中去除，并且(5)将水采集器设备放置干净的漏斗和采集瓶之上。通过释放不锈钢环，小心缓慢地打开塞子，以将水样品从水采集器设备转移到采集瓶。将水盐样品储存在冰上。
在一些情况下，不可能立即测试采集到的水样品，因此可以使用以下方法将水样品过滤并保存多达28天：(1)过滤采集的水样品。对于溶解化学品和碱度测试，使用孔径为0.45pm的注射式聚丙烯过滤器(部件号6788-2504，沃特曼(Whatman))过滤水样品。为了进行营养测试，可能需要125mL的过滤水。对于碱度测试，可能需要8mL的过滤水，并且(2)为了保存多达28天，将未酸化的过滤水样品在-20℃下冷冻。(Strickland和Parsons,1972；Grasshoff等人,1999；Venrick和Hayward,1985)。在-20℃下储存水样品以进行营养分析。在4℃下储存水样品以进行碱度分析。
在各个实施例中，可能期望量化防污外壳内部和外部的水差异，如本文所描述的那些差异，包含总溶解氮(TDN)、铵、硝酸盐+亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷(TDP)和/或二氧化硅的测量读数。在许多情况下，可以利用SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪按照以下方法使用制造商的标准方法进行溶解化学测试：
对于TDN、铵盐和硝酸盐+亚硝酸盐分析，可以应用以下方法：(1)获得过滤水样品，(2)从RICCA铵(R0692500，RICCA化学公司)制备参考标准品，(3)对参考标准品进行两次分析，以在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上校准540nm处的吸光度读数。所有标准吸光度值应处于已知浓度的10％以内，(4)对于TDN、铵和硝酸盐+亚硝酸盐分析，遵循制造商的方法G-218-98(SOP FIT-5008-TDN)。在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上运行过滤水样品，以确定粉色的偶氮染料在540nm处的吸光度，所述粉色的偶氮染料是通过使用镉柱进行氮还原而形成的，并且使所得亚硝酸盐与重氮化合物和N-(l-萘基)乙二胺二盐酸盐反应以及(5)记录吸光度值。平均分析精度(RSD)为约2％。
对于正磷酸盐分析，可以应用以下方法：(1)获得过滤水样品，(2)从可追踪NIST的戴安5-阴离子(NIST-traceable Dionex 5-Anion)(飞世尔科技公司(FisherScientific))制备参考标准品，(3)对参考标准品进行两次分析，以在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上校准880nm处的吸光度读数。所有标准吸光度值应处于标准的95％置信区间内，(4)对于正磷酸盐分析，遵循制造商的方法SEAL分析G-297-03。在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上运行过滤水样品，以确定在正磷酸盐与抗坏血酸、钼酸盐和锑反应时形成的磷钼钼蓝络合物在880nm处的吸光度，以及(5)记录吸光度值。平均分析精度(RSD)为约1％。
对于TDP分析，可以应用以下方法：(1)获得过滤水样品，(2)从可追踪NIST的戴安5-阴离子(NIST-traceable Dionex 5-Anion)(飞世尔科技公司(Fisher Scientific))制备参考标准品，(3)对参考标准品进行两次分析，以在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上校准880nm处的吸光度读数。所有标准吸光度值应处于已知浓度的10％以内，(4)对于TDN，遵循制造商的方法G-219-98(SOP FIT-5008-TDP)。在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上运行过滤水样品，以确定在正磷酸盐与抗坏血酸、钼酸盐和锑反应时形成的磷钼钼蓝络合物在880nm处的吸光度，以及(5)记录吸光度值。平均分析精度(RSD)为约3％。
对于二氧化硅分析，可以应用以下方法：(1)获得过滤水样品，(2)分析硅酸钠参考标准品(部件号SS465，飞世尔科技公司)，以在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上校准820nm处的吸光度读数。制备具有吸光度值和已知浓度的分析参考标准品的标准曲线，(3)针对二氧化硅，遵循制造商的方法SEAL分析G-177-96。在SEAL AA3 HR连续分段流量自动分析仪上运行过滤水样品，以确定在将钼酸铵添加到过滤水样品中产生硅钼酸盐然后使用抗坏血酸还原时形成的钼蓝色络合物在820nm处的吸光度，(4)记录吸光度值。将测得的吸光度值与参考标准曲线吸光度值进行比较，以确定过滤水样品中二氧化硅的浓度。平均分析精度(RSD)为约3％。
为了确定碳酸钙水平，可以测量过滤水样品的碱度，所述碱度对应于样品中碳酸钙的水平。根据以下方法，可以使用标准方法(APHA方法2320-B：用于检查水和废水的标准方法)利用格兰函数进行测试：(1)获得过滤水样品，(2)获得参考标准海水溶液(英国OSIL)，(3)分析参考标准品以进行校准。制备具有碱度值和已知浓度的分析参考标准品的标准曲线。所有浓度均应处于95％置信区间内，(4)遵循标准方法(2320-B)进行碱度滴定。使用格兰函数，用0.01N HCL滴定过滤水样品。(5)使用格兰函数确定碱度。碱度(mg CaCO3/L)与滴定期间添加的酸体积成正比，并且(6)记录碱度值。
对于各种测试，测试了使用不同材料的不同大小和/或形状的结构或外壳实施例，以确定外壳的存在是否降低、减少、消除、抑制和/或防止了宏观结垢沉降，包含与开放水相比，对外壳中形成的生物膜进行视觉比较，并且将外壳中的水质和水化学与开放水进行比较。表5A以表格形式描述了盐水测试的结果，并且示出了铵、硝酸盐+亚硝酸盐(N+N)、总溶解氮(TDN)、溶解有机氮(DON)、磷酸盐和二氧化硅在采样期间在不同点处在外壳与开放样品之间都显著不同，其中表5B描述了另外的化学量度，如温度、盐度、溶解氧和pH。测试结果表明，在第14天(6/22/18)和第30天(7/9/18)外壳内铵盐显著更高，并且在第1天(6/9/18)、第3天(6/11/19)和第10个月(4/15/19)和第12个月(6/24/19)外壳内N+N显著更高。TDN和DON在第7天的开放样品中显著更高，但在第14天和第30天的外壳中发生了转变，并且更高。在第3天、第7天、第14天和第30天以及第10个月和第12个月的外壳中，磷酸盐显著更高。在第1天、第3天和第14天，开放样品中的二氧化硅显著更高，但在第30天，外壳中的二氧化硅更高。
表5A：外壳(“包”)和开放水内盐水的水化学结果
表5B：外壳(“包”)和开放水中的盐水的另外的水化学
从数据得出了各种结论，包含：(1)到第7天，外壳中溶解无机氮(N+N和铵)更高，而外壳外部的溶解有机氮(氨基酸、尿素)更高。这可以表明外壳外部有更高的生物活性，其中细菌、蓝细菌和浮游植物利用无机氮生长并产生有机氮(通过腐烂和排泄)。来自此实验的生物膜结果(根据观察)，来自先前测试的DNA结果证实了此假设。在整个实验的后半部分，外壳内的总溶解有机氮(DON)保持类似，而开放的DON则波动，这可能是由于海港中的氮自然循环所致，而海港被外壳隔离或缓冲，(2)外壳中的磷酸盐水平比开放水要高，这可能是由于外壳外部使用磷的生物活性更高，和/或(3)到第14天，外壳外部的二氧化硅水平更高，这可能是由于外壳外部的硅藻的活性和周转性更高，这在第30天发生转变。随时间推移，外壳中的总二氧化硅水平合理地类似，而开放水平的二氧化硅则波动。由于硅藻使用了二氧化硅，此可变性可能表明在开放水中循环-由外壳隔离或缓冲的循环。
在另一个实例中，在各种外壳实施例中观察到水化学和水质。盐水测试的目的是检查各种大小的外壳(直径为1、2和4')内的水与开放水之间的水化学差异。表5C以表格形式描述了12个月盐水测试的结果，并且示出了铵、硝酸盐+亚硝酸盐(N+N)、总溶解氮(TDN)、溶解有机氮(DON)、磷酸盐、二氧化硅和碱度在采样期间在不同点处在外壳与开放样品之间都显著不同，其中表5D描述了另外的化学量度，如温度、盐度、溶解氧和pH。
表5C：外壳(“1'、2'、4'”)和开放水中盐水的水化学结果。
表5D：外壳(“1'、2'、4'”)与开放水中盐水的另外的水化学。
测试结果表明，对于所有大小的外壳(1、2和4'直径)，与外壳内的水相比，开放水中的溶解氧和pH显著更高。与开放水相比，外壳内的水域中N+N、TDN、磷酸盐和二氧化硅均显著不同。与开放水相比，外壳内的碱度、N+N、TDN和磷酸盐均显著更高。此数据示出了与盐水中其它水化学测试类似的趋势。与开放水相比，外壳内水化学浓度的增加可以表明外壳外部的生物活性更高，其中细菌、蓝细菌和浮游植物会利用可用的营养物进行生长。
此外，这些水化学研究的一些结果表明，各种外壳结构实施例都可能产生这种效果：呼吸或材料代谢大于或超过外壳结构内的光合作用。由于外壳结构产生的溶解氧或其它水化学参数水平降低，可能会发生这种效果。外壳内溶解氧的差异可能与外壳内的光限制有关。如图10A和10B可见，各天数之间的微小测量变化可能与采样时间(即早上采样与夜间采样)有关。
可以基于磷酸盐的结果确认呼吸作用超过外壳结构内的光合作用的效果。外壳内水域中的磷酸盐浓度始终高于开放水。基于磷酸盐循环，并且了解磷酸盐在颗粒与溶解相之间进行交换，扩散可能会试图恢复可渗透外壳两侧的水化学平衡。与开放水条件相比，外壳结构内水条件的差异越大，扩散通常起到恢复平衡的作用越大。因此，磷酸盐可能会在外壳水域中继续增加，但可能由于扩散而损失。
在一个实施例中，外壳结构通过最初建立硝化和反硝化富集环境，在其范围内提供了防污保护。在此测试期间，数据表明外壳结构内的水中的铵始终较高。如图12A所示，呼吸的初始氮产物是还原的氮或铵。浸没4天后，内部环境变得含氧较少，导致形成未电离的氨态氮(NH3-N)，所述氨态氮对装置范围内的海洋生物有毒。除了产生NH3-N以外，还可能在外壳结构的介质填充范围内产生亚硝酸盐(NO2)和其它有毒的反应性氮分子。随着外壳的外部逐渐变得结垢更多，这种效果似乎得到了增强。进一步，在外壳装置内和表面上形成的微生物生物膜可能有助于普遍的硝化和反硝化途径。
测试数据证实，与开放水相比时，外壳结构内水域中的硝酸盐+亚硝酸盐(N+N)在许多情况下更高。此结果可能与在有氧条件下氨的硝化有关。在一些实施例中，即使包中的溶解氧较低，其可能不足以抑制硝化作用，并且铵的来源可能来自呼吸。在一些实施例中，溶解氧不可能足够低以促进异化硝酸盐还原成铵(DNRA)或硝酸盐/亚硝酸盐氨化；然而，包内可能存在可以促进DNRA的缺氧微环境(水中溶解氧浓度低于0.5mg/L)。DNRA是微生物厌氧呼吸的结果，使用硝酸盐作为电子受体，先还原为亚硝酸盐，然后还原为铵，如图12A所示。
另外，在盐水测试期间，封闭水域中的总溶解氮(TDN)通常比开放水中的总溶解氮更高。此结果与高微生物呼吸作用和溶解氮从颗粒分解时一致。在一些实施例中，在外壳的低能量环境中的颗粒沉降导致溶解的营养物向封闭的水域的沉降来源。在一些实施例中，外壳底部的这种沉降、死的、垂死或分解的颗粒可以解释外壳水和开放水内的水化学和水质差异。这些分解的颗粒或沉降物可能消耗外壳结构中的大部分溶解氧。
随着呼吸释放CO2，这进而可以降低pH以驱使或还原为碳酸盐。通过产生海水中碳酸的增加，水会导致酸性条件更高，从而降低了pH量度。生物对溶解氧的减少迅速做出响应，特别是当溶解氧开始达到3mg/L或2mg/L的水平时。水的这种差异可能会导致生物无法产生壳或产生更薄的壳。此外，如果氧差异太大，这种差异可能会导致生物无法沉降或游动和/或移动到不同位置。
在外壳结构装置范围内，碳酸盐化学似乎也改性了，其中随时间推移，夹带的水对碳酸钙的矿化变得更具腐蚀性。为了能够比较实验期间采样的开放水与封闭水域，针对在特定时间点采样的每个水体，可以使用评估碳酸盐水化学变化的NOAA CO2Sys程序来产生单个综合量度，文石的饱和指数((Ω-Ω)。文石(文石是碳酸钙矿物的结晶形式)饱和指数(Ω)是指示海水中碳酸钙的超饱和度的无量纲数。大于1的值表示过饱和(文石的大小会增加)，并且小于1的值表示未饱和(文石会溶解)。化学海洋学家依靠Ω值来确定给定海洋水体下海洋酸化的幅度和趋势。下降的Ω趋势被视为是对碳酸钙形成的腐蚀威胁。Ω的确定取决于以下参数；盐度、水温、深度(作为压力)、磷酸盐、二氧化硅、铵、碱度和pH。将所有这些参数整合到单个统一的量度中可以直接比较在沉降实验期间采集的水体样品(如图12B所示)。
分析了雷德菲尔德比率或雷德菲尔德化学计量，以了解在外壳结构内部水域内和开放水中海洋浮游植物中发现的碳、氮和磷酸盐的原子比。利用此理论研究了海水中碳:氮:磷的比率＝106:16:1时的营养限制。基于外壳内水域中铵(即氮)和磷酸盐的浓度水平增加，确定在一些实施例中，与开放水相比，外壳内水域中可能不存在任何营养限制。
在一个实施例中，外壳可以用作用于细菌定殖和宏观结垢沉降的底层。溶解氧、氨、亚硝酸盐和硝酸盐的自由交换可以跨可渗透外壳发生。在一个实施例中，宏观结垢和/或细菌生物膜的呼吸可以解释跨可渗透外壳的大部分氧气和/或化学养分吸收。当水通过或交换进入可渗透外壳时，生物膜可能会消耗氧气、氮气、磷酸盐和其它营养物。细菌生物膜可以开始参与外壳的氧气吸收率(OUR)，直到外壳水域相对于生物膜OUR达到稳定状态。在一个实例中，相对于生物膜，外壳内的水中营养物的稳定状态可能发生在少于12个月、少于6个月、少于3个月内、1到60天、1到30天或在第58天处。在许多实施例中，在外壳内或外壳表面上生长的细菌生物膜和在外壳外表面上生长的无脊椎动物宏观结垢物可能负责建立和维持固定薄膜屏障，这可以提供显著防污保护。在一些实施例中，薄膜屏障可以是防止在由织物结构封闭的水室内发生生物结垢的机构。
通常，未电离的氨(NH3-N)对水生物种和海洋物种两者的毒性都很高，在接近100μg/L(ppb)的水平处。在第7天后，从装置内观察到的NH3-N浓度已接近毒性水平的20％，并且可能更高。装置内毒性的另一个潜在诱因是亚硝酸盐(NO2)，其在1ppm的水平处被视为是有毒的。在盐水实验期间，装置中的溶解氧并未下降至低氧水平(缺氧发生在溶解O2低于2mg/L时)，然而呈下降趋势。由于这种水化学作用机构不依赖于任何特定的微生物生物膜，因此其对于淡水应用也很重要。
在另一个实例中，从密尔沃基的威斯康星大学(UWM)的实验中采集并分析了水化学和水质淡水样品。部署外壳结构，以保护阀门和船只免于大湖区的结垢。浸没1个月后，在外壳和开放水内采集水样品。这些结果呈现在表5E-5G中。如表5E所示，淡水中的铵、亚硝酸盐，N+N、TDN、DON、磷酸盐和二氧化硅显著不同，其中大湖区中的两个单独位置之间的大多数化学均显著不同。与开放水相比，外壳结构内部水域中的码头(M)处的淡水展示了显著更高的铵、TDN和磷酸盐浓度。与UWM的海堤的开放水相比，外壳内部水中的亚硝酸盐、N+N、磷酸盐和二氧化硅的浓度均显著更高。这些结果可能表明外壳结构外部具有更大的生物活性，其中细菌、蓝细菌和浮游植物利用可用的营养物进行生长。
表5E：外壳和开放水内淡水的水化学结果。
表5F：外壳和开放水内的淡水的另外的水化学。
表5G：外壳和开放水内的淡水的另外的水化学。
表5F示出了大湖区中以下两个位置的1个月的淡水温度、导电率、溶解氧和pH结果：码头(M)和UWM的海堤(UWM)。外壳结构内部水中溶解氧浓度与每个位置的开放淡水中的溶解氧不同。在另一个淡水实验中，针对2个月后在保护金属阀门的外壳结构内部夹带的水域以及大湖区类似位置处的开放水，分析水化学样品。表6G呈现了淡水温度、导电率、溶解氧(OD)、pH、浊度和叶绿素的测试结果。外壳内的水域和开放水之间的溶解氧、pH和叶绿素示出显著差异。与开放水相比，局部水生环境(外壳内的水域)中的溶解氧和pH更低。与开放水相比，局部水生环境中的叶绿素读数显著更高。可以基于以下理解来解释溶解氧、pH和叶绿素的差异：在有氧环境中细菌的呼吸作用比藻类的光合作用或养分吸收更大或更重要。淡水测试得出与盐水测试类似的结论。
在另一个示例性实施例案中，如下表6A和6B所示，对于结合了用154(3500cP，原始配方)或153(3500cP，无丙烯酸配方)水基杀菌涂层涂覆的纺制聚酯织物的各种外壳，使用商业印刷工艺的30或40丝网(有或没有真空)和开放水样品获得了水化学结果。总体而言，总共测试了8种处理：154-30v、154-30nv、154-40v、154-40nv、153-30v、153-30nv、153-40v和153-40nv以及开放水样品(对照)。使用公开的方法采集每种织物类型的渗透率，并且提供以下样品关键：
表6A-样品关键
使用水化学核心取样器从较低可渗透外壳154-30nv、153-40nv和153-30nv，较高可渗透外壳153-40v和154-40v以及开放水(对照)中采集水样品。测试结果证明，从外壳内采集的水样品与开放水样品之间的营养水平存在可观察到的差异。与开放水样品相比，渗透率较低的外壳示出更大的营养物含量差异。通常，与开放水相比，外壳内部的水营养物含量更高。另外地，观察到外壳内的水的pH与开放水的pH相比。取决于外壳设计，基材组成和/或其它目标以及各种环境条件和/或水条件，外壳内的pH可能高于开放环境的pH，或者新型外壳内含有的水可以反映出比开放水更低的pH或更酸性的pH，这可能构成促进一些外壳设计的生物结垢有效性的差异化的环境的关键水化学“差异”。
表6B：水化学和渗透率
生物膜和/或薄膜的形成
在本发明的各个方面中，如本文所描述的，对外壳的正确设计和使用可以在外壳内产生影响和/或引起在基材的表面上形成生物涂层、层和/或生物膜的“不同的环境”，所述不同的环境有效减少和/或防止生物结垢生物在基材上的沉降。在本发明的一些方面，这种减少和/或预防可能是由于阻止(例如，减少、最小化或防止)生物结垢生物的幼虫沉降的一个或多个局部沉降线索，这可以包含阻止基材上的沉降，而在本发明的其它方面，减少和/或预防可能是由于缺少促进生物结垢生物的幼虫沉降的一个或多个阳性沉降线索，这可能类似地减少了在基材上的沉降(和/或其存在和/或不存在沉降线索的各种组合可以涉及各种实施例)。在本发明的另一方面，外壳可以促进微生物的生长，所述微生物的生长产生一个或多个局部沉降线索，所述沉降线索阻止由外壳形成的差异化的水生环境内的生物结垢生物的幼虫的沉降。在本发明的另一方面，外壳可以促进微生物的生长，所述微生物的生长产生一个或多个局部沉降线索，所述沉降线索阻止生物结垢生物的幼虫沉降到外壳材料本身上和/或内。因此，在本发明的这些方面，生物结垢生物的幼虫可能不能或不太可能沉降或附着到被外壳保护的浸没的基材或一个或多个基材部分上。
在各个实施例中，生物膜可以在受保护的基材上形成，可以在外壳的外部和/或外壳的内部形成。基于细菌的量、蓝细菌、硅藻、不同细菌门、多样性、厚度和完整性以及其它量度，每个位置上的生物膜可能会不同。
图14描绘了一个示例性“标准”进程或定殖序列，所述序列通常导致在浸没在如海水、盐水和/或淡水等水性介质中的基材上建立结垢群落。以此序列，将基材浸没在水性介质中会立即启动大分子吸附的物理过程，然后是原核细胞和细菌迅速着陆，附着并在海洋环境中的任何表面上形成菌落。在一些情况下，随后形成的微生物生物膜然后可能会促进藻类孢子、原生动物、藤壶藻和海洋真菌的附着，然后使其它海洋无脊椎动物幼体和大型藻类沉降，而在其它情况下，宏观结垢物可能会在没有生物膜的情况下沉降而一些其它宏观结垢物可能更喜欢清洁的表面。
海洋结垢通常被描述为生态系统发展的四个阶段。生物膜形成的化学描述了定殖之前的初始步骤。在第一分钟内，范德瓦耳斯(van der Waals)相互作用使浸没的表面被有机聚合物的调理薄膜覆盖。在接下来的24小时内，此层允许细菌附着过程发生，其中硅藻和细菌(例如，溶藻弧菌、腐烂假单胞菌)两者都发生附着，从而开始形成生物膜。到第一周结束时，富集的营养物和易于附着到生物膜中允许大型藻类孢子(例如，肠浒苔、丝藻)和原生动物(例如，钟形虫，聚缩虫)的次级定殖者得以附着。在2到3周内，三级定殖者-宏观结垢物-附着了。这些包含被囊动物、软体动物和固着腔肠动物。
然而，在利用如本文所描述的外壳的情况下，基材上的生物定殖序列可以变化。例如，可以中断(破坏、更改等)基材上的生物定殖序列，以减少和/或最小化受保护基材的沉降、募集和最终宏观结垢。一旦定位在基材周围，外壳的可渗透的保护织物壁可以期望地过滤和/或阻止各种微生物和/或宏观生物进入外壳，以及潜在地更改外壳内水化学的各个方面。
图15以图形方式描绘了在开放样品的基材(最左边的六个条)和海水中各个外壳实施例内的基材(最右边的六个条)上形成的生物膜中细菌门的各种分布，其中含有基础数据的表7(下文)如图15所描绘。在由外壳保护的基材或其它制品上形成的细菌生物膜与在靠近所述受保护制品的公海或其它水性环境中在基材或其它物体上形成的任何天然生物膜有意义地不同。在各个实施例中，外壳的适当设计和操作将期望地引起和/或促进某些微生物组合的生长和复制，其中许多微生物通常在自然环境中以不同(即，常常相对较低)的水平发现，并且这些微生物的组合可能具有促进对其它生物的某种“募集和沉降”行为的能力，将基材表面鉴定为不适宜和/或“不太期望的”(并且通过多种方式表明此事实)。
DNA分析证实，在各种受保护的外壳实施例内部的PVC和青铜基材上形成的表面生物膜与在外壳外部的类似基材上形成的生物膜显著不同，并且对于存在于外壳内的生物膜形成群落以及在外壳的内壁表面中/上形成的生物膜也是如此。例如，与在本发明的外壳保护下的PVC和青铜制品试样上出现的生物膜相比，在开放水中出现在PVC和青铜制品试样上的生物膜更厚且更多样化。另外，在开放水中在制品上观察到宏观结垢；而在被外壳保护的基材上几乎没有或没有宏观结垢。在一些实施例中，与具有不同量的硅藻、细菌、蓝细菌和不同细菌门分布的开放生物膜相比，封闭的基材上的生物膜多样性较小。另外，对于每种外壳设计，在每个外壳内(和/或在每个基材上)的优势细菌门和细菌分布明显不同。例如，如在图15中最佳可见，并得到表7的数据的支持，纺制聚酯外壳(最右边的三个条)内的PVC基材主要被变形菌(条形顶部的分组)和拟杆菌(条底部的第二大分组)主宰。相比之下，纺制聚酯外壳内的青铜基材(条6至9)被变形菌主宰，其中其余部分则被拟杆菌主宰。生物膜中优势细菌门的分布图适用于开放的青铜条(第一至第三列)、开放的PVC条(第四至第六列)、封闭的青铜条(第七至第九列)和封闭的PVC条(第十至第十二列)。另外，封闭基材的生物膜“完整性”与开放样品不同，因为与开放基材相比，封闭基材中的一些封闭基材上的生物膜似乎更易于从基材表面去除和/或清洗。
表7-细菌门在生物膜中的分布
在许多实验中，将各种基材浸没在水性环境(即，天然海水)中，其中在浸没的三周的时段内，一些基材被外壳设计(如本文所描述的那些)保护，此时，从海水中去除基材，并且对外壳和所得的基材表面生物膜(其在所述时间期间已在这些基材上形成)进行DNA分析。通过外壳保护的青铜基材与未受保护的(即开放式)青铜基材之间的视觉比较描绘了受保护的基材上的结垢生物明显减少。此外，已证明在开放的条上形成的生物膜(即，未受保护的PVC和青铜)比受保护的基材上的生物膜显著更厚。另外，开放样品和分化样品的生物膜之间的一个显著差异是受保护基材的生物膜中主要存在变形菌和拟杆菌，以及受保护生物膜中几乎没有疣微菌和放线菌。据信，在由新型外壳产生的人造“分化”环境内，在基材上形成的新型和/或“人工”或“合成”生物膜中，主要存在和/或不存在各种细菌是独特的并且显著不同的人工生物膜，与在开放水生环境中自然形成的生物膜层所呈现的那些正常沉降线索相比，所述人工生物膜产生不同的沉降线索(并且可能是不利的)，这从而即使在没有外壳的情况下(即，在将外壳永久和/或临时去除后)，也减少了通过微观结垢和/或宏观结垢剂使基材沉降和/或定殖的机会。
在另一个实验测试中，将一系列透明玻璃基材浸没在水性环境中并进行分析，以确定在三十天、8个月和12个月时间段内在新颖的外壳设计(如本文所描述的那些)保护和未保护的基材上形成的生物膜/结垢的厚度和类型。这些测试结果得出结论，在整个30天的测试期间，新型外壳内部的载玻片上均未发生宏观结垢沉降。相比之下，放置在开放水中的载玻片在第30天继续积累宏观结垢。开放的载玻片上的宏观结垢由水螅虫、皮壳状和树枝状苔藓虫、藤壶、管蠕虫和海绵动物组成，并且从第14天开始，开放的载玻片上的沉降显著更高。
关于各种基材上的生物膜，已确定来自保护外壳内部的载玻片上的独特生物膜是如此之薄，以至于不容易看到，其中生物膜的存在由小的粘附的沉积物团块指示。从第1天到第30天，这些受保护的载玻片中的生物膜外观几乎没有变化。相反，在盐水中浸没30天后，开放的载玻片生物膜在整个实验过程中发生了显著变化。在第1天，生物膜非常轻，并且与差异化的生物膜类似。然而，到了第3天，开放的生物膜被缘毛类纤毛虫(以生物膜为食的掠食性纤毛虫)主宰。在第7天，开放的生物膜的可见部分由硅藻、蓝细菌和微藻类以及以固着生物膜生物为食的微观运动性生物(纤毛虫、鞭毛藻等)组成。这些未受保护的生物膜在第14天甚至更厚并且更发达，并且积累了丝状藻类。另外，在第1天、第7天和第14天，开放水中的溶解氧水平显著高于新型外壳内的溶解氧。此外，第14天后，开放水中的液体pH显著高于新型外壳内的pH。
在盐水中浸没一年后，检查了用织物防污外壳保护的玻璃基材的生物沉降。浸没12个月后，在受保护的玻璃基材上没有发生生物的主要或次要生物结垢或沉降；然而，在被织物外壳保护的玻璃基材上形成了生物膜。此12个月的生物膜的范围从一些基材上的斑点状零散的不连续的薄层到完全跨其它基材上的表面延伸的连续薄膜层。与30天后在玻璃基材上的生物膜相比，这些12个月的生物膜结构更加发达和复杂；然而，30天后未受保护的玻璃基材上的生物膜比12个月后受保护的玻璃基材上的生物膜以指数方式更发达、复杂且更厚。12月后，受保护的玻璃基材上的生物膜中没有蓝细菌或硅藻，除了少数被捕获(但未沉降)的中心硅藻。受保护的玻璃基材上12个月的生物膜的结构含有被胞外聚合物质(EPS)捕获的淤泥，并且一些玻璃基材上还含有管蠕虫(螺旋虫(spirorbid)和水螅虫)的低覆盖。
有多种范围为物理到生化的幼虫和/或其它沉降线索。这些线索表明存在有利或不利于沉降幼虫的栖息地。物理线索可以包含光和颜色、电流方向和速度、氧气、朝向、纹理、声音和表面能量/可湿性沉降。表明存在掠食者或上级竞争者的其它线索可能会抑制沉降。现有结垢可能会增强或抑制沉降，并且效果可能会根据现有物种和沉降物种而变化。出于本公开的目的，局部沉降线索可以意指局部水生环境中的当前状况和历史标志物，所述当前状况和历史标志物向水生生物的幼虫提供促进或阻止(包含不存在促进)局部水生环境中的沉降的信息。在本发明的方面，外壳与基材和/或差异化的水生环境结合限定局部水生环境，所述局部水生环境产生和/或促进产生不促进和/或积极阻止水生生物在基材上和/或外壳上/内的沉降的局部沉降线索。在本发明的各个实施例中，提供了一种新型的外壳或一种或多种其它装置，所述外壳或其它装置引起、促进、启用和/或促进形成至少一个外源性局部沉降线索。
可以预期，一旦存在或建立具有或不具有局部沉降线索的生物膜或其它层，在外壳不再与基材接合或从基材上去除后，这些线索可能会与基材/在基材(例如，被外壳充分保护的表面)上保留一段时间。例如，一旦局部沉降线索与基材相关联或存在于基材上，则可以去除和/或损坏外壳，并且局部沉降线索中的至少一部分应持续存在于基材上以提供持续的信号以阻止和/或不促进宏观结垢生物的沉降。作为实例，在去除(和/或损坏)外壳之后，局部沉降线索的这种预防效果可能会保留在船体上，并且可能继续阻止沉降。沉降的这种阻止可能会延长多达约两(2)年、至少1.5年、至少1年、至少9个月、至少6个月、至少3个月、至少1个月、至少1周、至少3天、至少1天和/或至少12小时的时间段。此外，在其上产生的生物膜或一个或多个其它层可以抗去除，并且因此可为可移动和/或移动的浸没和/或部分地浸没的表面和/或物品(包含用于产生推进力的物品，如螺旋桨叶片和/或轴)提供持续保护。因此，本文所描述的外壳和本发明的过程可以允许基材的“接种”以防止生物结垢，由于局部沉降线索(LSC)的持续作用，所述接种可以持续一段时间。
在各个实施例中，提出水化学的变化(包含测得的所有参数)可能至少部分是由于生物结垢生物在外壳结构的织物的外表面、内表面或内部的积累所致。在一个实施例中，在外壳结构的外表面上形成的外部生物膜在第13天积累并且很明显，其中在第30天成熟并形成有组织的结构。在这些时间点(第13天和第30天)，外壳结构内部的溶解氧和pH显著下降。据信，在一些示例性实施例中，溶解氧和pH可以联系在一起，因为可以预期的是，外壳结构内的微生物呼吸导致氧气的减少和二氧化碳的相对增加。水中碳酸的增加会导致更酸性的条件，从而降低水中的pH。
在一些实施例中，生物膜组分可以用作对适当的沉降位点的线索。进一步，无脊椎动物幼虫的细菌线索的受体对于每种生物可能是独特的。对于许多生物而言，响应于表面生物膜而发生沉降。基材表面上的生物膜与外壳表面上的生物膜的差异可能导致生物沉降在一个生物膜上，而不是另一个上。优选地，沉降将发生在外壳表面上的生物膜上，而不发生在基材表面上的生物膜上。
在至少一个另外的实施例中，外壳结构表面上的一个或多个生物膜可以充当“生物过滤器”和/或利用或消耗营养物(即，氧气、氮气、碳、磷酸盐等)，因此不允许营养物中的一些或全部营养物质通过或迁移到外壳结构内部的水中，这在水化学数据表明与结构内的封闭水域相比，在开放水发生更多的呼吸或吸收营养物的情况下可以得到证实。这两个群落(在织物内生长的细菌生物膜和在结构的外表面上生长的无脊椎动物宏观结垢)可能负责建立和维持提供防污保护的固定薄膜屏障-可以防止生物结垢免于在结构所封闭的室内发生的至少一种机构。
在另一个实施例中，可以在外壳结构的表面上生长一个或多个生物膜，以保护基材并且延长外壳的寿命。这些保护性生物膜可以定位于外壳的外表面上、外壳的内表面上或者可以是穿透性的或处于外壳的一个或多个壁内。在一些实施例中，三维复丝纺织品外壳结构可以提供比平坦表面显著更有效的接触表面积，因此，驻留在其上的生物膜可以显著更活跃和/或可以被优化以提供更高的保护。
任选的杀生物剂涂层和/或整合
在一些示例性实施例中，所公开的外壳可以不包含和/或不需要对外壳使用一种或多种补充的杀菌剂和/或防污剂以为外壳材料和/或基材提供足够的生物结垢保护，这可以包含在一定的浸没时段期间，当结垢压力可以使得未受保护的织物免于宏观结垢时，和/或在未经涂覆的外壳在期望的时间段内可以足以为所含有的基材提供保护情况下，使用未经涂覆的织物外壳。类似地，所公开的外壳可以利用以不同程度提供此类保护的多种外壳设计(包含紧密包裹外壳、包外壳实施例和/或“裙”外壳实施例)，为基材提供保护，使其免于破坏性和/或侵入性生物，如木钻结垢生物(即，蛀船蠕虫或“船蛆”和其相关细菌)。
然而，在各种替代性任选实施例中，外壳壁结构的表面的至少一部分可以被杀菌漆、涂层和/或添加剂浸渍、注入和/或涂覆有杀菌漆、涂层和/或添加剂。在一些其它实施例中，可以将一种或多种杀菌剂和/或防污剂整合到外壳壁和/或其其它部分中，以期望地保护外壳自身免于不希望的结垢。在一些示例性实施例中，织物或材料可以充当杀生物剂的载体。
通常，通过化学或生物学手段对任何不希望的或不期望的生物体具有破坏、阻止、使无害化和/或发挥控制作用的能力的杀生物剂或某种其它化学品、化合物和/或微生物可以任选地结合到材料的某个或某些部分中和/或上，如在材料或材料组分的制造期间，或者可以在制造后将杀生物剂等引入到材料。期望地，材料中/上的一种或多种杀生物剂将抑制和/或防止水生生物在外表面上和/或外壳内的开口内定殖，以及排斥、使结垢生物没有能力、危害和/或削弱生物结垢生物使其足够小以试图或成功地穿透外壳中的开口，使得所述结垢生物在结构与基材之间的人工或合成局部水生环境中繁衍的能力较弱。在各个实施例中，外壳期望地结合有一种材料，所述材料在使用寿命不少于约3到7天、7到15天、3到15天、至少1个月、至少3个月、至少6个月、至少12个月、至少2年、至少3年、至少4年和/或至少5年或更长内维持足够的强度和/或完整性以允许保护和/或抑制生物结垢(和/或使得能够产生期望的人工局部水生环境或合成局部水性环境)。
在外壳的至少一个示例性实施例中，外壳可以结合涂覆、涂漆和/或浸渍有杀生物剂涂层的材料，所述材料在期望的深度上期望地粘附和/或穿透该材料(其可以包含仅在织物一侧上的材料的表面涂层，以及可以穿透织物1％到99％的涂层，以及可以完全穿透织物并且涂覆织物的所有相对侧的一些或部分的涂层)。期望地，杀生物剂将减少和/或防止材料上的生物结垢的类型、速度和/或程度，和/或可能对试图穿过材料中的开口进入差异化的水性环境的微生物具有某种有害作用(并且可能也对已经存在于外壳中的微生物有某种作用)。在各个实施例中，沿三维“进入路径”进入外壳的杀生物剂涂层或油漆的存在(即，当微生物穿过材料的开口和/或孔时)将期望地提供更大的表面积，并且证明比如今在海上使用的刚性浸没表面上利用的标准2油漆杀生物剂覆盖范围(即，硬平面涂层)更有效。在各个方面，尤其是在织物基质材料高度原纤化和/或纤毛化的情况下，此类材料的涂层可以期望提供更高的织物“功能表面积”以使杀生物剂涂层粘附，这期望地增加了潜在的抗生物结垢的功效，因为当生物穿过织物时，它们更可能靠近这些小纤维(和驻留在其上或其中的杀生物剂油漆、涂层或添加剂)和/或与之接触进行定位。
在各个替代性实施例中，外壳可以结合涂覆、漆涂和/或浸渍有杀生物剂涂层的材料(其可以包含仅在织物的一侧上的材料的表面涂层，以及可以从织物正面和/或背面延伸一定量进入织物的孔中的表面涂层)，其可以包含织物的一个表面上的涂层，所述涂层穿透进入织物的孔中多达5％、进入织物的孔中多达10％、进入织物的孔中多达15％、进入织物的孔中多达20％、进入织物的孔中多达25％、进入织物的孔中多达30％、进入织物的孔中多达35％、进入织物的孔中多达40％、进入织物的孔中多达45％、进入织物的孔中多达50％、进入织物的孔中多达55％、进入织物的孔中多达60％、进入织物的孔中多达65％、进入织物的孔中多达70％、进入织物的孔中多达75、进入织物的孔中多达80％、进入织物的孔中多达85、进入织物的孔中多达90％、进入织物的孔中多达95、进入织物的孔中多达99、穿过织物的孔和/或从孔延伸到织物的相对表面上的多达100％。
在各个实施例中，在一些实施例中，另外结合杀生物剂涂层或其它涂层/添加剂还期望地改善外壳和/或其组件的耐久性和功能寿命，因为生物结垢生物和/或其它有害试剂应在浸没之后的一段时间内，抑制和/或防止其在柔性织物和/或穿孔中定殖，从而期望地保持外壳壁的柔性、穿孔性质以及随之而来的优点。在主要将杀生物剂保留在织物基质附近的情况下(即，具有非常低的杀生物剂洗脱水平或没有杀生物剂的洗脱水平)，杀生物剂将期望地显着抑制外壳壁的生物结垢，同时外壳和其中产生的“差异化的水性环境”的存在将减少和/或抑制受保护基材的生物结垢。在各个示例性实施例中，杀生物剂在差异化的水性环境内的水中和/或与外壳相邻的开放水中(即，低于30ng/L)具有极低的可检测水平和/或没有可检测的水平，并且仍然保留保护外壳和/或基材免于生物结垢的高度有效。如图28A所示，在人工海水中，从外壳中杀生物剂的释放速率被检测为0.2-2ppm和/或在7天之间更低，并且在局部低浓度下(即杀生物剂的释放速率)被检测为0.2-2ppm和/或在人工海水中的7天之间更低，并且有效保护外壳免于生物结垢。
可以将结合各种杀生物剂和/或其它分配和/或洗脱材料的各种补充涂层结合到给定的外壳设计中，以提供各种防污优点。例如，图28B和28C描绘了各种涂层和/或外壳设计的各种杀生物剂释放速率，所述涂层包含以不同的量和/或时间释放econea和/或吡啶硫酮的涂层，包含最初具有在浸没之后仅几天和/或几周之后显着降低的高释放速率的实施例，以及最初具有随浸没时间而增加的低释放速率的其它实施例。
在至少一个示例性实施例中，外壳材料可以包括具有可商购获得的杀生物剂涂层的表面和/或地下涂层的纺制聚酯织物，包含含有已注册的杀生物剂的水基和/或溶剂基涂层，以及实际上通过本领域已知的任何手段(包含通过刷涂、辊涂、漆涂、浸涂、喷涂、生产印刷、包封和/或丝网涂层(有和/或没有真空辅助))施涂于织物的涂层。可以在材料的一侧或两侧完成材料的涂层，在材料的内向侧上进行单面涂层，尽管在材料的外向侧上(即，远离基材和并且朝开放水性环境)进行单面涂层已证明显著的有效性水平，同时最小化杀生物剂含量、成本并且维持有利的柔性。尽管在本文的各个实施例中主要讨论了水基(“WB”)杀菌涂层，但是如果期望的话，溶剂基(“SB”)杀菌涂层可替代地用于多种应用(和/或与水基涂料组合)。
在各个实施例中，对涂层使用各种印刷工艺可以具有附加的益处：允许将可见的图案和/或徽标结合到外壳壁中和/或外壳壁上，这可以包含营销和/或广告材料用于鉴定外壳来源(即，外壳制造商)以及鉴定一个或多个用户(即，特定的码头和/或船主/船名)和/或鉴定预期使用区域和/或条件(即“仅在盐水中浸没”或“仅在杰克逊维尔港使用”或“仅夏天使用”)。如果期望的话，可以结合各种指标来鉴定外壳的寿命和/或状况，包含在外壳的外部上印刷“替换日期”。如果期望的话，可以使用杀生物剂涂层本身来印刷可见图案，所述杀生物剂涂层可以将补充油墨和/或染料结合到涂层混合物中，或者可以使用单独的添加剂来印刷另外的徽标等。
在各个实施例中，尽管每平方米施涂少于220克(包含每平方米100克或更少)以及每平方米施涂超过235克(包含每平方米300克和更多)示出了显著的潜力，杀生物剂涂层或油漆可以期望地以每平方米220克到235克范围的量施涂到材料。在各个替代性实施例中，涂层混合物可以按混合物的各种百分比重量包括一种或多种杀生物剂，包含10％或更少的杀生物剂的重量，如混合物的2％、5％和/或7％，或更大的杀生物剂的量，包含按涂层混合物重量计的10％、20％、30％、40％、50％和/或更多杀生物剂，以及实际上涵盖其组合的范围(即，2％到10％和/或5％到50％等)。在外壳设计可能特别大的情况下，可能期望显著增加涂层混合物中的杀生物剂的百分比，这将期望地减少保护外壳和/或基材所需的涂层总量。
图29描绘了示例性可渗透织物2900的横截面视图，所述可渗透织物具有各个孔开口2910和从织物2900的正面2930延伸到背面2940的简化通道2920。还示出了含有杀生物剂或其它致弱性物质的涂层物质2950，其中此涂层物质的一些部分从正面2930延伸至少一定距离“D”到织物2900的孔开口2910和/或通道2920中。在各个实施例中，期望涂层物质将渗透到材料的织物和/或织物壁的开口/孔中的某个平均距离“D”(即，3％、5％、10％、15％、20％、25％、50％、75％或更大的穿透到织物中的深度-参见图29)。期望地，将涂层物质(其常常比其所施涂的织物在干燥配置中“更硬”)以使得织物在一定程度上允许被弯曲和/或模制的方式(即，涂层将期望地在不期望的程度上使织物明显或严重地“变硬”)进行施涂，从而允许织物形成为期望的外壳形状和/或包裹在结构周围和/或形成为柔性包和/或容器(如果期望的话)。在提供包或类似外壳(即，可闭合的形状)的情况下，可以期望在制造物品之后将涂层施加到物品上/物品中，这可以包含在一个或多个涂层下面的任何接缝和/或缝合/粘附区域的涂层和/或包封。在各个实施例中，涂层穿透深度将平均不超过穿过材料的深度的一半。
一旦涂覆有杀生物剂涂层或油漆，就可以允许材料和/或外壳在期望的时间段内固化和/或风干(对于一些商业应用中，可能花费不到两分钟，或在其它实施例中，多达一小时或更长时间)或可以利用气体、油或电加热元件强制干燥。然后可以如本文所描述使用材料和/或外壳。
在各个实施例中，外壳可以包含杀生物剂，所述杀生物剂附接到、涂覆在、包封、整合到和/或“编织到”材料的线条中。例如，可以将杀生物剂结合到含有各种浓度的一种或多种杀生物剂的条中，从而期望地防止各种动物和植物物种附着或存在于外壳上和/或外壳中。可替代地，外壳可以包含含有游离的或微囊化形式的杀生物剂的储集器或其它组件。微囊化期望地提供其中杀生物剂可以以时间依赖的方式扩散或释放到环境中的机构。填充有杀生物剂的微胶囊可以嵌入到单独的线条和/或机织材料中，而无需使用储集器或容器，或者可替代地可以将杀生物剂涂覆在纤维基材元件(即，线条)的表面和/或其间的开口或“孔”上。
设想了插入和/或施加杀生物剂或防污剂的其它方法，如使用涂层领域技术人员已知的喷涂施加。另外，外壳不需要含有单独的纤维元件，而是可以由穿孔的和/或柔韧性的片材制成，所述片材含有嵌入其中和/或涂覆在材料上的杀生物剂。为了提供固定机构，外壳可以包含紧固元件，如但不限于环和钩型紧固件，如
按扣、纽扣、扣钩、夹子、纽扣、胶条或拉链。如果期望的话，外壳可以期望地包括多个壁结构，其中每个壁结构通过缝合、编织等附接到一个或多个相邻壁结构(如果有的话)，这可以包含在一个或多个涂层下面的任何接缝和/或缝合/粘附区域的涂层和/或包封用于形成模块化外壳。如果期望的话，可以添加外壳材料扩展到外壳紧固元件之外和/或扩展到外壳紧固元件上，以保护紧固元件免于结垢。
在各个实施例中，外壳期望地包含抗生物结垢特性，所述抗生物结垢特性附着和/或嵌入到线条和/或纤维(即，纤维基质的各种元素)内，以抑制和/或防止外壳的生物结垢。在优选的实施例中，抗生物结垢剂是杀生物剂涂层，所述杀生物剂涂层包括EconeaTM(吡咯腈(tralopyril)-可从比利时的詹森制药公司(Janssen Pharmaceutical NV)商购获得)和/或奥麦丁锌(即，吡啶硫酮)，但是可以使用本领域技术人员已知的目前可获得的和/或将来开发的其它抗生物结垢剂，如锌、铜或其衍生物。此外，可以利用来自微生物的防污化合物和其合成类似物，其中这些不同的来源通常分类为十种类型，包含脂肪酸、内酯、萜烯、类固醇、苯甲化合物、苯醚、聚酮化合物、生物碱、核苷和肽。这些化合物是从海藻、藻类、真菌、细菌和海洋无脊椎动物(包含幼虫、海绵动物、蠕虫、蜗牛、贻贝等)中分离出来的。先前描述的化合物和/或其等效物中的任何化合物和/或其等效物(和/或任何未来开发的化合物和/或其等效物)中的一种或多种化合物和/或其等效物(或其各种组合)可以用于产生防止针对一种或多种目标物种的微观结垢(如生物膜形成和细菌附着)和宏观结垢(大型生物(包含藤壶或贻贝)附着)两者的防生物结垢结构，或者如果期望的话，可以用作多种生物结垢生物的“广谱”防污剂。
在示例性实施例中，期望的基于纺制聚酯纤维的机织织物可以用作外壳壁材料，其中所述织物的基础重量(包含任何涂覆或改性之前的基础织物的重量)为大约410克/平方米(参见表8)。
表8：示例性织物规格
表9描绘了可以用作具有不同用途水平的外壳材料的一些替代性织物规格。
表9：另外的示例性织物规格
对于各种结构或外壳实施例，油漆/涂层上的目标附加重量当前可设定为大约约5克/平方米到500克/平方米、约50克/平方米到480克/平方米、约100克/平方米到300克/平方米、约120克/平方米到280克/平方米、大约224克/平方米(或多达其±10％)。图27A和27B描绘了各种另外的示例性实施例，包含织物的各种涂层重量，以用于各种外壳设计。
在可能期望添加杀生物剂或其它涂层的各种实施例中，应该理解，在一些实施例中，可以在将外壳完全组装和/或构造好之后，将涂层施加到外壳，而在其它实施例中，可以在组装和/或构造之前将涂层施加到外壳的组件中的一些或全部部件。在仍其它实施例中，可以对外壳的一些部分进行预涂覆和/或预处理，而在组装之后可以对其它部分进行涂覆。此外，在制造和/或组装期间的加工和/或处理步骤可以涉及可能对杀生物剂的质量和/或性能或其它涂层特性产生负面影响的技术的情况下，可能期望在施加其涂层之前，对外壳和/或外壳组件执行那些加工和/或处理步骤。例如，在可能期望热敏感的杀生物剂和/或涂层的情况下，在施加其杀生物剂涂层之前，可以采用涉及高温的材料加工技术来产生和/或加工织物和/或外壳壁(即，以减少杀生物剂和/或涂层的热相关降解的机会)。
在各个实施例中，可以将涂层材料或其它添加剂(包含杀生物剂涂层或其它材料)施加到外壳的织物上和/或将其结合到外壳的织物中，潜在地导致渗透率水平的更改，这可以将可能不太适合保护基材免于生物结垢的材料转化为在涂覆状态下更期望保护基材免于生物结垢的一种材料。例如，未经涂覆的聚酯织物，通过实验证明其对液体具有较高的渗透率(即，150mL的液体在不到50秒内穿过测试织物)，这对于形成用于保护基材免于生物结垢的外壳不太期望，如本文所描述的。然而，当用杀菌涂层适当地涂覆到期望水平时，经涂覆的织物的渗透率可以大大降低到更期望的水平，如中等可渗透水平(即，100mL液体在50到80秒之间穿过测试织物)和/或非常低的渗透率水平(即，几乎没有液体穿过测试织物)。以此方式，如果期望的话，可以任选地为每种所选织物“拨到(dialed into)”或调整故意的渗透率水平。
在延长的时间段内的水性环境中的浸没测试期间，结合有聚酯涂覆的织物的外壳的一个实施例没有形成宏观结垢和/或非常小的宏观结垢涂层。此外，在浸没期间聚酯织物的一个实例变得渗透率更高，而另一个实例在浸没期间变得渗透率更低。
图16A描绘了未经涂覆的23×23聚酯机织织物的另一个示例性实施例，其通过实验证明对液体的渗透率较低(即，100mL液体在大约396秒内穿过测试织物)，所述渗透率可能如本文所描述的取决于局部条件处于用于形成外壳以保护基材免于生物结垢的期望的渗透率范围的低端。当涂覆时(参见图16B)，这些材料在浸没之前基本上变得不可渗透，但是在浸没之后变得渗透率更高。如先前所描述的，如果期望的话，可以为每种所需织物“拨到”或调整期望的渗透率水平。在各个实施例中，如果期望的话，给定的织物和/或外壳组件的渗透率在湿性或干性条件下可以改变或不同。
在延长的时间段内的水性环境中的浸没测试期间，未经涂覆的23×23聚酯和经涂覆的聚酯织物在外壳和/或基材上均没有宏观结垢。此外，这些材料中的每种材料在浸没期间的渗透率都显著提高，其中23×23的未经涂覆的聚酯织物在120秒内允许150mL液体通过，而第一23×23的经涂覆的聚酯织物在160秒内允许150mL液体通过，并且第二23×23的经涂覆的聚酯在180秒内允许150mL液体。
在另一个替代性实施例中，图17A至17C描绘了未经涂覆的(图17A)、涂覆有溶剂基杀菌涂层(图17B)和涂覆有水基杀菌涂层(图17C)的天然材料、粗麻布。在渗透率测试期间，未经涂覆的粗麻布织物的渗透率证明为50.99毫升/秒/平方厘米，而针对溶剂基杀菌涂层和水基杀菌涂层的，经涂覆的粗麻布织物的渗透率分别为52.32毫升/秒/平方厘米和38.23毫升/秒/平方厘米。在盐水中浸没32天后，两种经涂覆的织物的渗透率均显著提高到85.23毫升/秒/平方厘米和87.28毫升/秒/平方厘米，而未经涂覆的粗麻布织物的渗透率降低至20.42毫升/秒/平方厘米。对于结垢观察，未经涂覆的粗麻布织物经历非常小的结垢，并且经涂覆的粗麻布织物几乎没有经历宏观结垢。
另外，在另一个替代性实施例中，将1/64聚酯未经涂覆的织物涂覆有溶剂基杀菌涂层，并且可替代地涂覆有水基杀菌涂层。在渗透率测试期间，未经涂覆的1/64聚酯织物的渗透率证明为26.82毫升/秒/平方厘米，而针对溶剂基杀菌涂层和水基杀菌涂层的，经涂覆的1/64聚酯织物的渗透率分别为44.49毫升/秒/平方厘米和29.25毫升/秒/平方厘米。在盐水中浸没32天后，所有1/64聚酯织物的渗透率分别显著下降至10.99毫升/秒/平方厘米、13.78毫升/秒/平方厘米和13.31毫升/秒/平方厘米。对于结垢观察，未经涂覆的1/16聚酯织物经历一些结垢，然而经涂覆的1/64聚酯织物几乎没有经历宏观结垢。
在构造和测试防生物结垢外壳中，制造、涂覆和利用了各种不同的织物布。在第一实施例中(在图18A中以1000pm的比例尺示出)，变形聚酯布在第一表面上涂覆有杀生物剂涂层，其中显著量的此涂层完全穿过布穿透到相对的第二表面(其中第二表面的一些涂层区域比其它区域薄)。图18B以1000pm的比例尺描绘了此经涂覆的布。平均而言，此经涂覆的布具有523.54(±2.33)孔/平方英寸，其中大约小于5％的孔被堵塞(平均)。
图18C描绘了100％纺制聚酯织物的另一个优选实施例，其中图18D描绘了涂覆有杀菌涂层的此织物。在测试期间，未经涂覆的100％聚酯织物的渗透率证明为织物的10.17毫升/秒/平方厘米，而经涂覆的聚酯织物的渗透率为0.32毫升/秒/平方厘米和1.08毫升/秒/平方厘米。浸没23天后，两种经涂覆的织物的渗透率均没有显著变化，其中未经涂覆的聚织物经历非常小的结垢，并且经涂覆的聚酯织物几乎没有经历宏观结垢。然而，在各个其它实施例中，预期用于制备纺制聚酯纱线(如围绕连续芯的包芯纺纱短纤维、开口端纺纱、环锭纺纱和/或喷气纺纱)的方法也将产生有利的结果。
在另一个实施例中(图18E中所示的未经涂覆的织物，其比例尺为500pm)，随后将纺制聚酯布在第一表面上涂覆有杀生物剂涂层，其中显著量的此涂层部分地穿透布的纤维和/或孔(在一些实施例中，穿透布的渗透率多达或超过50％)。图18F示出了在1000pm时织物的相对的未经涂覆侧，其中此图还证明如果期望的话，使用此涂层技术可以实现显著的孔径减小。平均而言，此经涂覆的布具有493(±3.53)孔/平方英寸，其中大约7％到10％的孔被涂层材料完全堵塞(平均)。
实验上，所有这些织物实施例均证明期望的渗透率水平，这可能是由于大量的小孔、较小的纤维大小和/或其各种组合所致。各种涂层方法在将织物涂覆和渗透到期望水平方面非常有效，并且产生了用于结合到保护外壳中的高度有效材料。
图19和表3描绘了潜在地适合用于本发明的各种实施例的各种织物，以及这些织物在未经涂覆状态和经涂覆状态下的示例性渗透率。例如，在卡纳维拉尔港港口(美国佛罗里达州卡纳维拉尔港)中，实验确定的为0.5毫升/秒/平方厘米到25毫升/秒/平方厘米到50毫升/秒/平方厘米到75毫升/秒/平方厘米到100毫升/秒/平方厘米、或约0.1毫升/秒/平方厘米到约100毫升/秒/平方厘米、或约1毫升/秒/平方厘米到约75毫升/秒/平方厘米、或约1毫升/秒/平方厘米到约10毫升/秒/平方厘米、或约1毫升/秒/平方厘米到约5毫升/秒/平方厘米、或约5毫升/秒/平方厘米到约10毫升/秒/平方厘米、或约10毫升/秒/平方厘米到约20毫升/秒/平方厘米、或约10毫升/秒/平方厘米到约25毫升/秒/平方厘米、或约10毫升/秒/平方厘米到约50毫升/秒/平方厘米、或约20毫升/秒/平方厘米到约70毫升/秒/平方厘米、或约10毫升/秒/平方厘米到约40毫升/秒/平方厘米、或约20毫升/秒/平方厘米到约60毫升/秒/平方厘米、或约75毫升/秒/平方厘米到约100毫升/秒/平方厘米、或约60毫升/秒/平方厘米到约100毫升/秒/平方厘米、或约10毫升/秒/平方厘米到约30毫升/秒/平方厘米的渗透率范围可能足以(取决于局部条件)防止显著量的结垢在外壳上和/或内和/或受保护的基材上发生，同时仍允许足够的水流来抑制和/或防止外壳内的缺氧。另外，渗透率为0.5毫升/秒/平方厘米或更低的织物可能适用于各种外壳实施例，在所述实施力中，偶尔时段的低氧条件是可以接受和/或期望的。低于这些范围的渗透率可以在一些区域中低水移动时段期间导致缺氧条件，这在各个实施例中可能是较不期望的和/或不期望的。在另一个示例性实施例中，将至少0.32毫升/秒/平方厘米并且且多达10.17毫升/秒/平方厘米的渗透率范围确定为在外壳的使用寿命期间期望的渗透率特性的最佳范围和/或预期的渗透率变化的期望范围。在其它实施例中，可能期望的是至少1.5毫升/秒/平方厘米并且多达8.0毫升/秒/平方厘米的范围(以及本文公开的各种范围的任何组合)。在许多情况下，因为具体的结垢生物，给定区域和/或水体中的结垢入侵发生率和/或结垢生长速率可能高度取决于多种相关因素，以及在预期的使用区域(以及要保护的预期的基材等)的局部和/或季节性条件，给定外壳设计中给定织物的渗透率可接受范围可能会发生很大变化-因此，织物的渗透率可以是最佳的和/或适用于一个外壳设计和/或位置可以是较不佳的和/或不适合用于另一种外壳设计和/或位置。在图19中，图形上的“较大”和“较小”结垢箭头与在受保护的基材上观察到的结垢有关，并且其中的这些渗透率数值和范围应解释为给定织物和/或渗透率在避免给定水体中长时间缺氧条件下提供防污保护的能力的一般趋势，但不应解释为排除在其它外壳设计和/或水条件下使用给定织物。
在各个实施例中，可以期望地在其整个使用寿命中(或者，如果期望的话，直到已经建立了期望的生物膜层)将外壳的材料的渗透率原位维持在期望的渗透率范围内，使得由于外壳的结构和/或材料的变化而引起的材料渗透率的潜在增加(作为一个实例)将期望地近似由于有机和/或无机碎屑堵塞孔而导致的材料渗透率的各种预期下降(包含可能发生的材料和/或其孔的任何生物结垢)。这种平衡将期望地在延长的时间段内维持外壳的完整性和/或功能以及差异化的环境的特性，从而为外壳和/或受保护的基材提供显著的保护。
在各个实施例中，外壳壁可以结合多种材料，所述材料在延长的时间段内在水性环境中的浸没测试期间经历渗透率变化。例如，未经涂覆的合成材料通常会随时间推移而变得渗透率较低(这可能是由于一旦定位在在基材周围而使织物逐渐结垢)，而涂覆有杀菌涂层的一些材料可能会经历各种渗透率变化，包含一些实施例变得随时间推移渗透率较低。另外，未经涂覆的天然测试纤维(粗麻布)的渗透率变得更高，而经杀生物剂涂覆的粗麻布的渗透率随时间推移变得更低。在各个实施例中，改变涂层参数(即，涂层添加/厚度、施加方法、用于维持和/或增加孔径的真空施加、干燥参数等)和改变纺织品参数(即，结构、材料、初始渗透率、无论是否在干燥期间都受到约束、是否热定形等)都可以在给定的外壳设计寿命内产生大范围的期望的渗透率特性以及预期的渗透率变化。当被部署到水性环境中时，因此有可能影响(和/或控制)渗透率是否在一个或多个延长的时间段内随时间增加或降低，以及与产品生命周期的相关性。
在各个实施例中，外壳可以期望地抑制至少部分地浸没在水生环境中的基材上的生物结垢，其中外壳包含在使用期间水可渗透或变得水可渗透的材料，所述外壳适于收纳所述基材并且形成差异化的水生环境，所述水生环境从基材的表面延伸到结构的至少内/外表面，其中在将结构定位在基材上或其后周围时，所述结构或其部分的水渗透率为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低、为每平方厘米基材每分钟约100毫升水、或其之间的值或更大/更小的渗透率。
在各个实施例中，可以通过形成结构以允许水渗透通过所述结构来实现结构的水渗透率，例如通过编织纺织品以具有期望的渗透率和/或任选地用为纺织品提供期望的渗透率的杀生物剂涂层涂覆纺织品(或不含杀生物剂的涂层)。在一些实施例中，结构可以被设计成在使用时随时间推移而变得水可渗透。例如，另外的水可渗透结构可以具有最初使其基本上不可渗透的涂层，但是当涂层消融、侵蚀或溶解时，下面的渗透率增加和/或变得有用。
图20和表10(下文)描绘了结合可渗透织物壁的外壳的水渗透率的一个示例性测试。在此实施例中，在水性环境中的外壳中产生了最初的高浓度罗丹明，并且然后随时间推移测量了罗丹明浓度，以确定当水交换进入和流出外壳的可渗透壁时此标志物的浓度如何下降。所述测试表明罗丹明在此外壳中的停留时间以及其尺寸和壁渗透率为大约4小时10分钟，其中半衰期为3小时，流动速率为大约为0.0027ml/cm2/sec。
表10—罗丹明染料测试
罗丹明染料测试被用作用于确定各种测试外壳中的水交换速率的模拟物。例如，将YSI总藻类传感器(TAL)放置在装满包的船尾模拟物中。将浓度为0.9mg/L的罗丹明添加到船尾模拟物中。当数据恢复到包中颜料的本底浓度时，将YSI放置在开放水中2天，以获取开放水读数，以与未给药的包水平进行比较。从罗丹明数据计算停留时间、半衰期和流动速率。停留时间计算为罗丹明染料初始浓度的37％。半衰期计算为停留时间的69.3％(使用文献中发现的这些计算)。流动速率通过将体积乘以2倍(按1体积进一体积出计)，并且然后将其除以停留时间和表面积来计算。减去背景色素后，以mg/L表示的罗丹明浓度作图，以更好地了解稀释率。测试结果表明，船尾模拟物中的颜料浓度需要大约26个小时才能稳定回到自然水平。停留时间经计算为4小时10分钟，其中流动速率经计算为0.0027mL/cm2/s。
在各个实施例中，非常期望外壳或其部分具有最初的高渗透率，其中随后在将外壳放置在要保护的基材周围之后发生渗透率的降低。例如，具有极低渗透率的外壳在放置在水性介质中后可能维持正浮力，这可能使得即使不是不可能将外壳围绕浸没和/或部分地浸没的基材放置也很困难。相比之下，结合更多可渗透元件的外壳在部署在基材周围时可能更容易“下沉”。此类外壳可以包含高度可渗透的下部(以允许水流入并快速填充外壳)，其中其它外壳元件的渗透率更高或更低。一旦根据需要部署在基材周围，则渗透率更高的元件可以改变渗透率(即，渗透率更高或更低)，或者可以根据需要保持相同的渗透率。
在各个实施例中，在利用如本文所描述的外壳的情况下，可以中断(破坏、更改等)基材上的生物定殖序列，以减少和/或最小化基材的沉降、募集和最终宏观结垢。一旦定位在基材周围或内部(如果保护基材的内表面的话)，则外壳的可渗透的保护性织物壁可以期望地过滤和/或阻止各种微生物和/或宏观生物进入外壳，并且在一些实施例中，任选的杀生物剂涂层可以防止外壳结垢和/或在生物接触和/或穿过织物时可能伤害和/或损害所述生物中的一些和/或全部生物。如果期望的话，在最初放置在基材周围时，杀菌涂层可能会经历显著的杀菌洗脱，以建立影响结垢生物的初始更高的“杀灭水平”，其中随着外壳中水化学的变化，杀菌洗脱水平会在一段时间内显著降低以产生期望的差异化的环境，从而保护基材免于进一步结垢。
在一个示例性实施例中，对通过外壳的杀生物剂涂覆的可渗透织物膜的微观浮游生物的测试表明，一些生物很可能在通过后仍保持存活和生存力，而一些其它生物则很可能受到损害和/或在通过期间中受伤。通过测试外壳内的分化水，可以加强对外壳内活的生物的观察，其中外壳内的使用附件的很大一部分微生物(如藤壶幼虫和被囊动物，速度在1-10+cm/s的范围内)以及使用纤毛的许多有存活力的微生物(如双壳类面盘幼体和管蠕虫，速度在0.5-2mm/s的范围内)似乎在杀生物剂涂覆的外壳内仍然具有存活力。但是，即使在外壳内部和/或与基材直接接触时存在活的结垢生物，外壳的保护性特征也阻止了这些活的生物和/或有存活力的生物在受保护的基材上繁衍和/或定殖。
图21描绘了通过可渗透的织物类型在各种外壳中鉴定出的各种浮游生物类型和条件(即，活的或死的)。在各种外壳测试中，结果表明，在杀生物剂涂覆的织物外壳内，游泳者的状况比良好游泳者还差，这表明杀生物剂可能已经使幼虫受伤或以其它方式影响幼虫，所述幼虫用经涂覆的织物扫入外壳，并且然后无法脱出。另外，“良好”游泳者可能已经能够游出外壳，并且“差”游泳者可能由于外壳内的水移动受限而不能离开外壳。此观察结果进一步得到了以下事实的支持：与未经涂覆的织物和开放的样品相比，经涂覆的织物外壳中的游泳者显著更差。似乎经涂覆的织物外壳中的浮游生物总数比未经涂覆的织物外壳中的浮游生物总数还要多。
尽管以具有可封闭的端部开口的柔性包型外壳的形式描述了本发明，但是防生物结垢外壳的形状可以适合任何结构。在各个实施例中，可以以卷起的片材的形式来提供外壳材料，在片材材料的外表面上施加或不施加杀生物剂或其它涂层，这可以包含显著穿透到片材材料中和/或穿过片材材料，或可以可替代地包含结合到片材材料中的杀生物剂或其它抗生物结垢材料，其可以利用微囊化来定制杀生物剂的释放。如此，可以将防生物结垢外壳放置在各种类型的水生结构上，如网、进水管道、污水管道和/或储水罐、水系统控制阀和安全阀、海上系统、灌溉系统、电力工厂、管道阀门和安全控制系统，军事和商业监测传感器和阵列等。其它实施例可以包含用于水生结构、桥梁、防洪堤、堤防和/或水坝的支撑柱。为了延长在水上延伸的地下结构的使用寿命，支撑结构和基础结构可以结合包装材料(紧密或松散地结合)和/或类似的外壳。
可能受到保护的其它物体包含拴系和/或自由漂浮的结构，如浮标和/或传感器。可以将外壳附接到浮标的靠近水生环境或与水生环境直接接触的部分，以防止在这些区域内生物结垢的积累，以及包裹或封闭/有界的信封结构、毯子和/或放置在将浮标锚定到海底的连接装置和/或电缆周围的套筒。
一旦将外壳适当地定位在基材周围并且关闭或以其它方式“密封”到期望的程度(包含可能无法完全封闭基材的实施例，和/或可能仅部分地封闭基材的实施例)，对外壳的影响将在紧包围基材和/或其它物体的区域中期望地产生独特的水性环境，其中目的是(1)缓冲和/或最小化基材从另外的有存活力的微观和/或宏观结垢剂入侵中的暴露，(2)过滤进入和/或流出外壳的任何液体，(3)减少和/或消除阳光或其它光源/能量源对差异化的环境内的基材和/或生物实体的直接影响，(4)在差异化的环境中调节溶解氧的量和/或其它水化学值，(5)在差异化的环境与开放环境之间计量、控制和/或限制液体交换，包含降低外壳内液体的速度和/或湍流，(6)将基材与电荷和/或带电结垢颗粒绝缘和/或隔离，以及(7)如果期望的话，维持差异化的环境内的与周围的开放环境的那些水化学值非常接近的各种水化学值，如pH、温度、盐度和/或其它环境因子。此外，在各个实施例中，期望通过杀生物剂涂层的活性、从外壳内部洗脱各种化学品、外壳材料的柔性和/或生物结垢剂从一个或多个外壳结构上脱落或其它脱离的可能性，保护外壳本身的一些或全部免于显著的生物结垢。
结垢重量/质量控制
在各个实施例中，可能期望外壳减少、最小化和/或防止某些类型和/或物种或结垢生物附着到外壳和/或受保护的基材上。例如，可能期望防止双壳类动物或其它“较重”的结垢生物(即，具有高结垢生物量和/或引起显著阻力的那些生物)附着到外壳，同时被如细菌菌落、中性浮力生物和/或“粘液”等“较轻”生物结垢可能是可接受的和/或期望的。在此类情况下，可以选择和/或设计外壳、任何任选的杀生物剂和/或其它外壳元件，以减少、最小化和/或防止一种或多种具体类型的此类不需要的生物的定殖。
水性环境的预调理
在一些实施例中，可能期望提供接近要保护的基材/物体的水性环境的补充改性，包含如先前所描述的在围绕物体放置外壳之前、期间和/或之后的此类改性。在一些实施例中，此类改性可以包含使用天然和/或人工机构和/或化合物来更改水化学的各种组分，如通过将一种或多种好氧微生物、化学品和/或化合物(包含氧耗竭的化合物)引入到靠近基材的水性环境中而使外壳内的水性环境中的水化学中的溶解氧加速耗竭和/或置换溶解氧或其它变化。例如，在一个实施例中，要保护免于生物结垢的物体可以包括船只的水下船体部分，其中将如本文所描述的外壳放置在船体周围，并且然后可以将包括一种或多种好氧细菌(如好氧拟杆菌)补充的氧耗竭的化合物或的物质大量和/或大批地人工引入到封闭或有界的空间的水性环境中，期望加速由外壳引起的溶解氧水平的降低。这种引入可以通过将液体、粉末状、固体和/或雾化的补充剂投入或部署到海水和/或封闭/有界的水性环境中来进行，或者可替代地在部署之前可以将氧耗竭的细菌或其它成分结合到在外壳壁的内表面中或上形成的层或生物膜中。期望地，好氧细菌可以包括已经存在于水性环境中的细菌物种，其中通过外壳侧面中的底部和/或壁/开口最终释放这种细菌不会对周围环境有害和/或造成不良后果。在其它实施例中，可以将化学化合物引入到外壳内的水性环境中以期望地从外壳内的水中吸收溶解氧，如铁粉(即，零价铁FeO或部分氧化的亚铁Fe2+)、氮气体或液氮，或如盐等添加剂可以添加到水性环境中，以减少水可以在有限的时间段内保持的溶解氧的量。
在各个实施例中，改性化合物可以包括固体、粉末、液体、气体或气态化合物和/或气雾剂化合物，所述化合物与外壳一起和/或单独地(包含在封闭基材之前、同时和/或之后)被引入到封闭或有界的水性环境中。在一些实施例中，可以将改性化合物在有限或期望的时间段内定位在封闭的或有界的水性环境内，并且在发生对水的期望的改性和/或调理(即，产生“差异化的”水性环境)之后从环境中去除。在其它实施例中，改性化合物可以分布在封闭的或有界的水性环境中，其中化合物的一些实施例潜在地溶解和/或分布在水中，而其它化合物可以保持固体和/或颗粒状态。如果期望的话，改性化合物可以包含浮力特征，所述特征期望将一些或全部化合物维持在外壳内和/或在水柱内的期望水平处(即，在外壳内的表面和/或期望深度处，如在比受保护物体的浸没深度更深的定位处)，而其它实施例可以允许化合物从外壳的底部和/或侧面离开和/或搁置在外壳内和/或附近的海港或其它海底特征的底部。在其它实施例中，改性化合物可以更改差异化的环境内的水或其它液体的密度和/或盐度，这可以减少和/或消除差异化的环境内和/或外部的液体混合在一起和/或以其它方式流动的自然趋势。在至少一个替代性实施例中，如果期望的话，一种或多种改性化合物可以释放到邻近或接近外壳的外部非封闭水域中，所述水可以流入和/或通过外壳。在其它实施例中，改性化合物和/或其成分可以组合部署，其中一些组分放置在封闭或差异化的环境的外部，而其它组分可以放置在封闭或差异化的环境的内部。
在一些实施例中，改性化合物可以附接到和/或整合到外壳的壁和/或在其中形成的袋中，包含在材料构造内和/或其中/在其上的任何涂层内。如果期望的话，化合物可以包含与水性介质反应的水和/或盐活化和/或烧蚀性材料，所述反应具有有限的持续时间，如10分钟、1小时、12小时和/或2天，在所述持续时间内化合物会影响外壳内的溶解氧水平和/或一种或多种其它水化学水平，或者可能对更长的时间段(如1周或1个月或1年)有效。如果期望的话，可以将改性化合物或其它材料定位在可替换的包中，所述包可以定位在外壳的内部和/或外部，其中包中的材料会随时间推移而“耗尽”，并且潜在地需要根据需要进行替换。
在一个示例性实施例中，改性化合物可以包括从外壳内的水性环境吸收氧气的结晶材料，如阳离子多金属钴络合物的结晶盐(如“可逆的单晶到单晶转变中的氧化学吸附/解吸(Oxygen chemisorption/desorption in a reversible single-crystal-to-single-crystal transformation)”,发表于《化学科学(CHEMICAL SCIENCE)》,英国皇家化学学会,2014中描述的)。此材料具有从空气和/或水中吸收溶解氧(O2)，并且在加热时(即，如在周围环境的阳光下被遗忘)和/或在经受低氧气压力时释放被吸收的氧气的能力。如果期望的话，可以将这种吸氧材料结合到外壳的壁材料中，使得当将外壳放置在靠近受保护基材的水内时，氧气会立即被吸收，但是此类氧气吸收将在放置之后的一段时间后逐渐消失。随后，可以将外壳壁从水中去除(如在不再期望保护之后)，并且将外壳壁留在阳光下以释放吸收的氧气并且为下一次使用“充电”。
在另一个示例性实施例中，改性化合物可以包括气体或气态化合物(如氮气或二氧化碳(或某种其它气体或化合物))，所述气体或气态化合物可以以气态形式引入到外壳中或可以在引入到外壳中后从颗粒或其它液体或固体化合物(可能包含CO2的“干冰”形式)中释放出来。此类引入或“鼓充”可以包括将氮气和/或N2气泡注入到外壳内部或外壳壁内/沿外壳壁的水中。注入可以在外壳的表面和/或在水柱内的任何深度完成。期望地，此类注入将不会在外壳内引起显著的对流，以将大量的外部水和/或溶解氧带入系统中。在一些实施例中，如本文所描述的外壳可以与安装的氮气投加系统和监测氧气水平的探头组合，所述氮气投加系统在需要时控制氮气冲洗的定期更新。在各个实施例中，可以使用带有多孔配重分配器(即，水族馆通气石)的小型氮气罐来完成氮气注入，而其它实施例可以利用现场氮气发生器从空气中纯化氮气，并且然后分配此氮气通过泵送系统。如果期望的话，氮气分配系统可以包含气泡分配系统，如果期望的话，所述气泡分配系统释放单个大小范围或不同大小范围的气泡。在至少一个实施例中，可以利用氮纳米气泡注入系统。
在至少一个替代性实施例中，适用于本文所描述的各种系统的气态化合物注入可以包括臭氧注入系统，如可从美国佛罗里达州斯图尔特的生态球技术有限公司(EcosphereTechnologies,Inc.)商购获得的
系统。
在各种实施例中，本文所描述的改性化合物将在施加几秒钟内/之后和/或施加几分钟(即，1分钟到5分钟到10分钟到20分钟到40分钟到60分钟的氮气鼓泡)内/之后和/或施加几小时内/之后引起封闭的或有界的水性环境中(即，与外壳外部溶解氧水平相比外壳内)的溶解氧水平降低至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少50％、至少70％和/或至少90％或更多。在一些情况下，在添加改性化合物之前，外壳内的环境可能已经在某种程度上更改为本文所描述的“差异化的”水性环境(即，其中化合物可以仅改变、补充、逆转、延迟和/或加速可能已经在进行的各种化学变化中的一些化学变化)，而在其它实施例中，在添加改性化合物之前，外壳内的环境可能具有与周围的开放水性环境类似的化学。
在各个替代性实施例中，改性化合物可以包括更改外壳内的水化学中的一种或多种成分的材料，而不是溶解氧水平的一种或多种材料，或者改性化合物可以包括更改外壳内水化学中的一种或多种另外成分与外壳内溶解氧水平的一定水平的改性的组合的材料。水化学的此类另外成分可以包含pH、总溶解氮、铵、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷酸盐、二氧化硅、盐度、温度、浊度以及本文在各个位置所描述的其它成分。在另一个实施例中，可以使用二级预处理/掺杂剂、化学品、粉末或类似物对水进行预调理。
在各个实施例中，可以基于以下确定给定外壳期望的改性或“预调理”化合物(或化合物组合)或“调理”或“连续调理”或“后调理”的量和/或类型：(1)基于外壳的横截面(即，横向和/或竖直)大小，(2)基于外壳内含有的水性介质的体积，(3)基于受保护物体的润湿的表面积和/或深度，(4)基于外壳内和/或外部的水性环境的化学和/或环境特征，(5)基于一个或多个开口的大小和/或外壳外部水的深度，(6)基于封闭或有界环境与周围的水性环境之间的水交换量和/或(7)其各种组合。
在各个实施例中，采用氧气“清除剂”和/或改性剂和/或增氧剂和/或吸收剂和/或“置换剂”或类似的物理、化学和/或生物过程(可能影响封闭或有界环境内的溶解氧或可替代地某个其它元素和/或化合物)作为在外壳放置和/或基材放置时间之前/之后处或立即更高外壳内水化学的初始手段可以期望减少和/或消除当溶解氧或其它水化学水平处于不期望的水平时(包含在初始外壳部署期间)，在以下情况下，在外壳内可能发生的生物结垢，其中初始外壳部署可能次优的(即，由于人为失误)，其中通过打开或关闭外壳或其部分，有意地“破坏”了外壳，其中外壳在使用期间以某种方式损坏和/或其中自然环境条件特别适合发生生物结垢(即，其中水移动将差异化的环境与外部环境之间的水交换速率提高到不期望的水平，和/或在特别严重的生物结垢发生期间，如在春季或夏季的白天或“重生物结垢季节”)。期望地，清除剂可以在外壳内快速降低溶解氧水平或在外壳内产生其它目标水参数，以便在有限的时间段内开始抑制和/或减少由外壳引起的生物结垢，从而允许外壳在较晚的时间段处正确地部署和/或修复和/或由于自然过程较慢而允许外壳内的人工条件稳定到期望的水平。在各个实施例中，如果期望的话，在外壳已经打开了一段时间(如允许物体进入或离开外壳)之后，可以在放置外壳之后在相当长的时间内可替代地进行此类采用，以在期望的程度上和/或在有限的时间段内“刷新”或以其它方式更改水状况和/或在必要和/或期望时允许修复和/或替换外壳组件。与氧气还原作用相反，在一些实施例中，氧气源或其它改性化合物的分散体(即，直接注入气态氧气和/或引入可能直接或通过某种化学反应释放氧气的化学品)或在一些实施例中，某种其它氧气添加活性(即，手动搅动外壳的水表面)对于在经历不期望的缺氧条件的外壳中瞬时增加溶解氧水平可能是有用的。
在各个实施例中，改性化合物可以以期望的方式影响其它水化学特征，其可以包含由改性化合物直接引起的影响以及可以与由改性化合物引起的初始影响“级联”的影响。在一些情况下，与周围的开放水性环境相比，其它水化学可能受到的影响最小和/或不受“影响”。可能潜在地“不同”和/或可能保持相同(即，取决于改性化合物的类型和量、剂量方法和/或给药频率以及外壳设计的各个方面和/或其它环境因素(如位置和/或季节)的一些示例性水化学特征可以包含溶解氧、pH、总溶解氮、铵、硝酸盐、亚硝酸盐、正磷酸盐、总溶解磷酸盐、二氧化硅、盐度、温度，浊度等。例如，除氧剂、吸收剂和/或置换剂可能潜在地影响其它水化学特性，所述水化学特性可能会直接影响或用于靶向或改性其它条件(和/或在除氧剂耗竭和/或利用很久以后就包含生物结垢作用的扩展)。
在仍更多替代性实施例中，改性化合物可以包含以多种方式更改各种水化学特征的物质，包含可以增加和/或降低本文所描述的水化学水平中的一种或多种水化学水平的物质。例如，在外壳可能经历潜在地使渗透率和/或水交换速率降低到低于期望的阈值水平的一些结垢或其它事件的情况下，则可能期望在一定程度上补充外壳中的溶解氧水平(即，避免缺氧条件)，这可以包含添加将一定水平的溶解氧释放到差异化的环境中的化学品和/或化合物。可替代地，可以利用物理混合设备和/或其它曝气源来在期望的时间段内直接增加外壳的水内的溶解氧水平。
在一些情况下，可能期望构建供应的水显著少于一天或甚至几小时的耗水量的外壳，特别是在设计约束可能受可用不动产数量、环境问题和/或水性介质的其它同时使用限制的情况下。在此类情况下，可能期望提供连续和/或周期性的水调理处理，如先前所描述的，其可以人为地引起和/或加速本文所描述的各种水化学因子。在此类情况下，可以定期和/或连续地监测外壳内的水化学，其中根据需要对外壳内的水施加一种或多种水调理处理。例如，可以通过将一天左右的预期需求量与所需的“停留时间”进行比较来确定期望的最小外壳大小，以允许水化学达到期望的和/或可接受的水平。但是，在无法达到最小外壳大小的情况下，或者在水化学变化需要达到大量时间的情况下，可能期望根据需要对水进行调理，这可以包含当外壳内的水被排干并替换时，定期的“复新”处理。此外，在不期望使用大型外壳的情况下，如果期望，可以在较小的外壳中和/或甚至在设施的吸水管道内连续利用本文所描述的各种水调理处理。在此类情况下，本文所描述的各种水调理处理可以用于用氮气或其它气体和/或化学品连续地调理水(如在水厂中)。在给定外壳内没有足够的停留时间来完成批处理，或者在一定范围内可以期望用闭环处理技术来连续处理水(即，利用闭环测试和处理环来确定和/或维持期望的水化学水平(氧气水平等))的情况下，则此类处理可能特别有用。在各个实施例中，本文所描述的各种外壳和/或水调理处理可以根据需要分开和/或一起利用，这可以包含在低需水时段期间仅使用外壳，并且如果期望的话，可以在较高的用水需求时段期间同时使用两种技术。以类似的方式，本文所描述的水调理处理可以在低需水时段期间单独利用，其中在较高需水时段期间同时使用两种水调理和同时外壳。还应理解，不同的环境条件可能需要对水性介质进行不同的处理，包含温度和温度、日照、盐度、高/低水位、高/低结垢季节等的季节和/或其它差异。
在一些实施例中，可能期望对现有的水体进行改性以包含本发明的外壳的各种特征，如利用天然或人工水源来提供冷却水和/或一些其它工业过程的水。例如，能量产生设施常常每分钟利用300,000到500,000加仑的水(或更多)来冷却发电机组，而典型的大型炼油厂可以每分钟利用350,000到400,000加仑。在此类情况下，构造含有一整天用水量的单个外壳或一系列外壳可能是不经济、实用和/或不期望的。而是，结合了本文所描述的“部分”外壳和/或外壳组件(即，竖直片材和/或裙)的各个实施例可以用于为现有的天然和/或人工储集器内的水创建曲折路径以调理水以满足期望的水化学水平，并且可以包含使流动的水的表面暴露于大气以促进储水器的蒸发冷却和/或沿曲折的流动路径的水的湍流混合的特征。
如果期望的话，可将一种或多种改性化合物释放到外壳中的一个或多个外壳中，或者可替代地，可以释放和/或放置在外壳中的一个或多个外壳邻近或附近的外部非封闭水域中。
在一些情况下，如在相对较高的水流量和/或较大的水交换％时段期间，可能期望利用预调理材料来增强、补充和/或替换本文描述的各种外壳特征和/或防污保护机构。例如，在增加的水流量和/或增加的水交换可能在一定程度上更改外壳内的差异化的环境以允许发生显著结垢的情况下，可能期望将预调理材料分配或施加到外壳中和/或附近以在增加流量时段期间更改水化学以减少结垢。取决于一种或多种此类流动发生的持续时间和/或程度，可能期望多次预调理材料的施加，其中一旦水流和/或差异化的环境返回到期望的更正常的条件下，此类施加就将中止。
实验结果
实验1-海水浸没保护船只螺旋桨
与作为对照的未保护的青铜螺旋桨相比，利用由杀生物剂涂覆的大麻织物形成的保护外壳来保护青铜螺旋桨免于结垢。在浸没后的35天、59天、89天、133天和157天检查螺旋桨(此时，外壳已降解到其中开始出现大孔的程度)。如图22A和22B最佳可见，在受保护的海港中浸没157天后，未受保护的螺旋桨(22A)被生物膜、水螅虫、皮壳状苔藓虫、藤壶、管蠕虫和被囊动物严重结垢，并且藤壶长得很大。相比之下，尽管在螺旋桨叶片的背面形成了少量的阴极白垩，并且朝上的叶片尖端上有深色污渍，并且可能有一些轻微的蚀刻，受保护的螺旋桨(22B)并未结垢。外壳没有宏观结垢，但是在外壳的褶皱中有一些相对较重的沉积物。另外，在外壳的外部已经开始形成大量的生物膜，并且外壳中形成有大孔。
实验2-盐水浸没保护铜制保护基材12个月
在另一个实验中，将结合未经涂覆的纺制聚酯的可渗透织物壁、涂覆有水基杀生物剂涂层的纺制聚酯和溶剂基杀生物剂涂层以及涂覆有杀生物剂的80×80粗麻布的外壳随机放置于两个PVC框架上。外壳各自都包裹在青铜基材条周围(其中在各个实施例中，外壳壁和基材之间的距离在0.25英寸到1.5英寸之间、在1英寸到4英寸之间以及在4英寸到6英寸之间变化)，其中使用端盖将外壳固定到相应框架(类似于图2中所示的外壳)。对另外一组框架进行改性以提供不受干扰的水质测量。在这些框架的样品的顶端盖上进行开口，从而消除了从水中去除框架的需要(并且从而避免了破坏外壳内部的水)。
外壳防止了基材条上的宏观结垢，而未受保护的条上的结垢很严重，并且由皮壳状和树枝状的苔藓虫、藤壶、管蠕虫和牡蛎组成。另外，每个涂层聚酯外壳的(一)1个复制品的端盖上都有非常轻的管蠕虫结垢(1％覆盖率)。在盐水中浸没12个月后，外壳的受保护的青铜条基材形成了约60％的薄生物膜覆盖率，而没有或仅有有限的宏观结垢；相反，未受保护的青铜条基材在第一个月后含有的宏观结垢覆盖率接近100％，其中由皮壳状苔藓虫、树枝状的苔藓虫、藤壶、管蠕虫和被囊动物组成结垢的浓度多达3个月的不断增加(参见表11)。
注意：由于存在显著的宏观结垢，对照织物的表11的生物膜水平不直接或不容易看到。
表11：海水浸没240天后各种基材的生物结垢。
浸没在海水中12个月后，图23A描绘了受保护的青铜基材，并且图23B描绘了包括纺制聚酯无涂层织物的保护外壳(其包围图23A的青铜基材)，其中图23C描绘了在相同的浸没时段期间没有被保护的青铜基材。如在图23B和23C中最佳可见，在外壳的外表面和未受保护的基材上都发生了显著水平的结垢，但是图23A的受保护的基材实际上是干净的。
在各个实验中，在维持外壳完整性的情况下，所有测试的外壳实施例均防止了青铜上的宏观结垢，并且在至少1年内许多另外地防止了相关端盖上的显著结垢(<2％的宏观结垢覆盖率)。只要维持外壳的完整性(约6mos.)，即使没有杀生物剂涂层，结合纺制聚酯织物的外壳也可以完全保护下面的基材免于宏观结垢。图23D描绘了另一种受结垢保护的基材，即使在一些实施例中，图23E的涂层聚酯外壳在浸没12个月后确实开始迅速严重结垢，但此外壳仍维持差异化的环境和基材的结垢保护，即使外部结垢可能会对外壳中的水交换速率和/或水质产生不利影响(尤其关于差异化的水性环境中溶解氧的最佳范围)。尽管涂层外壳中的水质通常与开放水中的水质不同，但这些外壳中的溶解氧水平在延长的时间段内似乎都没有骤降到足够低的水平，以引起显著的潜在腐蚀问题(即，缺氧)。
在各个实施例中，使用水基和/或溶剂基涂层(如各种聚酯织物)形成的杀菌涂层外壳材料在浸没在盐水中超过1年后没有示出降解的迹象，这与在一年之内就降解的天然纤维(例如粗麻布)(参见图23F和23G)相比，有了显著改进。然而，在一些实施例中，天然纤维的各个实施例相对于未经涂覆的聚酯可以具有一些优点，包含降低的成本和/或在处置后(即，在自然环境中)快速分解和/或降解的能力。另外，与不具有杀菌涂层的聚酯材料相比，杀菌涂层聚酯外壳材料在材料表面上含有更少的宏观结垢。
在此测试中，尽管在不同的实施例和/或不同的天气中，这些特征中的一个或多个特征可能不同，但是在这些水条件下，开放水和外壳内的水的水质测量的温度、盐度和pH是一致的。此外，在所有外壳处理中，溶解氧水平显著不同，其中开放读数为最高水平，并且溶剂型涂层聚酯织物为最低水平。
实验3-盐水浸没保护铜制保护基材16个月
在另一个实验中，使用本文公开的过程，将两种聚酯织物(纺制和变形的)的外壳用水基杀生物剂涂层涂覆，并且放置在青铜条基材之上。将每种处理的三个复制品随机化并且放置到两个框架上。每月从水中去除样品，拍照并且进行视觉评估，并且将其与未受保护的青铜条基材进行比较。将另外一组复制品以相同顺序放置在两个框架上，以进行水质测量。
在盐水中浸没16个月后，实验揭示，在纺制聚酯外壳中封闭的青铜样品上没有发生宏观结垢，并且在50个变形聚酯外壳和40个变形聚酯外壳中封闭的青铜条具有由水螅虫和管蠕虫组成的轻度宏观结垢(参见表12)。(注意：由于厚的宏观结垢覆盖物使薄膜模糊不清，因此对照样品的生物膜水平不容易看到。)
表12：海水浸没16个月后各种基材的生物结垢。
在此实验中，浸没在盐水中3个月后，未受保护的青铜条基材上的结垢很严重，并且由皮壳状和树枝状苔藓虫、藤壶、管蠕虫和牡蛎组成。在盐水中浸没16个月后，纺制聚酯外壳中的青铜条基材具有可检测到的生物膜，但没有宏观结垢，而变形聚酯外壳中的青铜条基材中有一些树枝状苔藓虫和管蠕虫。在纺制和变形聚酯外壳的端盖上，树枝状苔藓虫的覆盖率较低，并且管蠕虫的覆盖率则适中。变形聚酯处理在惰性端盖上有轻微至中等的结垢，其中浸没盐水中16个月后，有40变形聚酯开始在青铜条基材上积累一些宏观结垢。在外壳中的任何外壳上都没有明显的降解，尽管在浸没在盐水中16个月之后外壳中的一些外壳积累了严重的结垢，所述结垢主要由外部材料表面(暴露于开放水的表面)上的皮壳状和树枝状苔藓虫、藤壶、管蠕虫(螺旋虫-圆形，以及龙介虫-长而直的)和被囊动物组成。树枝状苔藓虫似乎开始消亡(变得衰老)并且随着季节的结束而从外壳中自我清洁。此外，外壳内部的结垢增长非常有限，因为图24A和24B示出在盐水中16个月后，纺制和变形聚酯外壳的内表面材料上几乎没有结垢，尽管与纺制聚酯外壳的内材料表面上没有或有限量的结垢相比(图24A)，图24B的变形聚酯外壳在外壳的内材料表面上含有显著更多的附着宏观结垢生物。
此实验得出的结论是，纺制和变形聚酯可以是保护外壳的高效织物，其可以有效地保护基材免于宏观结垢。这些实施例对于显著延长的时间段可能是有效的，如对下层基材的保护多达1年和/或大于500天或更长。
与先前的实验结果类似，浸没在盐水中16个月后，开放水和聚酯外壳内的水的水质测量结果示出温度、盐度和pH没有显著差异。在所有聚酯外壳中，溶解氧显著不同，其中开放读数的水平最高，并且水基涂覆的纺制聚酯的水平最低(参见图25和表13)。
表13：与开放水相比，16个月的浸没之后的外壳内的水化学
实验4：淡水浸没保护PVC基材
在另一个示例性实施例中，利用图26A和26B所描绘的结果，测试了各种外壳实施例，以确定外壳的存在是否抑制和/或防止了在淡水环境中的宏观结垢(在威斯康星州密尔沃基的麦金利码头B31滑道进行)。在这些实验中，使用了4层人造PVC基材，其中外壳结合了杀生物剂涂覆的织物壁，其中基材悬浮在外壳内部。
表14至表17B描绘了浸没在淡水中3个月期间进行水化学测量的各种测试结果，示出了5/18上的初始水化学值(表14)，以及开放水性环境中和外壳内的各种水质测量结果的6/21(表15A和15B)、7/19(表16A和16B)以及8/28(表17A和17B)的随后变化。水化学结果证明，在3个月的现场采样期间，开放的淡水与外壳内的水之间的温度和盐度类似。另一方面，当比较外壳内的差异化的环境与远离外壳的开放淡水时，外壳中的溶解氧较低，外壳中的pH较低，并且外壳中的浊度较高。另外，差异化的环境中的叶绿素在第1个月和第2个月较高，并且在浸没3个月后变得较低。
5/18/2018
处理和控制
表14：淡水实验
表15A：浸没1个月后的淡水外壳
表15B：浸没1个月后的生物
表16A：浸没2个月后的淡水外壳
表16B：浸没2个月后的生物
表17A：浸没3个月后的淡水外壳
表17B：浸没3个月后的生物
表15B、16B和17B描绘了在淡水浸没研究期间在外壳内部和外部鉴定的各种浓度的生物，包含在美国大多数淡水中常见的三类基本淡水生物结垢生物，即侵入性dreissenids斑马贻贝(多形饰贝)和白氏斑马贻贝(喙形饰贝)、Ectoprocta Fredericellasultana和球状刚毛藻属刚毛藻科藻类，并且包含定殖的大型生物(例如，海绵动物、摇蚊、腹足动物等)的另外的基材。浸没在淡水的第一个月，与未受保护的基材相比，外壳内基材上未沉降的贻贝的浓度更高。然而，在淡水中浸没2个月和3个月后，被外壳保护的基材上的贻贝浓度显著小于未受保护基材上的贻贝数量。从图26A和26B可以容易地看出这种结垢的差异，所述图在视觉上描绘了将未受保护的基材(图26A)与由所公开的外壳(图26B)保护的基材浸没在淡水中3个月后的结垢的比较。
实验：浮桥船体“船用包裹物”
在另一个示例性实施例中，将包括“浮桥包裹物”的外壳浸没12个月以上，以测试船用包裹物在涂有底部油漆涂层的船体上的功效，其次评估其对不同涂层类型的影响，并且第三，鉴定并提供对将技术扩展到更大大小配置时可能遇到的任何变量/问题的了解。在左舷和右舷浮桥的水下船体上，对21英尺的玻璃纤维双体船进行了各种杀菌涂层和/或其它物质涂层处理。双体船的左舷浮桥基本上被封闭在具有杀生物剂涂层柔性织物壁的外壳内。
在盐水中放置12个月后，外壳成功地防止了所有涂层(包含惰性表面)上的宏观结垢。在未受保护的浮桥上的活性涂层上的宏观结垢是轻度到中度，然而，与在外壳中的浮桥相比，所有涂层在未受保护的浮桥上的厚而蓬松的生物膜的覆盖率要高得多。外壳内表面上的生物膜薄而轻。浸没在盐水中2个月后，未受保护的浮桥上惰性涂层上的结垢严重。
另外，如表18所示，尽管外壳的大小显著增加(以容纳整个浮桥)，但外壳内部的溶解氧和pH却显著较低。外壳内部的盐度也显著较低。这些因素中的一些因素可能是由于随着潮汐变化、船闸被打开、暴雨发生、游轮移动至附近和/或其它一些因素组合而在外壳内缓冲和/或延迟了水质的改性(即，与外部水条件匹配)。
表18：浸没12个月后的生物-浮桥测试
实验6-浊度和沉积物实验
在此实验中，对外壳实施例进行了测试，以确定外壳的存在与外部环境相比是否影响外壳内的浊度和/或悬浮沉积物的量，其中测试结果证明外壳内的水比开放环境中的水明显更干净。
因此，尽管已经示出并描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，本文所使用的所有术语都是描述性的而不是限制性的，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下由本领域普通技术人员进行许多改变、修改和取代。
本文引用的所有参考文献，包含出版物、专利申请和专利特此通过引用并入，其程度与每篇参考文献被单独并且具体地指明通过引用并入并且在本文中整体阐述一样。
在本文使用的各种标题和主题是为了读者的方便，并且不应解释为将其下的任何特征或公开限制或约束到一个或多个具体实施例。应当理解，各个示例性实施例可以结合所描述的各种优点和/或特征的多种组合，所有组合的方式都被设想并且明确地结合在下面。
除非本文中另有所指或明显与上下文相矛盾，否则在描述本发明的上下文中使用的术语“一个/一种(a/an)”和“所述(the)”以及类似的指代词应被解释为涵盖单数和复数两者。除非另外指明，否则术语“包括(comprising)”，“具有(having)”、“包含(including)”和“含有(containing)”应被解释为开放式术语(即，意指“包含但不限于”)。除非在此另外指示，否则在此叙述的值范围仅仅旨在充当单独地提及每个落入该范围内的单独的值的简写方法，并且将每个单独值并入本说明书中，就如同单独在本文中对其进行叙述一样。除非本文中另外指明或明显与上下文相矛盾，否则本文所描述的所有方法均可以按任何适合的顺序执行。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有实例或示例性语言(例如，即，“如”)的使用仅旨在更好地描述本发明并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素为实践本发明所必需的。
本文描述了本发明的优选实施例，包含发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读前文描述后，对本领域的普通技术人员而言，那些优选实施例的变化可能变得显而易见。发明人预期技术人员在适当时采用这些变化，并且诸位发明人意图使本发明以与本文具体描述的方式不同的方式来进行实践。因此，在适用法律允许的情况下，本发明包含对所附权利要求书所叙述的主题的所有修改和等效物。此外，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素在其所有可能变化中的任何组合。
Claims (126)
1.一种用于减少至少部分地浸没在水性环境中的基材上的生物结垢的装置，所述装置包括：
在使用期间是水可渗透的或变得水可渗透的结构，所述结构适于收纳所述基材，
其中所述结构将水性环境分为局部水性环境和开放水性环境，其中局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，
其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的水体积的约0.1％到500％的平均水交换。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的所述水体积的约0.1％到200％的平均水交换。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的所述水体积的约0.2％到120％的平均水交换。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的所述水体积的约0.2％到20％的平均水交换。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的所述水体积的约20％到50％的平均水交换。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构包含水可渗透表面，所述水可渗透表面的渗透率为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构包括三维柔性材料，所述三维柔性材料选自由以下组成的组：天然和合成织物、天然和合成膜、天然和合成片材以及由天然和合成材料的组合制成的织物、膜、薄膜和片材。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构将液体在所述局部水性环境内的溶解氧含量维持至少平均为10％或更高。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述局部水性环境内的水化学不同于所述开放水性环境内的水化学。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构的表面积至少等于或大于所述基材的表面积。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构的表面积小于所述基材的表面积。
12.根据权利要求1所述的装置，其中在将所述结构围绕所述基材定位时，所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率为约0.4英尺-1到约800英尺-1。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率大于350英尺-1。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率为小于350英尺-1。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构的表面积与所述基材的表面积的比率为约100比1或更小。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述结构的所述表面积与所述基材的所述表面积的所述比率为约2比1或更小。
17.根据权利要求11所述的装置，其中所述结构的所述表面积与所述基材的所述表面积的所述比率为约1比2或更大。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构包括杀生物剂。
19.根据权利要求1所述的装置，其中所述结构不结合杀生物剂。
20.一种用于减少至少部分地浸没在水性环境中的基材上的生物结垢的装置，所述装置包括：
结构，所述结构适于收纳所述基材，其中所述结构将水性环境分为局部水性环境和开放水性环境，其中局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，
水性流动机构，所述水性流动机构包括至少一个水性流动腔，其中所述水性流动腔的至少一部分定位于所述局部水性环境内，
其中所述水性流动腔提供足够的水性介质流动速率，以每小时将所述局部水性环境中的平均约0.1％到500％的水体积与来自所述开放水性环境中的水体积交换。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述水性流动机构包括泵。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述水性流动机构包括螺旋桨。
23.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构是水可渗透的。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构不能渗透水。
25.根据权利要求20所述的装置，其中所述水性流动机构提供每小时所述局部水性环境中的所述水体积的约0.1％到200％与来自所述开放水性环境的水体积的平均水交换。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述水性流动机构提供每小时所述局部水性环境中的所述水体积的约0.2％到120％与来自所述开放水性环境的水体积的平均水交换。
27.根据权利要求26所述的装置，其中所述水性流动机构提供每小时所述局部水性环境中的所述水体积的约0.2％到20％与来自所述开放水性环境的水体积的平均水交换。
28.根据权利要求26所述的装置，其中所述水性流动机构提供每小时所述局部水性环境中的所述水体积的约20％到50％与来自所述开放水性环境的水体积的平均水交换。
29.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构包括三维柔性材料，所述三维柔性材料选自由以下组成的组：天然和合成织物、天然和合成膜、天然和合成片材以及由天然和合成材料的组合制成的织物、膜、薄膜和片材。
30.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构在所述局部水性环境内维持溶解氧含量至少平均为10％或更高。
31.根据权利要求20所述的装置，其中所述局部水性环境内的水化学不同于所述开放水性环境内的水化学。
32.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构的表面积至少等于或大于所述基材的表面积。
33.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构的表面积小于所述基材的表面积。
34.根据权利要求20所述的装置，其中在将所述结构围绕所述基材定位时，所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率为约0.4英尺-1到约800英尺-1。
35.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率大于350英尺-1。
36.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率为小于350英尺-1。
37.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构的表面积与所述基材的表面积的比率为约100比1或更小。
38.根据权利要求37所述的装置，其中所述结构的表面积与所述基材的表面积的所述比率为约2比1或更小。
39.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构的表面积与所述基材的表面积的所述比率为约1比2或更大。
40.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构包括杀生物剂。
41.根据权利要求20所述的装置，其中所述结构不结合杀生物剂。
42.一种用于减少至少部分地浸没在水性环境中的基材上的生物结垢的装置，所述装置包括：
在使用期间是水可渗透的或变得水可渗透的结构，所述结构适于收纳所述基材，
其中所述结构将水性环境分为局部水性环境和开放水性环境，其中局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，
其中所述结构调节从所述开放水性环境进入到所述局部水性环境中的溶解氧含量。
43.根据权利要求42所述的装置，其中所述结构通过在24小时周期内将所述溶解氧维持在平均10％溶解氧处或以上来调节所述局部水性环境中的溶解氧水平。
44.根据权利要求43所述的装置，其中所述结构通过在所述24小时时段内将所述溶解氧维持在平均40％溶解氧处或以上来调节所述局部水性环境中的溶解氧水平。
45.根据权利要求43所述的装置，其中所述结构通过在24小时时段内将所述溶解氧维持在20％到120％溶解氧的范围内来调节所述局部水性环境中的溶解氧水平。
46.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中所述第一溶解氧含量不同于所述第二溶解氧含量。
47.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中所述第一溶解氧含量小于所述第二溶解氧含量。
48.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中平均地，所述第一溶解氧含量小于所述第二溶解氧含量。
49.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中第一溶解氧含量包括第一变化速率，并且第二溶解氧含量包括第二变化速率，其中第一变化速率与第二变化速率相同。
50.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中第一溶解氧含量包括第一变化速率，并且第二溶解氧含量包括第二变化速率，其中第一变化速率慢于或小于第二变化速率。
51.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境具有靠近所述结构的内壁的第一溶解氧含量和靠近所述基材的外壁的第二溶解氧含量，其中第一溶解氧含量和第二溶解氧含量不同。
52.根据权利要求51所述的装置，其中所述第二溶解氧含量小于所述第一溶解氧含量。
53.根据权利要求46所述的装置，其中所述差异是所述第一溶解氧含量与所述第二溶解氧含量之间的至少0.1％的差异。
54.根据权利要求46所述的装置，其中所述差异是所述第一溶解氧含量与所述第二溶解氧含量之间的至少5％的差异。
55.根据权利要求42所述的装置，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的水体积的约0.1％到500％的平均水交换。
56.根据权利要求42所述的装置，其中所述结构包含水可渗透表面，所述水可渗透表面的渗透率为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低。
57.根据权利要求42所述的装置，其中所述结构包括三维柔性材料，所述三维柔性材料选自由以下组成的组：天然和合成织物、天然和合成膜、天然和合成片材以及由天然和合成材料的组合制成的织物、膜、薄膜和片材。
58.根据权利要求42所述的装置，其中所述局部水性环境内的水化学不同于所述开放水性环境内的水化学。
59.根据权利要求48所述的装置，其中平均地，所述第一溶解氧含量始终小于所述第二溶解氧含量。
60.根据权利要求48所述的装置，其中平均地，在白天时间期间，所述第一溶解氧含量小于所述第二溶解氧含量。
61.根据权利要求48所述的装置，其中平均地，所述第一溶解氧含量滞后于所述第二溶解氧含量。
62.根据权利要求49所述的装置，其中平均地，所述第一变化速率滞后于所述第二变化速率。
63.根据权利要求48所述的装置，其中平均地，与所述第二溶解氧含量相比，所述第一溶解氧含量被缓冲。
64.根据权利要求49所述的装置，其中平均地，与所述第二变化速率相比，所述第一变化速率被缓冲。
65.根据权利要求42所述的装置，其中所述结构包括杀生物剂。
66.根据权利要求42所述的装置，其中所述结构不结合杀生物剂。
67.一种用于减少至少部分地浸没在水性环境中的基材上的生物结垢的装置，所述装置包括：
在使用期间是水可渗透的或变得水可渗透的结构，所述结构适于收纳所述基材，
其中所述结构将水性环境分为合成局部水性环境和开放水性环境，其中合成局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，其中
防污生物膜，所述防污生物膜在所述合成局部水性环境内形成，其中所述合成局部水性环境与定位于所述合成局部水性环境附近但在其外部的水相比，包括水化学差异。
68.根据权利要求67所述的装置，其中所述合成局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中所述第一溶解氧含量不同于所述第二溶解氧含量。
69.根据权利要求68所述的装置，其中所述第一溶解氧含量小于所述第二溶解氧含量。
70.根据权利要求68所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中平均地，所述第一溶解氧含量小于所述第二溶解氧含量。
71.根据权利要求68所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中第一溶解氧含量包括第一变化速率，并且第二溶解氧含量包括第二变化速率，其中第一变化速率与第二变化速率相同。
72.根据权利要求68所述的装置，其中所述局部水性环境包括第一溶解氧含量，并且开放水性环境包括第二溶解氧含量，其中第一溶解氧含量包括第一变化速率，并且第二溶解氧含量包括第二变化速率，其中第一变化速率慢于或小于第二变化速率。
73.根据权利要求67所述的装置，其中所述局部水性环境具有靠近所述结构的内壁的第一溶解氧含量和靠近所述基材的外壁的第二溶解氧含量，并且所述第一溶解氧含量和第二溶解氧含量不同。
74.根据权利要求67所述的装置，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的水体积的约0.1％到500％的平均水交换。
75.根据权利要求67所述的装置，其中所述结构包括为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低的渗透率。
76.根据权利要求67所述的装置，其中所述结构包括三维柔性材料，所述三维柔性材料选自由以下组成的组：天然和合成织物、天然和合成膜、天然和合成片材以及由天然和合成材料的组合制成的织物、膜、薄膜和片材。
77.根据权利要求68所述的装置，其中平均地，所述第一溶解氧含量始终小于所述第二溶解氧含量。
78.根据权利要求68所述的装置，其中平均地，在白天时间期间，所述第一溶解氧含量小于所述第二溶解氧含量。
79.一种人工产生的生物膜，其包括：
防污生物膜，所述防污生物膜在合成局部水性环境内形成，其中所述合成局部水性环境是通过将水性环境分为合成局部水性环境和开放水性环境而形成的，其中合成局部水性环境从所述基材的表面延伸到至少0.04英寸，其中所述合成局部水性环境内的水化学不同于所述开放水性环境内的水化学，并且
与在所述开放水性环境中天然产生的生物膜相比，所述生物膜包括至少一种蓝细菌、硅藻或细菌的多样性减少。
80.一种产生人工产生的生物膜的方法，所述人工产生的生物膜用于减少在水性环境中的基材上的生物结垢，所述方法包括：
在使用期间将是水可渗透的或变得水可渗透的结构放置在所述基材周围，以将所述基材基本上封闭在人工局部水性环境中，所述人工局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，
其中所述结构调节从所述开放水性环境进入到所述局部水性环境中的溶解氧含量，其中所述人工局部水性环境内的溶解氧水平的降低引起所述生物膜的改变。
81.根据权利要求80所述的方法，其中所述人工局部水性环境内的溶解氧水平的降低引起所述人工局部水性环境中由蓝细菌、硅藻和细菌门组成的组中的至少一个成员的流行率降低。
82.根据权利要求80所述的方法，其中所述人工局部水性环境内的溶解氧水平的降低引起所述人工局部水性环境中由蓝细菌、硅藻和细菌门组成的组中的至少一个成员的流行率增加。
83.根据权利要求80所述的方法，其中由人工微生物混合物沉积在所述基材上的生物膜比所述水性环境中的天然存在的生物膜更薄。
84.根据权利要求80所述的方法，其中由人工微生物混合物沉积在所述基材上的生物膜具有比所述水性环境中的天然存在的生物膜更弱的结构完整性。
85.根据权利要求80所述的方法，其中由人工微生物混合物沉积的所述生物膜主要包括变形菌或拟杆菌。
86.根据权利要求80所述的方法，其中由人工微生物混合物沉积的所述生物膜包括非常少数量的疣微菌和放线菌。
87.一种用于减少至少部分地浸没在水性环境中的基材上的生物结垢的装置，所述装置包括：
其中所述结构将水性环境分为局部水性环境和开放水性环境，其中局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，
其中所述局部水性环境内的第一水化学因子的第一测量结果不同于所述开放水性环境中的所述第一水化学因子的第二测量结果。
88.根据权利要求87所述的装置，其中所述第一水化学因子是铵，并且所述第一测量结果高于所述第二测量结果。
89.根据权利要求88所述的装置，其中所述第一测量结果与所述第二测量结果之间的差异发生在将所述结构放置到所述水性环境中的3天内。
90.根据权利要求87所述的装置，其中所述第一水化学因子是氨态氮，并且所述第一测量结果高于所述第二测量结果。
91.根据权利要求90所述的装置，其中所述第一测量结果大于十亿分之0.1(ppb)。
92.根据权利要求91所述的装置，其中所述第一测量结果大于十亿分之1(ppb)。
93.根据权利要求92所述的装置，其中所述第一测量结果大于十亿分之10(ppb)。
94.根据权利要求93所述的装置，其中所述第一测量结果大于十亿分之100(ppb)。
95.根据权利要求90所述的装置，其中所述第一测量结果与所述第二测量结果之间的所述差异花费至少30天的浸入以发展。
96.根据权利要求87所述的装置，其中所述第一水化学因子是亚硝酸盐，并且所述第一测量结果高于所述第二测量结果。
97.根据权利要求96所述的装置，其中所述第一测量结果高于十亿分之0.1(ppb)。
98.根据权利要求97所述的装置，其中所述第一测量结果高于百万分之0.1(ppm)。
99.根据权利要求98所述的装置，其中所述第一测量结果高于百万分之0.5(ppm)。
100.根据权利要求99所述的装置，其中所述第一测量结果高于百万分之1(ppm)。
101.根据权利要求87所述的装置，其中所述第一水化学因子是磷酸盐，并且所述第一测量结果高于所述第二测量结果。
102.根据权利要求101所述的装置，其中所述第一测量结果与所述第二测量结果之间的所述差异花费3天内的浸入以发展。
103.根据权利要求87所述的装置，其中所述可渗透结构包括可渗透部分，所述可渗透部分允许每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的所述水体积的约0.1％到200％的平均水交换。
104.根据权利要求103所述的装置，其中所述结构包含水可渗透表面，所述水可渗透表面的渗透率为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低。
105.根据权利要求87所述的装置，其中所述水可渗透结构包括三维柔性材料，所述三维柔性材料选自由以下组成的组：天然和合成织物、天然和合成膜、天然和合成片材以及由天然和合成材料的组合制成的织物、膜、薄膜和片材。
106.根据权利要求87所述的装置，其中所述结构结合杀菌物质。
107.根据权利要求87所述的装置，其中所述结构不结合任何杀菌物质。
108.一种减少至少部分地浸没在水性环境中的基材上的生物结垢的方法，所述方法包括：
使用在使用期间是水可渗透的或变得水可渗透的结构，所述结构适于收纳所述基材，其中所述结构将水性环境分为局部水性环境和开放水性环境，其中局部水性环境从所述基材的表面延伸到所述结构的至少一个内表面，
分配将所述局部水性环境内的溶解氧含量降低至少10％的物质。
109.根据权利要求108所述的方法，其中物质包括氮气。
110.根据权利要求109所述的方法，其中将所述物质分配到海水中的步骤包括向所述海水中鼓充氮气。
111.根据权利要求108所述的方法，其中所述物质包括铁屑。
112.根据权利要求109所述的方法，其中所述结构提供每小时在所述局部水性环境与所述开放水性环境之间的所述局部水性环境中的所述水体积的约0.1％到200％的平均水交换。
113.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构包含水可渗透表面，所述水可渗透表面的渗透率为每平方厘米基材每秒约100毫升水或更低。
114.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构包括三维柔性材料，所述三维柔性材料选自由以下组成的组：天然和合成织物、天然和合成膜、天然和合成片材以及由天然和合成材料的组合制成的织物、膜、薄膜和片材。
115.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构将液体在所述局部水性环境内的溶解氧含量维持至少平均为10％或更高。
116.根据权利要求108所述的方法，其中所述局部水性环境内的水化学不同于所述开放水性环境内的水化学。
117.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的表面积至少等于或大于所述基材的表面积。
118.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的表面积小于所述基材的表面积。
119.根据权利要求108所述的方法，其中在将所述结构围绕所述基材定位时，所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率为约0.4英尺-1到约800英尺-1。
120.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率大于350英尺-1。
121.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的表面积与所述局部水性环境内的水体积的比率为小于350英尺-1。
122.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的表面积与所述基材的表面积的比率为约100比1或更小。
123.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的所述表面积与所述基材的所述表面积的所述比率为约2比1或更小。
124.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构的所述表面积与所述基材的所述表面积的所述比率为约1比2或更大。
125.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构包括杀生物剂。
126.根据权利要求108所述的方法，其中所述结构不结合杀生物剂。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 40063469 Country of ref document: HK |
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| GR01 | Patent grant | ||
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