CN114980991A - 提高体积/速度流的生物结垢保护 - 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2020年5月6日提交的题为《提高体积/速度流的生物结垢保护(BIOFOULING PROTECTION OF ELEVATED VOLUME/VELOCITY FLOWS)》的美国临时专利申请第63/020,826号、于2019年11月1日提交的题为《持久的生物结垢保护(DURABLEBIOFOULING PROTECTION)》的专利合作条约(PCT)专利申请第PCT/US19/59546号，以及于2020年3月13日提交的专利合作条约(PCT)专利申请第PCT/US20/22782号的题为《生物结垢保护(BIOFOULING PROTECTION)》的优先权及其权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及用于保护暴露于、浸没于和/或部分浸没于和/或邻近于水生环境中的物品和/或结构的改进的装置、系统和方法，该水生环境经历提高速度和/或高体积流，以防止由于特定类型和/或种类的生物有机体的侵入和/或定殖而造成的污染和/或结垢。更具体地，公开了用于在暴露于水生环境的时间段内保护此类结构和/或基材免受微观结垢和/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、围油栏系统、渔网相关、墩和船坞的那些表面)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。除了暴露于水生环境的各种表面的生物结垢引起的腐蚀之外，生物结垢的另一个显著的经济后果是在许多具有水消耗或水移动的设施中的热交换表面和/或其它润湿表面上形成生物结垢和/或结垢引起的水垢。例如，大型水系统用于各种各样的过程中，并且在它们最基本的情况下，这些系统依赖于从较热的流体或气体到较冷的流体或气体的热传递，其中该热量通常行进通过“热传递表面”，该热传递表面通常是将热物质和冷物质分开的热传递管道的金属壁。通常，流体将包含水，在许多情况下，水可以是从海湾、大海和/或海洋抽取的盐水，从河流、湖泊或井/含水层抽取的淡水或来自各种来源的废水。对于许多生命形式而言，水是有利的环境，并且这些结垢生物通常会定殖在热传递管道的润湿表面上，这可能会显著降低系统的热传递速率。在许多情况下，即使在热传递表面上形成薄的生物膜也会显着地隔离该表面，降低其热传递效率并大大增加系统的总体运行成本。
已经使用了各种各样的方法来尝试阻止和/或减少各种水系统中的生物结垢积累。改善生物结垢的一种常见尝试是使用进水过滤，但原水进水所需的大体积和/或高水流速度通常限制了从水流中滤出鱼和/或较大碎屑的努力。除了过滤之外，大多数水系统，尤其是水系统，用某种形式的氧化杀生物剂或其它添加剂处理原水流，最常见的是漂白剂，但也可能是气态氯、漂白剂/溴化钠、二氧化氯、一氯胺和一溴胺。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。在许多设施中，特别是在发电工业中的另一个问题是，美国环境保护局(USEPA)制定的条例通常允许每天2小时不超过0.2ppm的游离有效氯平均残留量作为“最佳可用技术”。对于受到如此限制的植物，只允许在任何一天中处理不到9％的时间，从而使微生物和/或其它结垢元素有机会沉降、定殖和形成保护性生物膜层。对于许多其它毒素和/或化学品存在类似的限制和/或安全问题，这些毒素和/或化学品可以添加到这种水中以尝试限制水系统内的结垢。
在许多情况下，工业将简单地接受结垢和/或水垢形成必然会在它们的供水系统内发生，并且这些工业将预期在定期的基础上绕过和/或从服务中移除受影响的系统/子系统，以清洁、维修和/或以其它方式解决结垢和/或水垢形成的影响。例如，给定供应系统中的水流可以被停止和/或逆转，其中有毒和/或腐蚀性试剂注入到系统中以理想地杀死和/或去除一些结垢生物和/或其它堵塞物。在各种情况下，可以完成清洁和/或更换各种组件，如阀、传感器、热交换器管道和/或其它组件。显然，此类活动可能相当昂贵，劳动密集、耗时和/或导致对结垢表面的损坏，并且此类动作还可能需要企业购买额外的系统资源(即，超额容量)以适应在此类演变期间的系统/子系统停机时间。
因此，需要改进的装置、系统和方法来消除或减少暴露于水生环境的表面上的生物结垢量。
发明内容
本文公开的各种发明包括实现对改进的方法、设备和/或系统的需求，以保护结构和/或基材在长期暴露于水生环境中时免受微观结垢和/或宏观结垢的影响，包括在其中将暴露的基材或其它结构与水性环境内的结垢生物和/或其它影响的存在完全隔离可能是不切实际的、不可能的和/或不方便的情况下。这可以包括水流通和闭环情况，其中水性环境中的环境水被循环、消耗和/或利用(即，用于水和/或用于淡水蒸馏)，和/或其中利用传感器或其它装置记录和/或对周围的水性环境进行采样的情况。
本文所公开的各种发明进一步包括以下认识：完全密封的环境和/或将基材与周围水性环境完全隔离的水性流体“回路”可能不足以保护基材免受水性环境的各种负面影响，因为“受保护的”基材可能遭受源自缺氧、酸性和/或其它条件(和/或与此类环境相关的其它条件，如微生物引起的腐蚀作用)的腐蚀或其它影响，这些条件可能在完全密封的外壳内和/或在基材附近产生。因此，可以通过外壳或类似装置来提供对基材的最佳保护，该外壳或类似装置在距离待保护基材稍微“上游”位置处“预处理”或“处理”水性环境内的进水和/或再循环水。
在各种实施例中，描述了一种抗生物结垢外壳、过滤介质、定量给料装置、预处理装置、混合装置和/或类似装置，其可以位于基材或其它物体的上游和/或附近，以封闭、保护、过滤、分离、隔离、绝缘、保护和/或屏蔽基材，使其免受周围水性环境的一个或多个特征或特性的影响，包括于2020年3月13日提交的题为《生物结垢保护》的待审专利合作条约(PCT)专利申请第PCT/US20/22782号和于2019年11月1日提交的题为《持久的生物结垢保护》的待审专利合作条约(PCT)专利申请第PCT/US19/59546号中描述的各种实施例，其公开内容通过引用整体并入本文。更具体地，外壳、过滤介质、定量给料装置、预处理和/或混合装置的各种实施例将理想地与通过和/或在装置附近的水和/或其它水性流体相互作用，理想地用于以各种方式改变水，任选地包括从流体流中过滤和/或筛选一些结垢生物，同时潜在地改变水化学和/或任选地将各种量的杀生物剂和/或其它物质直接施加到可能通过装置的任何结垢生物和/或在其附近。在各种实施例中，装置的活性可以保护下游基材免受某些种类的微试剂和/或大分子试剂的直接生物结垢，以及在至少一些情况下，促进在一种或多种基材上形成相对持久的“人工”表面生物膜、涂层或层，其可以潜在地抑制、阻碍、避免和/或防止不需要类型的生物结垢生物在基材表面长时间的随后沉降、募集和/或定殖，甚至在不存在装置的情况下。
在各种实施例中，所公开的外壳系统可以理想地改变“受保护的”水性环境内的环境条件，以抑制和/或防止各种生物结垢生物在水性环境内的各种基材表面上沉降和/或定殖。在一些实施例中，外壳系统可以包括改变受保护环境内各种产生生物膜的生物的类型、数量和/或“混合”的特征，以降低生物膜形成的厚度、速度和/或程度，以及潜在地改变由此形成的生物膜(例如，降低薄膜形成的速度和/或形成具有最小热绝缘性的生物膜)，包括改变基材生物膜组成、厚度和结构完整性。示范性实施例可以包括改变水性环境以抑制和/或防止幼虫和/或小生物能够在基材表面上沉降和/或减少或延迟这种沉降。在各种替代性实施例中，所公开的外壳的特征可以控制和/或改变水流的体积和/或水在受保护水性环境的某些区域内的停留时间，可以包括充当限流器和/或导流器的组件，可以包括诱导水性环境内的流体的混合和/或层流/非层流的纤维基质介质，包括在纤维介质本身内和/或在纤维介质的单个孔内或之间(包括湍流、层流和/或其各种组合)，可以任选地包括一种或多种杀生物剂或其它化学品/材料定量给料设备和/或提供受控杀生物剂释放曲线的组件，包括水溶性或可降解树脂，其封装当水流过定量给料设备时释放的杀生物剂。在一些实施例中，可以使用纤维介质，该纤维介质可以过滤和/或屏蔽受保护的水生环境免受较大生物的侵害，以及潜在地防止生物阻塞或“堵塞”外壳系统的各种组件，包括纤维基质介质本身。
在外壳、过滤、定量给料和/或混合装置的各种实施例中，系统组件将理想地结合有开口、空隙和/或窗孔，这些开口、空隙和/或窗孔允许一定量的水或其它水性流体从外部水性环境进入水系统，并且在一些实施例中，系统可以改变穿过装置和/或驻留在水系统内的液体的水化学性质和/或浊度、潜在地导致不同水平的粘土、淤泥、细碎的无机和有机物质、藻类、可溶性有色有机化合物、化学品和化合物、悬浮在水性流体系统内的液体中的浮游生物和/或其它微生物，与那些可能是流体源(即，在通过装置之前)的开放水性环境的那些相比，它们的水平可能以各种方式导致系统内包含的不同基材的不同水平的结垢和/或腐蚀(和/或缺乏结垢和/或腐蚀)。
在各种实施例中，本文描述的装置用于在供水系统内产生至少部分地“过滤的”、“处理的”、“定量的”和/或“差异化的”水生环境，其中各种水系统组件包括在该系统内并且与水性介质接触的外壳、边界壁、阀、热交换器、传感器和/或其它装置，该水性介质可以被认为是“基材”和/或可能受保护的表面。理想地，本文描述的装置有可能导致各种表面和/或系统组件变得不利于促成各种类型的生物结垢的水生生物的沉降和/或募集(其可包括产生“阴性”沉降线索的表面以及对于一种或多种类型的生物结垢生物可能缺乏和/或呈现降低水平的“阳性”沉降线索的表面)。在本文的各种实施例中描述的装置和/或其它构造还可以理想地过滤、减少和/或防止许多有助于生物结垢的海洋生物进入水系统和/或抑制这些生物接触和/或定殖给定基材的浸没和/或部分浸没的表面。
在各种实施例中，防污装置可以包括可渗透的、可成形的基质和/或结构材料，其在至少一个示范性实施例中可以包含由纺制聚酯纱线制成的编织聚酯结构。在至少一个进一步的实施例中，纺制聚酯纱线的使用可以理想地在微小和/或微观尺度上增加结构材料的有效表面积和/或原纤化，这可以理想地(1)导致延伸穿过结构的天然和/或人工开口的“有效”或平均尺寸的显著降低，(2)降低穿过结构和/或在结构内的开口内的“自由空间”的量和/或宽度，从而潜在地减小了微生物(在流入/流出液体内)与结构表面之间的分离距离，和/或(3)以各种方式改变和/或引起该装置下游的水质变化。该结构的减小的平均开口尺寸将理想地增加液体的“过滤”，以减少和/或防止各种生物有机体和/或其它材料自由地通过该结构，并且通常增加可能最终通过该结构的一部分有机体在该结构内的“停留时间”，以及显着地减少该结构内的给定局部区域和/或一组孔或其它开口内的水的总体积。这些因素将理想地导致进出结构壁的微生物和大型生物(以及各种有机和/或无机污垢和/或其它化合物)的尺寸和/或生存力的显著降低或计量。此外，这些方面还将理想地减少可能在纤维基质材料自身上和/或其中的开口内发生的生物结垢或其它降解的数量、程度和/或速度，理想地在延长的时间段内保持外壳结构的柔性、渗透率和/或其它性质。
在一些实施例中，外壳的结构壁的至少一部分可以开窗和/或穿孔到足够的程度以允许一定量的液体和/或其它物质以相对受控和/或计量的方式(即，从外部或“开放的”水性环境到位于该外壳“下游”的水系统)穿过和/或“过滤”介质的壁，这可以包括产生位于外壳下游但位于待保护的水系统的“上游”的“差异化”水性环境。液体和/或其它组合物从开放环境到差异化的水性环境的移动，以及随后水从差异化的水性环境到和/或通过水系统的进水口的移动，可理想地(与各种天然和/或人工过程相结合)在“差异化的”水性环境内诱导、促进和/或产生相对“不同的”或动态的“人工”环境，特别是在许多方面具有与周围水性环境的动态特性不同的特性，这理想地使得不同的环境对于许多生物结垢生物来说是“不理想的”，从而减少和/或消除生物结垢在外壳内和/或紧邻外壳的下游发生。另外，在外壳的壁中存在大量小穿孔可以理想地为吸入和/或交换液体提供不同程度的过滤，这可能会减少经由壁孔进入差异化的水性环境的生物的数目和/或生存力，并对可能靠近介质壁的外壳内部和/或外部的生物产生负面影响。
在各种实施例中，外壳和通过其的任何任选的开口和/或穿孔的存在可以在外壳下游产生“封闭的”或“部分封闭的”水性环境，该水性环境与周围的水性环境相比可能更不利于其中的基材的微观结垢和/或宏观结垢，这可以包括“差异化的”水性环境内生物膜局部沉降线索的存在和/或存在，其阳性水平低于周围水性环境的生物膜局部沉降线索。理想地，与周围开放的水性环境内的类似因素和/或化合物相比，外壳和/或系统的其它组件可以在“差异化的”水性环境和/或水系统内的各种环境因素和/或化合物的组成和分布中产生“差异”，这些“差异”抑制和/或防止大量生物结垢发生(1)在任何受保护基材的表面上，(2)在外壳的内壁表面上，(3)在外壳的壁中的开口和/或穿孔的间隙内和/或(4)在外壳的外壁表面上。在一些实施例中，外壳和/或其它系统组件可能在“差异化的”水性环境内产生沉降线索的梯度，其诱导和/或促使一些和/或所有的微观结垢生物和/或宏观结垢生物位于稍微远离任何受保护基材的位置，而在其它实施例中，外壳和/或其它系统组件可以在一个或多个受保护的基材附近产生不利于生物结垢和/或基材的其它降解的微环境。在其它实施例中，外壳和/或其它系统组件可以定位在基材组件附近和/或直接位于基材组件的上游，如直接邻近水系统内的热交换器和/或热交换管道的入口，并且仍提供本文描述的各种保护。
在各种实施例中，外壳可以包括在结构上具有较小的开口、穿孔和/或孔的多个纤维基质介质，以及一个或多个较大的开口，如敞开的底部和/或顶部(或其部分)，以及水入口侧上的各种开口。在各种实施例中，“大”开口可以被定义为外壳中的开口，其包含系统的外壳壁的外表面积的表面积的至少10％或更大，而在其它实施例中，大开口可以包含比外壳壁的外表面积的表面积大2％或更大、5％或更大、15％或更大、20％或更大、25％或更大、30％或更大、35％或更大和/或40％或更大的面积。在各个其它实施例中，多个相对较小的开口(即，外壳壁的外表面积的表面积的0.25％到2％)在功能和/或结构上可以在某种程度上等同于本文所描述的较大的开口中的一个或多个较大的开口。
在各种所公开的实施例中，所公开的系统下游的水性环境内的独特受保护环境可以在受保护的水系统内诱导独特数量和/或多样性的细菌和/或其它微生物，其可以诱导或促进水系统中一种或多种生物膜的形成，其中此类生物膜可能比通常在未受保护的环境中遇到的生物膜“更不牢固地附着”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。在这种情况下，微生物区系和/或微动物区系可以包含与位于天然或未处理的水性环境中的那些不同的门(即，不同的细菌和/或蓝细菌和/或硅藻)。在一些实施例中，所得生物膜可能更薄或含有受损的结构完整性。在一些替代实施例中，在泵送情况下根据水体积和/或速度移动水可能仅允许形成比在更静止或静态环境中更强韧的生物膜，其中与更具诱导性的天然存在的生物膜相比，这些强韧的生物膜任选地可能不含有特别诱导的应变和/或可能缺乏足够的物理支撑结构和厚度。
在本发明的一些实施例中，本文描述的对受保护基材的生物结垢保护和/或有效性中的一些或全部可以理想地由外壳及其可渗透的、可成形的基质、纤维基质和/或结构壁材料提供，而不使用各种补充的抗生物结垢剂，而在其它实施例中，外壳可以包含可渗透的、可成形的纤维基质和/或结构壁材料，其将一种或多种杀生物剂和/或防污剂渗入壁结构和/或其涂层的一些部分中。在一些实施例中，杀生物剂和/或防污剂可以为系统本身的壁和/或组件提供生物结垢保护(其中外壳为下游基材提供一定程度的生物结垢保护)，而在其它实施例中，杀生物剂和/或防污剂也可以为基材本身提供一定程度的生物结垢保护，而在其它实施例中，杀生物剂和/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。
在至少一个示范性实施例中，外壳可以包含多个可更换的模块化组件，其由聚酯材料的可渗透、可成形的纤维基质形成，该聚酯材料由纺制聚酯纱线制成，该可更换的模块化组件可以在至少一侧(如外壳的面向外的表面)上涂覆有杀生物化合物或含有杀生物剂的涂层或涂料，其中至少一些杀生物化合物渗入材料主体的至少一部分中。在至少一个进一步的实施例中，环锭纺制聚酯纱线的使用可以理想地在微小和/或微观尺度上增加结构材料的有效表面积和/或原纤化，这可以理想地(1)导致延伸穿过结构的天然开口的平均尺寸的显著降低和/或(2)降低穿过结构和/或在结构内的开口内的“自由空间”的量和/或宽度，从而潜在地减少微生物(在流入/流出液体内)和驻留在结构上的杀生物剂涂层之间的分离距离。在此类实施例中，结构的减小的平均开口尺寸将理想地增加液体的“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的或受限的环境，而开口内减小的“自由空间”将理想地增加或放大杀生物剂对通过外壳的生物的影响(包括增加杀生物剂和各种生物之间发生直接接触的可能性)，因为它们非常接近杀生物涂层。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，在外壳结构上和/或外壳结构中存在杀生物剂涂层和/或涂料和/或添加剂将理想地显著降低可能在外壳材料本身上和/或其中的开口内发生的生物结垢或其它降解的数量、程度和/或速度，理想地在延长的时间段内保持外壳结构的柔性、渗透率和/或其它性质。
在一些实施例和/或一些水性环境中，至少在柔性材料的外表面上存在任选的杀生物剂涂层将理想地降低在外壳自身内的开口上和/或内部经历的生物结垢和/或其它降解的厚度、密度、重量和/或程度，这将最佳地延长外壳在其位于基材上游的所需位置中的使用寿命。在许多情况下，外壳的各种组件的生物结垢可能显著增加组件的重量和/或刚度，这可能会损坏外壳、外壳和/或附接到外壳的结构(其可以包括基材本身的部分)，以及不利地影响外壳和/或附接到其的任何物体的浮力。另外，外壳组件的生物结垢可能降低各种结构组件的柔性和/或延展性，这可能会导致和/或促成结构和/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会“堵塞”或减小穿过外壳结构和/或在外壳结构内的开口的尺寸和/或封闭开口，这可能会以不期望的方式改变渗透率和/或抑制进水自由流过外壳的能力。
在至少一个实施例中，防污外壳可以包括多个可更换的模块，其可以包括相同或不同尺寸、形状、厚度和/或杀生物(或其它材料)涂层的模块化过滤和/或定量给料元件，包括在系统的一些位置中使用杀生物剂涂覆的过滤器模块和在系统的其它位置中使用未涂覆的过滤器模块。类似地，一些模块可以包含杀生物剂涂层，其在流体流动开始后的有限时间内进行最初洗脱和/或以其它方式分配，其中该时间段足以允许水系统和/或上游储集器部分形成不同的环境，其中在最初的杀生物剂洗脱已经降低到较低和/或无效水平和/或已经停止洗脱或分配之后，不同的环境可以产生各种抑制物质以提供对基材的后续生物结垢保护。
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1A描绘了包括防污外壳和/或结构的防污系统的一个示范性实施例；
图1B描绘了图1A的防污系统中的水道的透视图；
图2A描绘了一系列示范性水道和相关联组件；
图2B描绘了图2A的一个示范性水道的侧面透视图；
图3描绘了与本文公开的各种防污系统一起使用的示范性模块或结构的透视图；
图4A和4B描绘了结合有可展开的防污片材或类似组件的示范性防污系统的组件；
图5描绘了利用海水和/或淡水作为冷却流体源或其它水源的防污系统的另一示范性实施例；
图6A和6B描绘了用于减少生物结垢并促进海水、淡水、微咸水或用于各种工业目的的一些其它水性液体的系统的另一示范性实施例；
图7A描绘了用作直流冷却或再循环冷却系统的水源的天然或人工储集器或池的一个示范性实施例的透视图。
图7B描绘了生物结垢保护系统的一个示范性实施例，该生物结垢保护系统结合了与图7A的储集器一起使用的外壳壁和/或其它组件的各种布置；
图7C描绘了生物结垢保护系统的另一示范性实施例，该生物结垢保护系统结合了与图7A的储集器一起使用的外壳壁和/或其它组件的各种布置；
图7D描绘了生物结垢保护系统的另一替代实施例，该生物结垢保护系统结合了与图7A的储集器一起使用的外壳壁和/或其它组件的各种布置；
图8描绘了用于保护供水系统免受各种生物结垢影响的系统的另一示范性实施例的透视图，该系统结合了具有多个层的壁结构；
图9描绘了生物结垢抑制系统的一个示范性实施例，该生物结垢抑制系统包括用于向储集器添加和/或从储集器中移除水性液体和/或其它材料或物质的补充泵送系统；
图10A描绘了用于织物介质中的示范性纺纱的扫描电子显微镜显微照片；
图10B描绘了图10A的纱线的中心主体的横截面图；
图10C描绘了包含PET纺纱的针织织物的放大视图；
图11A描绘了用于各种防污外壳设计中的示范性轧制片材织物；
图11B描绘了结合有粘合剂、钩环紧固件材料的卷式片材织物的一个示范性实施例；
图12描绘了可渗透结构的一个示范性实施例的横截面图，该可渗透结构具有从该结构的正面延伸到背面的各种孔开口和通道，其中杀生物剂涂层至少部分地渗透到织物及其孔中；
图13A描绘了未涂覆的聚酯编织织物的另一示范性实施例；
图13B描绘了涂覆有杀生物剂涂层的13A的实施例；
图14A描绘了天然未涂覆的粗麻布织物；
图14B和14C描绘了用溶剂基杀生物涂层和水基杀生物涂层涂覆的图14A的织物；
图15A描绘了未涂覆的聚酯织物；
图15B描绘了涂覆有杀生物涂层的图15A的织物；
图15C描绘了未涂覆的纺聚酯织物
图15D描绘了涂覆有杀生物涂层的图15C的织物；
图15E描绘了未涂覆的纺聚酯布；
图15F描绘了涂覆后图15E的纺聚酯布的未涂覆侧；
图16描绘了一系列实验水道的构造，以确定各种系统实施例在引导不同量的过滤的、预处理的和/或定量的环境水方面的防污效果；
图17A至17D描绘了在图16的实验水道中浸泡七天后各种基材的结垢效应；
图18描绘了在图16的实验水道中浸泡七天后水道结垢的俯视图；
图19是另外的实验水道的泵和管道配置的俯视示意图；
图20A描绘了在图19的实验水道中浸泡三十天后水道结垢的俯视图；
图20B示出了图19的一些附加实验水道的透视图，包括各种溢水道上的水道结垢堆积的视图；
图21A至21D描绘了图19的对照、受保护(即，经过处理的水)、标准和大型水道上的生物结垢堆积的视图；
图22A是在三月初的初始操作期间图19的水道的尺寸和水流特性的表格视图；
图22B至22D是环境水和图19的水道在不同采样时间段的化学特性的表格视图；
图22E和22G是浸泡30天后图19的水道内的基材上的各种类型和数量的生物结垢的表格视图；
图22F和22H是浸泡两个月后图19的水道内的基材上的各种类型和数量的生物结垢的表格视图；
图23描绘了用于向储集器或水箱添加或从储集器或水箱移除水性液体和/或其它材料或物质的保护性泵送系统的另一示范性实施例；
图24A至24D描绘了在浸泡2个月之后在不同基材上的不同结垢堆积；
图25A至25D描绘了在浸泡2个月后未受保护的对照泵和各种相关联组件、标准泵和水道、快速泵和水道以及大型泵和水道上的生物结垢；
图26A和26B描绘了示范性测试设置中的水道的各种尺寸和性能特性的表格视图；
图27描绘了折叠或起皱的复杂织物结构的一个示范性实施例，如波状和/或手风琴状织物表面，其可以显着地增加表面积和/或潜在地改变防污外壳的过滤能力。
图28描绘了可替代的防污单元，其包括平行于流体流的多个纤维结构模块，这允许针对单一水流使用多个模块；
图29描绘了另一个外壳测试的俯视示意图，该测试使用多层外壳(包括一层外壳，两层外壳以及三层外壳)检查水的预处理；以及
图30描绘了另一个实验测试，其中具有各种保护外壳布置的金属链悬挂在开普码头(Cape Marina)的船坞和/或驳船上。
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。
本文公开了多种易于组装和/或使用的系统和/或装置，其可以在位于(或置于)易受生物结垢影响的水性环境或水性容纳水箱内的基材或其它物体的附近、周围、内部、顶部和/或下方使用。在各种实施例中，公开了可以保护浸没和/或部分浸没的基材或其它物体(或其部分)免受水性生物结垢的影响的系统、装置和方法，影响包括在各种系统组件可能被耗尽和/或移除之后基材在某一延长的时间段内产生和潜在地保持生物结垢抗性。
在各种实施例中，所公开的系统可以利用由相对便宜且容易获得的材料(如聚酯、尼龙或人造丝结构)和/或天然材料(如棉、亚麻或粗麻布结构(或其各种组合))形成的结构或外壳组件。结构可以自然降解或经过工程化的以随时间降解，特别是在结构的使用寿命内或在结构的使用寿命之前的任何时间内降解。在一些实施例中，至少一种活性成分和/或杀生物剂可以添加到结构的表面上或结合到结构或外壳内。在非限制性实例中，可以使用本领域技术人员通常已知的任何方法将杀生物剂掺入结构的聚合物共混物、纤维、长丝、纱线和/或纱线束中。在各种实施例中，系统的模块化组件可以是可移除的和/或可更换的，以允许系统无限地用作生物结垢抑制剂，这在一些实施例中可能包括在系统的正常操作期间一些系统组件的可更换性。
在本文公开的各种实施例中，术语“差异化的水性环境”、“局部水性环境”和/或受保护或处理的环境旨在广泛地涵盖可能已经通过防污外壳和/或可能已经或将由于防污系统的影响和/或存在而改变的一些和/或所有进水，其可包括以下中的一个或多个(和/或其任何组合)：1)已经通过外壳或系统的其它组件的任何水，2)在外壳的内表面和外表面之间的任何孔或空间内的任何水(即，“夹带”在纤维基质内)，和/或3)紧邻外壳的外表面的任何水。在各种实施例中，“液态水”可以指盐水或海水、淡水和微咸水。
虽然在一些实施例中，全部体积的进水可以穿过防污系统，但在一些替代应用中，仅一部分进水体积的水可以穿过防污系统。在各种实施例中，“经过处理的”或“差异化的”水性环境将理想地定位于防污系统的“下游”，如在供水系统的内部管道内和/或在储水箱的壁内，其中水箱的内壁可构成待保护的“基材”，且一些或所有水从构成寻求保护基材的“开放水性环境”的外部环境源(如溪流、湖泊、井、港口或储集器)泵送。
在各种实施例中，可以利用如本文所述的防污系统来定期地向受保护基材提供生物结垢保护，其可以包括在需要增加、减少接近受保护基材的水流和/或一些其它水流改变(包括穿过防污系统的组件或元件的流体的交叉流动和/或反向流动或“反洗”)时中断生物结垢保护，在接近受保护基材的水流已经恢复到“正常”或所需水平(其可以与改变前的水流水平相同或不同)的时间段可能恢复生物结垢保护。这种情况可能包括对超出系统容量的大量冷却水和/或其它水的需求，这可以减少和/或消除系统在增加的流动时间期间提供的一些或全部生物结垢保护，但一旦水流速率降低到预定设计阈值以下，这可能提供生物结垢保护的恢复。
在至少一个示范性实施例中，可以提供一种防污系统设计，其作为使用海水和/或淡水作为水源的系统的抗生物结垢系统具有特定用途。在该实施例中，可以提供在水性环境中的漂浮或部分/完全浸没的外壳或“储集器”，该外壳包含比系统在正常使用基础上可能立即需要的更大量的水性流体。所公开的系统可以位于储集器的水入口处，以理想地将水通过外壳吸入储集器。在大部分水分子和/或液滴通过储集器内的水柱所需的时间期间，水柱内的自然和/或人工过程可以理想地改变储集器内水的水化学(例如，降低水中的溶解氧水平)，使得至少一个水化学因子在行进到水系统的入口之前已经增加和/或耗尽。
在至少一个示范性实施例中，一种用于确定系统的适当设计、尺寸、形状和/或其它特征的方法可用于确定推荐的最小封闭或限定体积和/或水交换率，以理想地减少和/或消除系统下游的生物结垢。在一些实施例中，如在膜过滤器配置中，其中系统可用于为制造厂(即，发电厂、脱盐厂、精炼厂和/或其它制造设施)提供水源和/或其它源水，所公开的方法可潜在地用于减少和/或消除工厂的水和/或其它管道内的生物结垢，并且在一些实施例中不需要对水进行额外的过滤和/或微滤。在各种实施例中，外壳或类似系统可以包括多个模块化面板，其中当需要时可以更换一个或多个面板。在一些实施例中，可以在系统处于正常操作时更换面板。
在各种实施例中，系统的设计和用途在某些条件下可以潜在地促进、诱导和/或促使材料在基材和/或系统壁上形成层、生物膜和/或沉积物，从而减少、排斥、抑制和/或防止微生物和/或大型生物随后试图在一些或所有受保护基材上定殖、募集和/或结垢(即，向基材提供某种程度的“生物结垢接种”)。例如，本文所公开的系统的各种实施例可能导致在水系统内生成独特的水性环境，从而导致在环境内，包括在靠近基材表面的一个或多个水层内产生独特的微生物和/或微生物区系的混合物。在许多实施例中，水系统内微生物/微生物区系的独特混合和/或分布可以诱导和/或影响微生物生物膜或其它层在基材上的形成，其与各种表面细菌结合可以释放影响结垢生物在基材上沉降、募集和/或定殖的化合物。在各种实施例中，一旦建立了独特的微生物生物膜层，该层可以保持持久性和/或可以保持其特征和/或自我补充，其在没有系统的情况下(即，其中系统组件可能暂时和/或永久地被移除和/或损坏)并且可以长时间持续保护基材免受某些类型和/或数量的生物结垢。在各种实施例中，生物膜可以含有不同的组成，并可基于(除其它外)当地环境条件(包括温度、盐度、化学组成、一年中的季节、受保护基材的类型和/或待保护基材的生物结垢生物的类型)具有不同的结构完整性、厚度等。
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。
由于单细胞微生物(如细菌、硅藻和原生动物)形成复杂的生物膜，因此通常可以区分“微结垢”(通常被称为“粘液”)；“软宏观结垢”，包括肉眼可见的藻类(海藻)和无脊椎动物，如软珊瑚、海绵、海葵、被囊类动物和水螅；以及来自有壳无脊椎动物(如藤壶、贻贝和管虫)的“硬宏观结垢”。此外，给定的杀生物剂或杀生物剂剂量水平通常可能对同一物种的幼年和成年成员具有不同的效力，以及基于许多水化学因子(包含pH、溶解氧水平、水温度和/或许多其它因子)的不同效力。
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(没有保护性外壳)，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，受保护基材和/或系统组件的壁可以在基材和/或外壳壁的任何受影响区域中可能没有明显的结垢，与未受保护基材相比，这可能代表受保护基材和/或外壳的结垢水平为0.01％(或更多)或甚至0％(即，受保护基材和/或外壳壁的结垢水平减少大于一万倍或更多)。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。
在各种另外的实施例中，与浸没和/或部分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，结垢的抑制可以通过结垢生物对基材和系统组件的表面的总覆盖增加的减少来表示，其可以通过视觉检查、物理测量和/或基于从水性介质中移除时单个组件和/或组合的基材和外壳的重量和/或体积的增加(即，由于附着于其上的结垢生物的重量而增加的重量)来测量。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。在各种实施例中，示范性的重量增加可以在润湿和/或干燥状态(或其它湿度水平)下测定，这可能显著影响给定系统设计的总重量变化程度，尤其是在分析和比较软体结垢生物和/或生物膜及其影响的情况下。
保护系统和结构外壳
在各种实施例中，所公开的系统和/或系统组件将理想地改变进水和分配系统内的“受保护”湿润表面上的生物结垢生物的自然活性，从而减少、消除和/或改变系统内的湿润表面的自然生物结垢。图1描绘了示范性防污系统10，其可以包括外壳和/或结构20(在此实施例中为具有外壳外壁的三维“立方体”)、具有流体管道35的泵30和含有基材50的水道40。在该实施例中，如水的水性流体通过外壳壁从外部环境吸入立方体中，经过处理的水流经流体管35和泵30，随后进入含有待保护的基材50的水道40。理想地，恒定的水流进入水道40，过量的水流出水道40的单向阀60。
图1B描绘了图1A的水道40的透视图，在该实施例中，水道将理想地基本上围绕基材(未示出)，这抑制了环境水以不期望的方式接触基材。图2A描绘了一系列水道和相关联组件，且图2B描绘了一个示范性水道的侧面透视图。
图3描绘了示范性模块或结构300的透视图，该模块或结构可以与本文公开的各种系统一起使用。模块300可以包含结构外壳和/或结构310，其可以通过支撑结构320固定在外边缘处，该支撑结构在该实施例中可以包含支撑梁的柔性和/或刚性外框架。另外，该实施例理想地可包括可定位在介质310的下游面上(如果需要，该材料可固定到框架上和/或固定到框架内)的加强材料330，如多孔金属或金属丝网或聚合物或织物，其可加强和/或以其它方式支撑介质310以抵抗从其中通过的流体的流动力。如果需要，可以将模块300的尺寸和配置设定为适合于防污单元的接收器，如流体管和/或浸没式防污单元，其中所述单元任选地包括其中的多个模块或结构(未示出)。在一些实施例中，防污单元可以包括与流体流串联和/或并联的多个纤维结构模块，如果需要，包括对单个水流使用多个模块(见图28)。
图4A和4B描绘了防污系统的组件，其包括多个可展开的“辊”片400，每个辊片包括存储辊410和可展开的柔性片420，其中柔性片420可以从存储辊410展开并向下延伸(即，在一些实施例中理想地在重力作用下)。在各种实施例中，存储辊410可以包括漂浮部件(例如，漂浮的StyrofoamTM中心管)，其理想地漂浮在水性介质中，而在其它实施例中，存储辊410可以附接到支撑机构、框架或类似结构(未示出)。在各种实施例中，多个这种可展开的“辊”片可以横跨水系统入口或类似位置设置，柔性片展开以产生用于水流的外壳、过滤和/或定量给料膜(如箭头430所示)，如本文所述。如果需要，各种辊片可以包括允许相邻片材彼此附接的附接机构。
图5描绘了防污系统的另一示范性实施例，其可特别用作利用海水和/或淡水作为水源的水系统的抗生物结垢系统。在该实施例中，提供了在水性环境510中的浮动外壳500或“储集器”，其中外壳具有一个或多个外围壁520，其可以包含比系统在正常使用基础上可能需要的量大得多的水性流体。例如，如果系统在正常操作期间每分钟需要1000加仑的水，则储集器可以理想地包含至少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。如果需要，可以提供任选的顶盖530和/或底盖535，以将封闭的水与大气和/或更深的水隔离，如通过使用结构、柔性不可渗透膜或塑料防水布材料。水入口540可位于储集器内，其中入口由浮子550或其它支撑件支撑，连接有柔性或刚性的水管道560，其运送从入口540抽取的水(在一些实施例中，其可以具有相对不同的溶解氧水平或在不同实施例中的其它所需的水化学因子水平)以便输送到冷却装备或其它用途。理想地，水可以通过壁、顶部和/或底部中的各种可渗透膜进入储集器。在一些实施例中，在水分子向上和/或穿过储集器内的水柱所需的时间期间，自然和/或人工过程可以改变储集器内的水化学，如通过水柱内的自然和/或人工除氧剂的活性，其可以降低水中的溶解氧水平，使得溶解氧水平在行进到入口之前耗尽。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。
如前所述，至少一个示范性实施例包括一种用于确定储集器和/或防污系统的适当设计、尺寸、形状和/或其它特征的方法，该方法可用于确定推荐的最小封闭容积和/或水交换率，以理想地减少和/或消除储集器内的生物结垢。在一些实施例中，如在膜配置中，其中储集器可用于为制造厂(即，发电厂、脱盐厂、精炼厂和/或其它制造设施)提供水源和/或其它源水，所公开的方法可潜在地用于减少和/或消除工厂的水和/或其它管道内的生物结垢，并且在一些实施例中不需要对水进行额外的过滤和/或微滤。
图6A和6B描绘了系统600的另一示范性实施例，该系统可用于减少生物结垢并促进制造厂、发电厂或一些其它设施利用海水、淡水、微咸水或一些其它水性液体。在该实施例中，系统600可以位于水体中，并且甚至可以完全浸没在水性环境(即，水下“lanai”)中至深度“D”，如图6A所示。该系统可以包括在一个或多个外表面上的一个或多个可更换的浸渍结构外壳610，其中吸水管或其它入口装置620位于系统600的储集器630内，并且当水被抽入该吸水装置时，替换水流可以通过介质610和/或储集器壁中和/或储集器壁之间的任何其它开口和/或穿孔(其可以包括储集器的天花板、侧壁和/或地板表面)进入储集器。
在一些实施例中，储集器的体积可以足够大以容纳大量的液体，使得液体可以在储集器内保持所需的“停留时间”，以允许发生所需的水化学变化，从而减少和/或消除在储集器和/或设施的水管内发生的生物结垢。在一些其它实施例中，储集器的容积可以更小并且可以不包含显著大的液体储备量(与使用期间进入入口的预期流速相比)，在这些实施例中，液体可以不在储集器内保持所需的“停留时间”以允许所需的水化学变化，而是可以主要依靠外壳及其组件来理想地减少和/或消除在储集器和/或设施的水管和/或热传递表面内发生的生物结垢。
在各种期望的实施例中，完全浸没的系统可能特别地用于其中储集器从水柱内的较低或最低点保持和/或汲取水的情况，在一些实施例中水柱可以是更冷的水(即，用作冷却水)和/或其可以在水体中包含较低和/或最低水平的溶解氧(或其它所需的水化学因素)。
在各种实施例中，系统设计理想地包含等于或超过设施的每日(即，24小时)用水量的水量。例如，在设施在24小时期间内每小时使用100,000加仑水的情况下，一种优选的系统设计可能包含至少240万加仑的水。假设1立方英尺的海水含大约7.48加仑，一种优选的设计可以包含大约321,000立方英尺，其可以是具有大约113英尺宽×113英尺长×26英尺高(即，331,994立方英尺)的容纳体积的储集器。在其它优选实施例中，所含有的水的体积可能足以供应至少8小时的用水，而其它优选实施例可以提供2天或更多天的用水。在一些期望的实施例中，存在于储集器中的水将理想地被给予足够的“停留”时间，以便以期望的方式(如先前公开的)改变水的化学性质，从而产生某种类型的“调节”水，这可以包括其中给定设施的全部水需求可以由“调节”水提供的情况，以及其中给定设施的水需求的仅一部分可以由“调节”水提供的情况。
在一些替代实施例中，可能希望修改现有水体以包括本系统的各种特征，如其中利用天然或人工水源来提供用于冷却和/或一些其它水处理的水。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。在这种情况下，构造容纳全天用水量的单个储集器或一系列储集器可能是不经济、不实际和/或不理想的。相反，结合了本文所述的“部分”储集器和/或防污组件(即，垂直片和/或裙部)的各种实施例可用于在现有天然和/或人工储集器内为水创建曲折路径以调节水以满足所需的水化学水平，且可以包括使流动水的表面暴露于大气的特征以促进水储集器的蒸发冷却和/或水沿着曲折流动路径的湍流混合。
图7A描绘了天然或人工的储集器或池700的一个示范性实施例的简化透视图，其可以包括用于直流冷却的水源以及通常用于再循环系统中的再循环水储集器或“冷却池”。如在图7B和7C中最佳看到的，生物结垢保护系统可以包括多个外壳壁710和/或可移除或可更换的浮杆结构或裙部的非限制性实例，其可以定位在池700内，以便如通过将一系列交替的墙710定位在水池、池或港口内，从而改变朝向入口720的流体的自然流动，从而理想地产生用于水体内的水性液体的迷宫或曲折路径。在这个实施例中，壁710可以理想地沿着一个或多个期望的路径(例如，沿着由实心黑色箭头表示的路径)以及穿过壁的过滤器和/或定量供水(例如，沿着由虚线白色箭头表示的路径)重定向液体，这可以允许以期望的方式“调节”水的一些部分或全部，以获得本文公开的各种改进。例如，通过此类曲折路径的水可以被授予足够的“停留”时间来以期望的方式改变水化学，以便产生某种类型的“调节”水，这可能包含给定装置的全部用水需求可以由“调节”水提供的情况，以及“调节”水仅可以提供给定装置用水需求的一部分的情况。如果需要，本发明可以以不同的方式处理不同的“水流”，如在图7C的实施例中，其中第一股水流750穿过整个迷宫和/或穿过可渗透的外壳壁到达入口720，而第二股水流760被添加到迷宫的某个位置，在该位置它仅穿过迷宫的一半(或类似地穿过外壳壁)到达入口720。这种布置可以包括来自不同来源的水，其被直接添加到现有水系统内的调节水中。
在图7D中示出了迷宫路径的另一种替代布置，其中采用一系列圆形外壳来产生朝向入口720所在的储集器中心的曲折路径，然后可以如前所述从该曲折路径中去除水。这种实施例在结构的部分可能随着时间的推移而变得堵塞或结垢的情况下可能特别有用，其中进水可以沿着围绕结构的堵塞部分的曲折路径流动，并且最终沿着曲折路径进一步穿过未堵塞部分。
如果需要，外壳和/或其它系统设计可以结合用于水性流体的一个或多个流动路径，该流动路径在宽度和/或体积上逐渐增加和/或减小，且水流随着其接近进水口而在横截面上发生变化，这在天然储集器和/或人造支流或河流中可能是特别有用的设计特征，以为流动的水提供额外的停留时间和/或更多的过滤/定量给料活性。
在另一实施例中，该结构或外壳可以被设计成片材或壁以保护至少一种基材。设计片材/帘幕结构以确定钢板的淡水生物结垢防止生物结垢生长的有效性和功效。该应用可用于各种水下钢和其它金属表面的生物结垢保护。另外，该应用可用于淡水或盐水中的任何金属、织物、聚合物或其它基材。这项实验的设计为在5月中旬在UWM淡水科学院附近的海堤处部署垂直片板，并在9月中旬取回以确定生物结垢的有效性。一块板是未进行保护处理的对照板，另外两块板进行了结构保护处理，一块板的经过处理的(杀生物剂涂层)织物面向内朝向钢板和海堤；另一块的经过处理的(杀生物剂涂层)织物面向外远离钢板和海堤。
每块板由1/8"厚的钢板制成。每块板的总尺寸为18.5cm宽x 155cm长。板的顶部在水面下1m处。板通过链悬挂。
四个月测试的结果和数据列于表1和表2中。
表1.垂直钢板化学，2020年6月。
| <u>板</u> | |||
| 2020年6月3日 | |||
| 经过处理的表面 | 经过处理的表面 | ||
| 对照 | 外侧 | 内侧 | |
| 探头时间 | (12:13:17PM) | (12:16:02PM) | (12:17:14PM) |
| 深度m | 0.601 | 0.622 | 0.533 |
| 温度℃ | 24 | 16.4 | 17 |
| ODO％饱和度 | 87.9 | 84.1 | 87.4 |
| ODO mg/L | 8.49 | 8.22 | 8.43 |
| 比电导率μS/cm | 483 | 448 | 535 |
| pH | 7.86 | 7.62 | 7.64 |
| 浊度FNU | 1.09 | 1.03 | 1.23 |
| BGA-PC RFU | 0.08 | 0.05 | 0.06 |
| BGA-PCμg/L | 不适用 | 不适用 | 不适用 |
| 叶绿素RFU | 1.34 | 0.86 | 0.91 |
| 叶绿素μg/L | 4.21 | 3.47 | 3.67 |
| 板 | |||
| 2020年7月27日 | |||
| 经过处理的表面 | 经过处理的表面 | ||
| 对照 | 外侧 | 内侧 | |
| 探头时间 | (12:07:？？PM) | (12:06:34PM) | (12:08:25AM) |
| 深度m | 0.754 | 0.485 | 0.536 |
| 温度℃ | 24.011 | 24.01 | 24.013 |
| ODO％饱和度 | 74 | 73.7 | 73.1 |
| ODO mg/L | 6.22 | 6.19 | 6.17 |
| 比电导率μS/cm | 583 | 583 | 584 |
| pH | 7.85 | 7.85 | 7.84 |
| 浊度FNU | 0.59 | 0.9 | 0.83 |
| BGA-PC RFU | -0.09 | 0.079 | 0.065 |
| BGA-PCμg/L | -0.05 | 0.12 | 0.11 |
| 叶绿素RFU | 1.289 | 1.496 | 1.485 |
| 叶绿素μg/L | 5.22 | 6.05 | 6.07 |
表2.垂直钢板化学，2020年9月。
| <u>板</u> | |||
| 2020年9月10日 | |||
| 经过处理的表面 | 经过处理的表面 | ||
| 对照 | 外侧 | 内侧 | |
| 探头时间 | (10:45:13AM) | (10:49:59AM) | (10:55:21AM) |
| 深度m | 1.138 | 1.164 | 0.5361.137 |
| 温度℃ | 17.11 | 17.11 | 17.12 |
| ODO％饱和度 | 71.6 | 69.6 | 70.4 |
| ODO mg/L | 6.9 | 6.7 | 6.3 |
| 比电导率μS/cm | 557 | 558 | 552 |
| pH | 6.84 | 7.48 | 7.41 |
| 浊度FNU | 2.57 | 7.65 | 5.1 |
| BGA-PC RFU | 0.222 | 0.206 | 0.206 |
| BGA-PCμg/L | 0.19 | 0.18 | 0.1 |
| 叶绿素RFU | 0.956 | 0.955 | 0.944 |
| 叶绿素μg/L | 3.79 | 3.78 | 3.73 |
在这项实验中，对照组和处理组都具有许多低丰度的的原生分类群，包括小线虫、如枝角虫的甲壳类动物、轮虫类、胃虫类、寡毛类蠕虫、硅藻和原生动物。在淡水中，这些小型生物不被认为是造成生物结垢的因素。
主要的生物结垢生物，特别是斑驴贻贝(dreissenid quagga)/斑马贻贝(zebramussels)，和外生苔藓虫。面向内的经过处理的织物(189/m2)比面向外的织物(1108/m2)在防止贻贝生物结垢方面更有效。在之前的实验中，一个类似的实验具有1200/m2的对照贻贝计数(这些观察结果将被重新检查)。在之前的类似实验中，织物面向内，具有0m2的贻贝。与经过处理的织物侧面向外的较高覆盖率(13.3％)相比，经过处理的织物侧面向内的苔藓虫百分比覆盖率较低(5.8％)。对照具有比经过处理的织物更低的覆盖率。
板研究表明，经过处理的织物被设计成片材、帘幕或防护物可以显著减少生物结垢贻贝的数量。与1399/m2的对照相比，处理侧面向内的贻贝丰度为189/m2，处理侧面向外的贻贝丰度为1104/m2。这可通过类似研究的数据得到证实。之前的类似研究具有1200m2贻贝的对照。在这项研究中，对苔藓虫结垢的影响不太清楚，因为对照的百分比覆盖率低于经过处理的织物，无论是向内还是向外。贻贝的大幅减少表明，通过进一步的改进，商业应用可能会获得成功。
经过处理的外壳设计为片材或壁，可减少生物结垢生物在钢板上的沉降至少4个月。与对照相比，外壳大大减少了86％的斑驴和斑马贻贝的沉降和定殖。与背离基材的织物处理侧(织物的杀生物剂涂覆侧位于外侧)相比，面向基材的织物处理侧(织物的杀生物剂涂覆侧位于内侧)在钢板上包含的贻贝少6倍(少83％)。裙部或片材结构可以防止成熟的斑驴贻贝和斑马贻贝在基材上沉降和定殖至少4个月。早期的面盘幼体斑马贻贝能够沉降，但无法从幼体阶段生长到成年阶段。撞击点可能在从早期面盘幼体到具足面盘幼虫阶段的变形之间。由于暴露在光下，附着的光合藻类生长可能出现在结构的外部(处理侧)。
图8描绘了用于保护供水系统免受生物结垢的系统800的另一示范性实施例的透视图，该系统结合了具有多个层的壁结构，其可以包括结合了多个层的壁结构，这些多个层在每层中具有相同、相似或不同的渗透率，在每层中具有相同、相似或不同的材料和/或在每层中具有相同、相似或不同的厚度。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。在各种实施例中，一些层可以与一个或多个相邻层直接接触，而在其它实施例中，相邻层可以以1/10英寸或更小、0.25英寸或更小、0.5英寸或更小、1英寸或更小，或更大间距的间隔开。在一些其它实施例中，各层可以间隔开更大的距离，如1英寸或更大、6英寸或更大、1英尺或更大、10英尺或更大或100英尺或更大。如果需要，一些层可以由多孔中间材料或填料间隔开。
如果需要，第一上层810可以是可移除的，其中移除第一上层(其可以包括“撕掉”或其它类型的连接部分815)从而露出完整的第二下层820，并且移除第二下层露出完整的第三下层(未示出)等，所有这些都在受保护基材的上游。如果需要，第一上层可以是可移除的，而剩余的下层保持完整，然后替换的第一上层可以位于完整的下层周围，如其中第一上层可以变得足够脏以证明移除和/或替换是合理的。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，下层可以在延长的时间段内保持在适当的位置，可以每天、每周、每月、3个月、6个月甚至1年、2年、3年、4年和/或5年或更长时间地更换或替换或移除，如前所述定期移除、替换和/或刷新外层和/或下层(即移除结垢层和立即和/或延迟用新的上层替换)。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。
在至少一个另外的替代实施例中，防污外壳可以包括多个纤维基质介质层或“级”，水流可以穿过这些层或“级”，其中每个层或层的区段对水有不同的调节性能。例如，三级防污系统可以包括用于保护结构的第一层、用于调节水的第二层，以及用于定量供水和/或杀死通过其中的生物的第三层等。如果需要，可以将多个层结合到单个可更换模块中，或者每个层可以单独地移除和/或更换。
图9描绘了用于向储集器910添加和/或从储集器910中移除水性液体和/或其它材料或物质的补充泵送系统900的水流机构的一个示范性实施例。在该实施例中，系统包括外壁或边界，其在一些实施例中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/或不可渗透壁(其在一些实施例中可以包括不可渗透的外壳的一些或全部壁)。可以设置具有流动腔或进水口930和进水管940的泵送机构920，泵进一步包括出口960和出口管或流动腔或流动路径管970，其从泵的出口延伸，穿过储集器的至少一个壁，并且穿过/进入储集器内的水性环境。在各种实施例中，出口管的至少一些流动腔部分980可以在储集器内延伸一定距离，其中出口可能定位成靠近和/或远离受保护基材或供水系统(未示出)和/或储集器的一个或多个壁。在使用过程中，如果需要，可以启动泵送机构，以将外部水以所需的方式供应到储集器中，和/或可以反转泵的操作，以从储集器中抽出水，从而将水释放到储集器外部的环境中。可替代地，泵送机构可以用于向储集器供应额外的氧气或其它水化学因素。如果需要，泵送机构和/或流动腔和/或进水口930中的一些或全部可以定位在储集器内，或者可替代地定位在储集器壁的一些部分内和/或穿过储集器壁的一些部分，或者如果需要，可以定位在储集器的外部。在另一实施例中，水流机构可以是推进器系统、脚踏板系统、流动管、流动渠道或流动通道，它们可以以与泵系统类似的方式用于移动水或产生所需的流动特性。
在各种实施例中，系统组件可以结合不同配置的可渗透壁，包括(1)完全封闭进水口或受保护基材的外壳(即，“盒”或“柔性袋”外壳)，(2)具有围绕进水口或基材的外围的侧壁的外壳(即，封闭基材的侧面但可具有敞开的顶部和/或底部的“裙部”或“帷帘”)，(3)由可围绕进水口或基材组装的模块化壁形成的外壳，其可结合各种开口和/或缺失的模块化部分(即，“开放的网格圆顶”外壳)，(4)仅围绕进水口和/或基材的浸没部分的外壳(即，具有开放顶部的“浮动袋”外壳)，和/或(5)仅保护进水口和/或基材的单侧的外壳(即，“帷帘”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，或者外壳壁和/或外壳可以包含更复杂的结构，如波状表面、波纹状或手风琴状表面(即，见图27)、折叠的、“褶皱的”或“皱缩的”表面和/或其它特征，如果需要的话，这些特征可以显着地增加表面积和/或潜在地改变外壳壁的过滤能力。
在各种实施例中，防污系统可以结合一个或多个壁，其包含三维柔性结构，该三维柔性结构包括纤维长丝且具有约6密耳或更小(即，0.1524毫米或更小)的平均基础长丝直径。在各种可替代的实施例中，外壳可以包含变形聚酯。另外，如80x80粗麻布的天然纤维材料可用于外壳中，即使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导致系统内显著的可测量的pH差异，这可能在各种水性环境中是有用的。如果需要，各种实施例可掺入可降解的和/或可水解的材料和/或键(即，在组分之间和/或沿着组分材料的聚合物链)，其允许组分在水性介质中在一定时间之后降解。
在一些实施例中，防污系统或其各种组件可以促成受保护环境的pH水平的可测量变化，尤其在一种或多种“目标”结垢生物(即，意以某种方式受防污系统影响的生物)可能对pH水平的增加或降低敏感且对其“负面地”响应的情况下。在许多情况下，海洋生物对微酸性pH变化(pH<8)非常敏感。相反，淡水生物通常在7pH至8.4pH范围内存活良好，并且一旦铵含量增加，就开始产生负响应。在一些实施例中，实现本发明的一些或全部目的的pH的有效变化可以是比对受保护系统内的金属和其它材料产生负面影响小得多的变化水平。如果需要，pH控制的防污系统可以提供在给定流体系统中随着pH降低而减少结垢形成的附加益处，其可以以比对构成水系统的材料产生负面影响的水平更低的水平提供。
图23描绘了用于向储集器或水箱添加或从储集器或水箱移除水性液体和/或其它材料或物质的保护性泵送系统的另一示范性实施例。在该实施例中，系统包括任选的外部储集器或水箱，其由固体材料组成，以及内部储集器或容纳水箱，其在一些实施例中可以包含一个或多个可渗透壁，以及在其它实施例中可以包含一个或多个半渗透和/或不可渗透壁(其在一些实施例中可以包括不可渗透的内部储集器的一些或全部壁)。可以设置具有流动腔或滤水器或进水口和进水管的泵送机构，其中泵进一步包括出口和出口管或流动腔或流动路径管，其从泵的出口延伸，穿过内部储集器的至少一个壁，并且穿过/进入储集器内的水性环境。在各种实施例中，至少一些流动腔部分可以在储集器内延伸一定距离，其中流动路径穿过或靠近一个或多个内部储集器进水孔进入内部储集器中。流动路径被引入到调节的或处理的结构条中。流动路径中的液体或其它材料暴露于经过处理的结构条，并绕过条，在条顶部上，在条下方或穿过条。内部储集器可以含有一个或多个可渗透或不可渗透的经过处理的结构条。经过处理的结构条的尺寸可设置成衬在内部储集器的内表面上，或者设置成配合在内部储集器内的多个结构条。多个结构条可以在内部储集器或圆筒内垂直、水平或对角地调整尺寸和定位。经调节或处理的结构条在条的至少一侧上附接到内部储集器，且可紧密地定位以抑制张力或松弛以实现材料柔性。条附接到储集器所需的张力大小取决于流速、储集器的容积和其它因素。经过处理的结构条在层流或流动应用中提供混合。流动路径出口可以被定位成靠近和/或远离受保护基材或供水系统和/或储集器的一个或多个壁。任选的流体滤网或过滤器可以位于出口处。在使用过程中，如果需要，可以启动泵送机构，以将外部水以所需的方式供应到储集器中，和/或可以反转泵的操作，以从储集器中抽出水，从而将水释放到储集器外部的环境中。
在优选实施例中，多个(在一些实施例中可以在125至250个之间)经过处理的结构条(即，2"X 30")可以以垂直配置(其可以包括非张紧的悬架)定位在25加仑的圆筒储集器内。水流过预处理过滤器，然后通过位于储集器底部的进水孔进入圆筒储集器。一旦圆筒储集器注满水，水从顶部流过并到达多个可渗透的经过处理的结构条，然后溢出进入储集器出口。储集器出口可以含有具有经过处理的结构或“生物球”或类似物的任选的容纳台阶。水可以流入另外的滤网/过滤器或热交换器或用于类似的应用。这种系统可用于淡水、咸水和/或微咸水，或本文设想的另一种其它液体。
裙式水箱和条形水箱的实验
在减少生物结垢方面各有潜在的不同应用。裙式水箱和条形水箱对贻贝、苔藓虫、蜗牛和海绵都有相当大的减少作用。与作为对照的条形水箱壁相比，裙式水箱显示出对生物结垢的相当大的遏制作用，尤其是在更接近水箱壁内衬的处理织物处，并且尤其是用于防止贻贝、苔藓虫、海绵和蜗牛生物结垢。在裙式织物上的碎屑堆积中发现少量的贻贝面盘幼体，但是它们显然没有蜕变成幼体，因为幼体或成体都没有出现在裙部上。
使用中央处理圆筒的条形水箱证明了对无脊椎生物结垢生物(包括斑马贻贝、苔藓虫、海绵和肺螺)的显著抑制，其抑制水平为零生物结垢。与接收港口水流入的水箱的外部未处理部分(包括水箱壁、中心圆筒外壁、冷却管外表面、多板人工基材)相比，其具有大量的这些相同生物。
在研究中，分析了一种用于向储集器或水箱添加和/或从储集器或水箱移除水性液体和/或其它材料或物质的保护性泵送系统。这项研究旨在确定具有高速水或泵送水的两个独立的生物结垢处理系统的有效性。其一，“条形水箱”使用具有高密度处理的织物条的中心圆筒，其被设计成最大化暴露接触和时间。另一个系统，即“裙式水箱”，使用围绕水箱内壁缠绕的经过处理的织物裙。每个玻璃纤维/凝胶涂层水箱(495加仑(1874升)，水深为30英寸(76cm))。将密歇根湖港的水泵送到建筑物中，并且几乎均等地分流到每个水箱。流入水在进入水箱之前被引导到Groco牌滤水器。然后水通过孔流入中心圆筒，并且取样部分由辅助泵在竖管处捕获。然后将每个水箱中的水输送到一系列垂直的不锈钢管中，作为可能在工业环境中使用的冷却管的替代物。每根管由SS316(抛光)和SS304未抛光的部分组成。水从这些管流到第二流出的Groco牌滤水器，最后流到排水管进行处理。该系统提供了几个可能生物结垢附着的点：1)流入Groco滤网是来自港口的原水，提供一系列潜在的生物结垢生物，周期为1个月。2)水箱壁的表面(由于裙部松散附接到壁上，限制在裙式水箱中)，为期4个月。3)中央处理圆筒的外壁和内壁，为期4个月。4)PVC竖管的外壁，为期4个月。5)304不锈钢管外壁和内壁，为期4个月。6)316SS管的外壁和内壁，为期4个月。7)将SS管固定在适当位置的铝歧管，为期4个月。8)流出Groco牌滤水器，周期为1个月。流入和流出的Groco牌滤网篮装有两个显微镜载玻片和四个人工基材生物球。9)每个水箱含有4板人工基材，在水箱的底部压印圣诞树，为期4个月。图23粗略估算了通过条形水箱的水流。
下面的表3至表7给出了来自条形和裙式水箱实验的关于结垢量的数据。
表3.条形水箱生物区系。注：数值/ml来源于从对照和试验GROCO滤网收集的1ml样品。
生物结垢技术条形水箱生物区系
水箱尺寸：495加仑//1874升
处理圆筒尺寸：29.1加仑//110.2升
处理侧表面积7.48m2
(处理+未处理表面积14.96m2)
表4.裙式水箱生物区系。注：数值/ml来源于从对照和试验GROCO滤网收集的1ml样品。
生物结垢技术裙式水箱生物区系
水箱尺寸：495加仑//1874升
处理裙部周长尺寸：5.75m
处理裙部表面积4.38m2
表5.水箱冷却管碎屑。
条形水箱和裙式管研究
| SS冷却管 | |||
| 碎屑含量 | |||
| 日期 | |||
| 9/17/2020 | |||
| 316SS | 304SS | 总计 | |
| 条形水箱 | 湿重，g | 湿重，g | g |
| 管1 | 0.6 | 3.8 | 4.4 |
| 管2 | 1.5 | 3.1 | 4.6 |
| 管3 | 1.2 | 2.9 | 4.1 |
| 管4 | 1.7 | 3 | 4.7 |
| 316SS | 304SS | 总计 | |
| 裙式水箱 | 湿重，g | 湿重，g | g |
| 管1 | 4.9 | 12.8 | 17.7 |
| 管2 | 3.6 | 13.7 | 17.3 |
| 管3 | 3.2 | 13.3 | 16.5 |
| 管4 | 3.5 | 13.4 | 16.9 |
表6.水箱人工基材生物区系。
生物结垢技术条形水箱人工基材研究
表7.条形水箱结垢生物区系。
生物结垢技术条形水箱人工基材研究
条形水箱显示出对无脊椎生物结垢生物的明显抑制作用，包括斑马贻贝、苔藓虫、海绵和肺螺，所有这些生物都没有在中央圆筒中进行后处理。接受港湾水流入的水箱的对照外部未处理部分(水箱壁、中心圆筒外壁、冷却管外表面、多板人工基材)具有大量这些生物，斑马贻贝(>1575/m2)；苔藓虫(>28％表面覆盖率)；海绵(>45/m2)；蜗牛(>540/m2)。
包括中心圆筒的内壁、竖管外壁和冷却管内壁的条形水箱处理部分没有相同的无脊椎生物结垢生物(斑马贻贝、苔藓虫、海绵和肺螺)的定殖，除了生活在中心圆筒中的水/空气界面处的单个蜗牛样本。淡水肺螺能耐受恶劣的环境，很大程度上是因为它们没有鳃，而是有一个肺腔，能从大气中吸收氧气。因此，它们能够耐受低氧环境，并避免鳃对刺激性化学物质的敏感性。
条形水箱冷却管内腔无生物结垢生物；然而，壁上有少量的碎屑堆积(参见图)。相比之下，裙式水箱冷却管内腔在壁上堆积的碎屑(参见图)明显多于条形水箱管内腔。这种差异可能与条形水箱和裙式水箱内壁上存在的微膜(细菌？)有关，也与小型无脊椎动物的生物活性较大有关，尤其是裙式水箱管中存在的线虫和轮虫(在条形水箱的中心圆筒中发现了一种线虫)。
对条形水箱中多样性变化的比较(表C6)表明，在为期4个月的实验过程中，相对于常见的分类群，该系统不成比例地减少了稀有分类群，这表明生物结垢处理产生了扭曲的光谱影响。相对于裙式水箱的多样性(参见下文)，这可能是由于更大的表面处理面积和水在中心圆筒内的有限接触。这表明与裙部系统相比，诱导应力(处理)更大。而且，这可以相对于裙式水箱系统(如下)得到支持，在裙式水箱系统中，远离外围水箱处理织物的结垢更大，即与水的处理接触更少。这些多样性相关的推论是基于有限数据的初步建议。
与用作对照的条形水箱壁相比，裙式水箱显示出对生物结垢的相当大的遏制作用，尤其是在更靠近水箱壁内衬的处理织物处，并且尤其是用于防止贻贝、苔藓虫、海绵和蜗牛生物结垢。在裙式织物上的碎屑堆积中发现少量的贻贝面盘幼体，但是它们显然没有蜕变成幼体，因为幼体或成体都没有出现在裙部上。
裙式水箱的处理织物、多板人工基材和中心圆筒的布置提供了观察65cm以上的生物结垢差异的机会，其范围从靠近壁织物到多板和到最远离经过处理的织物的中心圆筒。斑马贻贝在织物裙上实际上为零，在多板上为7/m2，在中心圆筒上为31/m2。苔藓虫生物结垢在织物处为零，在多板上达到约1％的覆盖率，在中心圆筒上达到约10％的覆盖率。多板和中心圆筒上始终没有海绵和蜗牛。通常，裙式水箱中的生物结垢显著低于对照条形水箱(外部区域)中的生物结垢。
对裙式水箱中多样性变化的比较(表C7)表明，在为期4个月的实验过程中，系统成比例地影响稀有和常见的分类群，表明了生物结垢处理的广谱影响。
经过处理的织物裙部提供至少4个月的保护，防止生物结垢生物沉降。与未受保护的对照水箱相比，裙式水箱中的生物结垢明显较低。裙式水箱对包括斑马贻贝、苔藓虫、海绵和肺螺的无脊椎生物结垢生物表现出相当大的遏制作用。在裙式织物上的碎屑堆积中发现少量的贻贝面盘幼体，但从未蜕变成幼体或成体。斑马贻贝在多板上为7/m2，在中心圆筒上为31/m2。在裙式织物、多层板和中心圆筒上始终没有海绵和蜗牛。与暴露于来自条形实验的经过处理的水的冷却管内壁相比，暴露于来自裙部实验的经过处理的水的冷却管内壁含有更多的碎屑堆积。与条形水箱中经过处理的水浊度相比，裙式水箱中经过处理的水浊度显著更高。与条形实验的水箱内壁相比，用于裙部实验的水箱内壁含有更多的微膜。
与裙部实验中的处理水相比，条形实验中的处理水含有较少的生物结垢生物活性。条形水箱显示出明显的无脊椎生物结垢生物居住，包括斑马贻贝、苔藓虫、海绵和肺螺。与暴露于来自裙部实验的经过处理的水的冷却管内壁相比，暴露于来自条形实验的经过处理的水的冷却管内壁含有少74％的碎屑堆积。条形水箱中的生物多样性变化表明，相对于常见的分类群，该系统不成比例地减少了稀有分类群，这表明生物结垢处理产生了扭曲的光谱影响。这可能是由于更大的表面处理面积和水在中心圆筒内的有限接触，这导致与裙部处理相比更大的诱导应力。在4个月的时间里，条形水箱生物球基材的微结垢减少了15.6％。
驻留时间和停留时间
在一些情况下，可以建立水或其它水性流体的储集器，该储集器的水或其它水性流体的用量远远超过给定水系统几秒、几分钟、几小时、一天或一周的用量，其中可以在储集器中引入如本文所述的各种水化学“差异”，以在水系统内的基材上产生、维持和管理各种所需的防污效果。然而，在其它情况下，可能需要和/或希望构造一种具有很少或没有储集器容量的系统，如直接从自然水源中汲取水以便立即使用，和/或结合明显少于一天或甚至几个小时的水使用供应的储集器，尤其是在设计约束可能受到可用不动产量、环境问题和/或水性介质的其它同时使用的限制的情况下。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。在这种情况下，可以定期和/或连续地监测储集器内的水化学，根据需要对储集器内的水进行一种或多种水调理处理。
例如，可以通过比较一天左右的预期需求量和允许水化学在一些或全部水系统内达到期望的和/或可接受的水平的所需时间(在各种替代实施例中，这可以被称为“停留时间”、“驻留时间”和/或“周转时间”)来确定期望的最小外壳尺寸和相关组件。对于一些优选实施例，术语“驻留时间”和/或“停留时间”和/或“周转时间”和类似术语可以互换使用。“停留时间”是一个众所周知的术语，适用于流体在流体储集器中的保持时间，通常是水分子在储集器中停留的平均时间的量度。为稳态系统定义的停留时间可以等于储集器体积除以流入或流出速率，尽管在一些系统(包括本文公开的各种实施例)中，停留时间可以任选地将储集器内一定量的液体“混合”结合到等式中。可替代地，流体块的停留时间可以是块在控制体积内(例如：在储集器中、在水系统中、在化学反应器中、在热交换器或其它组件中、在湖中和/或甚至在人体内)花费的总时间。一“组”块的驻留时间可以根据该组中驻留时间的频率分布(称为驻留时间分布(RTD))或根据其平均值(称为平均驻留时间)来量化。
“停留时间”可以具有类似的定义，但通常具体作为“驻留时间”应用(即，用于军事和/或计算机应用中)。通常，驻留时间是体积和流速(体积/流速)的数学关系——此外，驻留时间通常可被视为周转率的倒数。
在防污系统的各种实施例中，系统组件可以包括在水系统的受保护水中提供足够的停留时间和/或驻留时间的一个或多个组件，如其中存在足够的时间用于溶解氧(DO)和/或其它水质元素改变到期望的水平，以及理想地提供足够的时间用于结垢生物以评估和评价受保护环境内的沉降吸引力。在水的预处理可以进行足够的停留时间的情况下，这可以允许结垢生物在一些实施例中进行评估以避免沉降和/或定殖。
在各种实施例中，足以抑制和/或防止基材和/或水系统组件结垢的停留时间的量可以随多种因素而变化，包括水流、温度、生物花卉类型、生长季节、盐度、阳光、可利用的营养物和/或氧气、污染物等。在一些情况下，可能需要最小量的水化学变化实现期望的结果，而在其它实施例中，可能需要更显著的水化学变化以实现期望的结果。在一些情况下，在进入和/或通过防污外壳之后仅几秒、几分钟或几小时的停留时间就可以产生足够的水化学变化，而更长的停留时间，几天或几个月或几年可能是期望的和/或必须的，以实现期望的结果。最佳结果所需的停留时间可以根据应用进行调整或修改。一些应用需要10秒、30秒、1分钟、4分钟、10分钟、30分钟、1小时、2小时、4小时、6小时、12小时、24小时、3天、7天、10天、14天、30天、60天、3个月、6个月、9个月或12个月的停留时间。
例如，防污系统的一个示范性实施例可以包含过滤和/或定量给料单元，其包含至少一层可渗透结构，该可渗透结构具有外表面、内表面和在其间延伸的多个孔，该可渗透结构在外表面上具有杀生物剂涂层，该杀生物剂涂层至少部分地延伸到多个孔中，该过滤单元靠近水回路的进水位置定位，其中穿过水回路的水的一些或全部穿过过滤单元，其中水需要平均停留时间以通过过滤和/或定量给料单元和水回路并且从水回路的排水口排出，其中杀生物剂涂层可以将杀生物剂洗脱到穿过过滤和/或定量给料单元的水中，杀生物剂与水中的多种结垢生物接触并抑制多种结垢生物中的至少一种物种在至少平均停留时间内在水回路内的一个或多个基材表面上定殖的能力。
在一些实施例中(如在较高流速系统中)，对于防污系统而言，仅减少和/或限制生物必须评估和/或“拒绝”环境水生条件以充分阻止定殖和/或沉降的时间量可能是足够的，这可以任选地与由防污系统提供的各种水化学变化和/或其它效应一致。然而，在一些其它情况下，在生物的所述“评估”可以完成和/或所需的水化学变化生效之前，在水系统中的较高流速可以迫使和/或牵引结垢生物进入和/或穿过受保护环境，这可能由于以较高的速率发生的“机会性”沉降和/或定殖而导致结垢增加，微生物自然脱离速率的改变以及微生物捕食者和/或类似物对结垢生物的不同程度的机会性“放牧”，可能会进一步加剧这种情况。在许多情况下，期望获得所需流速(或范围或流速)的“最有效点”，其最小化结垢生物的沉降和/或定殖，同时增加和/或促进结垢生物脱离和/或微观捕食者对结垢生物的消耗等。
在一些实施例中，防污系统将理想地产生一种或多种防止和/或抑制受保护环境内的各种结垢活动的条件，如通过诱导在受保护环境内产生防污生物膜、杀死和/或伤害结垢生物和/或诱导受保护环境内的各种生物的行为，这些行为可能会抑制结垢生物在基材上的沉降、定殖和/或生长。例如，此类抑制活性可包括对结垢生物本身的直接作用(即，抑制定殖和/或生长或促进脱离)以及对可能在受保护环境内产生和/或形成生物膜的生物和/或对可能在受保护环境内捕食结垢生物的捕食生物的作用。此类抑制作用可以是永久的、持久的和/或长期持续的，或者可以是暂时的，持续所需的一段时间，如持续2秒或更少、持续5秒或更少、持续30秒或更少、持续1分钟或更少、持续5分钟或更少、持续10分钟或更少、持续30分钟或更少、持续1小时或更少、持续6小时或更少、持续12小时或更少、持续1天或更少，或在一些或全部受保护环境或其各个部分内的其它时间长度。
在其中无法达到最小储集器尺寸的一些情况下，或者在水化学变化需要一段不理想的时间才能达到的情况下，则可能希望根据需要调节水，这可能包括当储集器内的水被排出和/或以其它方式更换时的周期性“更新”处理。此外，在不需要使用大储集器的情况下，如果需要，本文所述的各种水调理处理可以连续地用于较小的储集器和/或甚至用于设施的吸入管道内。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)。在给定的储集器内没有足够的停留时间来完成批处理的情况下，或者在可能需要连续处理水的闭环处理技术的情况下(即，使用闭环测试和处理回路来确定和/或保持期望的水化学水平(氧水平等)在一定范围内)，此类处理可能是特别有用的。在各种实施例中，本文所述的各种系统设计和/或水调理处理可根据需要单独和/或一起使用，如果需要，这可以包括在低需水时段期间单独使用储集器，以及在较高需水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。
在许多情况下，特定种类的结垢生物将在一个或多个最佳条件范围内存活和繁衍，这些条件包括温度、氧或其它溶解气体水平、溶解固体水平、pH、水流速和其它条件的范围。关于水流速，具体的最佳流速通常取决于结垢生物的类型。许多结垢生物已经适应了“更高”的流动水域生存；例如，斑马贻贝最初是河流物种，在高流速下繁衍。许多结垢生物的最佳流速可取决于生物的游泳能力和它们所吃的食物(即，高流速通常有助于将食物递送至不流动或较少流动的生物)。通常，如果流速变得太低或低于生物的临界低流速水平，则生物可能“饿死”，开始分解并由于缺乏食物和营养物(包括溶解氧、氮和/或其它因素)而变得不健康。如果流速变得太高，一些生物可能没有时间或手段在基材上沉降和/或繁衍。通常，大多数生物由于其最佳流速而具有“最有效点(sweet spot)”，其在一些实施例中可用作防污外壳系统的一部分。
大型水系统和热交换器效率
大规模流体系统用于各种各样的过程中，并且在其最基本的过程中，这些系统依赖于流体运动和流体消耗。通常，流体将包含水，在许多情况下，水可以是从海湾、大海和/或海洋抽取的盐水，从河流、湖泊或井/含水层抽取的淡水或来自各种来源的废水。一些设施利用直流或单程冷却过程，其中水被抽入工厂的系统中并用于单程通过过程和/或装备，然后水被排放到环境中，而其它设施在水进入过程、装备或设备之前使用包括塔或储集器的水再循环系统，其设法抽出未使用的或未消耗的水，允许未消耗的水通过过程或装备多次回流。虽然与单程系统相比，再循环水系统从外部来源抽取较少的水，但再循环系统通常仍然需要大量的“补给”水或替换水以补充因蒸发损失的水(对于开放式再循环系统)和“排泄”或排放含有浓缩溶解固体的液体而损失的水。
在一些情况下，直流或单程系统可以利用20至40倍多的水以去除废物、热量或其它不期望的参数，如同以5个循环的再循环操作的储集器系统一样。对于非限制性实例，使用直流冷却的发电厂可以消耗20,000至50,000gal/MWh的发电量，而使用循环冷却的类似发电厂可以仅消耗500至1,200gal/MWh的发电量。尽管贯流电厂的水负荷是巨大的，每小时大约3,500,000到8,750,000加仑才能为175MWh的发电厂供电，但即使是再循环工厂仍然需要显著量的水，大约每小时87,500到210,000加仑，相当于175MWh。
水是许多生命形式的有利环境。在单程系统中，被吸入系统中的水通常充满成体和/或幼体结垢生物和/或幼体，其中许多会试图在各种水下表面定殖。即使对于没有或具有减少的水摄入的再循环系统(与单程系统相比)，进入系统的任何替换水或“补给”水将通常含有大量活生物，并且再循环系统的流动特性经常促进固着生物的定殖以使用食物、氧气和营养物的循环供应，并且在一些实施例中，水温可能变得足够高以支持系统的各个部分中的嗜热群体。这些生物通常会在水系统内的任何表面或材料的润湿表面上定殖，包括管道、阀、格栅、过滤器、泵等，这可以显著降低系统的耗水速率或系统的任何所需生产率。在许多情况下，即使在系统表面上形成的薄生物膜也会显着地隔离该表面，降低其效率并大大增加系统的总体运行成本。在各种实施例中，所公开的系统可以显着地提高小型或大型水系统(非限制性实例为冷却水系统)中任何所需过程的效率、功能性和/或耐久性。对于非限制性实例，用于热交换器的冷却水系统，其中热量从较热的流体或气体传递到较冷的流体或气体，其中该热量通常行进通过“热传递表面”，该热传递表面通常是将热物质和冷物质分开的热传递管道的金属壁。
表8：薄膜厚度和表面热传递效率
表9：由于生物结垢而增加操作成本
在各种实施例中，所公开的防污系统可以包括减少任何水系统(如热交换器和/或冷却塔的热传递管道)内的生物膜形成的方法，其中系统组件包括柔性多孔结构组件(具有施加到柔性多孔结构的第一表面的任选杀生物剂涂层)，柔性多孔结构具有从柔性多孔结构的第一表面延伸到第二表面的多个孔，以及将结构放置在热交换/热传递管道上游的位置处的冷却塔的水流中，其中水流从第一表面到第二表面流过多个孔(并且在一些实施例中，任选的杀生物剂从涂层洗脱到水流中)，其中水化学发生变化和/或任选的杀生物剂接触水流中的多种生物结垢生物，从而在热交换器/热传递管道的内表面上形成与来自未经处理的水流的未经处理的生物膜厚度相比厚度减小的生物膜。
除了直接降低热传递效率之外，生物结垢通常还会引起和/或导致润湿的金属表面上的结垢和/或腐蚀，因为随着生物膜的增厚，靠近管壁的材料和/或细胞接触到的氧气可能会减少。如硫酸盐还原菌株等细菌可以生成在称为微生物影响腐蚀(MIC)的过程中攻击金属的代谢物。在1980年代和1990年代初期进行的研究中，估计清洁、流体处理、替换零件和因热交换器结垢导致的生产损失的成本大约为所有工业化国家GDP的0.25％。对于加工厂，修理热交换器和锅炉的估计成本大约为整个工厂维护成本的15％，其中约一半的成本完全是由于结垢造成的。2016年，世界腐蚀管理局(美国腐蚀工程师协会(NACEInternational))估计全球腐蚀成本为2.5万亿美元。
在许多系统中，热交换器组件通常被过度设计至少70％至80％，该量理想地包括对由于热交换表面结垢而导致的预期效率降低30％至50％的补偿。除了减少热传递之外，结垢的累积还可能会减少管或流动通道的横截面积，从而增加了流体通过热传递表面的阻力。持续降低的流量会显著地增加跨热交换器的压力下降，进一步降低流动速率并加剧热传递问题(包含最终堵塞热交换器管道)。然而，通过控制和/或改善这些系统中的许多系统中生物结垢的影响，本系统允许操作员将这种所需的“过度设计”减少显著的水平，这可以导致资本设备的大量节省。
类似地，在任何循环水系统的各种元件中都会出现生物结垢，如冷却塔，其可以显著改变流量分布并显著地降低蒸发冷却速率。这些系统中的生物结垢也可能产生不良影响，如增加系统金属壁中的腐蚀速率的氧浓度，以及促进潜在致命生物(如生活在变形虫中的军团菌)的生长和分布。在各种实施例中，生物结垢保护系统实施例可以包括用于减少在制造厂或发电厂的水回路中流动的水中出现军团菌的装置，其包含：外壳单元，该外壳单元包含至少一层可渗透结构，该可渗透结构具有外表面、内表面和在其间延伸的多个孔，该可渗透结构在外表面上具有杀生物剂涂层，该杀生物剂涂层至少部分地延伸到多个孔中；以及除氧系统，其去除通过外壳单元的水中的溶解氧的至少一部分；外壳单元定位在水回路的水过滤位置，其中水回路中的至少一些部分水穿过外壳单元，其中杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到穿过外壳单元的水中，杀生物剂接触水中的多种军团菌属生物并抑制多种军团菌属生物在水回路中的一个或多个基材表面上繁衍或定殖的能力。
在各种实施例中，公开了生物结垢保护系统的实施例，其可以显著降低在水系统(非限制性实例为热交换器管道)的任何表面上形成的生物结垢薄膜的厚度和/或程度，从而降低生物结垢的绝缘效果并确保维持系统内的最佳热传递效率水平。在一些实施例中，本文所述的生物结垢保护系统可以为系统的整体和/或多个部分提供结垢保护，而其它实施例可以为系统的特定区域和/或“模块”提供“局部”或特定保护，如作为非限制性实例，系统中的一个或多个热交换器的润湿热传递表面。
在一个示范性实施例中，生物结垢保护系统可以包括任选的浸渍有杀生物剂的外壳或“杀生物过滤器”元件，一些或全部水流可以通过该外壳或“杀生物过滤器”元件。理想地，该元件可以抑制和/或“滤出”各种“较大”结垢生物的一些和/或全部，包括许多结垢物种的成体生物，和较大的沉降幼虫，如被囊动物，而元件中的杀生物剂将理想地杀死、伤害和/或灭活各种“较小”和/或不成熟的结垢生物。这种抑制可以理想地包括在有限的时间段内抑制润湿表面上的定殖，例如目标结垢生物通过热交换管道和/或整个水系统(例如在单程系统中)所需的时间量。在各种实施例中，由防污系统潜在诱导的环境变化(其可以包括来自任选的浸渍有杀生物剂的纤维基质介质的影响)可以诱导在任何系统表面上形成薄的、最小的和/或导热的生物膜，作为非限制性实例为润湿的热传递表面，与可能受到生物结垢负面影响的现有热传递系统的热传递效率/组件相比，这将理想地提高热传递效率和/或热传递组件的使用寿命。在各种替代实施例中，防污系统可以诱导在任何系统表面上形成可容易移除或可还原的生物膜，作为非限制性实例为润湿的热传递表面，与现有生物膜相比，可以使用较便宜和/或侵入性较小的清洁方法来移除生物膜。
对于非限制性实例，定位在热交换器单元上游的防污系统可以包括水处理外壳，该水处理外壳包括柔性多孔结构，该柔性多孔结构具有包含施加到柔性多孔结构的第一表面的杀生物剂的涂层，该柔性多孔结构具有从柔性多孔结构的第一表面延伸到第二表面的多个孔，其中涂覆的结构放置在具有第一平均温度的水流中，其中水流以第一平均水温从第一表面到第二表面流过多个孔，并且杀生物剂从涂层洗脱到水流中，杀生物剂接触多种生物结垢生物，其中将水流加热至高于第一平均温度的第二温度，并且杀生物剂抑制多种生物结垢生物在与水流的第二温度下的水接触的基材表面上定殖。在各种实施例中，杀生物剂在第一水温和第二水温下为水提供结垢保护的有效性可以是等同的，从第一温度到第二温度可以提高到一定程度，和/或从第一温度到第二温度可以降低到一定程度。在各种其它实施例中，水的温度可以改变杀生物剂从涂层中洗脱的速率，包括增加杀生物剂洗脱的升高温度以及减少一种或多种杀生物剂的洗脱的升高温度(其可以包括对于单一涂层内的多种杀生物剂制剂的单独杀生物剂洗脱速率的不同改变)。
各种实施例可以包括有助于减少来自水系统的水流中的多种生物结垢生物的微生物影响腐蚀(MIC)的组件，其中系统可以包括柔性多孔结构(具有包含施加到柔性多孔结构的第一表面的杀生物剂的任选涂层，该柔性多孔结构具有从柔性多孔结构的第一表面延伸到第二表面的多个孔)，以及将涂覆的结构放置在水流中，其中水流从第一表面到第二表面流过多个孔，并且诱导水化学变化和/或任选地将杀生物剂从涂层洗脱到水流中，其中水化学变化和/或杀生物剂抑制多种生物结垢生物在位于结构下游的基材表面上定殖。
在各种实施例中，浸渍有杀生物剂的外壳将理想地抑制外壳本身上和/或外壳内的生物结垢生长，这将极大地提高所公开系统中外壳的性能、使用寿命和/或适用性。杀生物剂的存在将理想地抑制生物在外壳的外表面和/或内表面上的附着、沉降和/或生长，这可以保持外壳的柔性，并显著降低由于结垢生物的存在和/或总重的增加而导致纤维基质撕破、撕裂和/或其它失效的机会。另外，杀生物剂的存在和分布将进一步理想地防止和/或抑制结垢生物(特别是孢子、繁殖体、幼虫和/或幼体形式)在外壳的开口和/或“孔”内附着、沉降和/或生长。在许多情况下，杀生物剂对同一物种的成体和幼体成员可能具有非常不同的效力水平，与保护较小和/或幼体生物所需的剂量相比，通常需要显著更高剂量的给定杀生物剂以防止较大和/或成熟生物的结垢活动。通过抑制较大生物通过外壳，并在较小生物通过外壳的杀生物剂涂覆的孔时直接向其施用高效剂量的杀生物剂，本系统提供高效的结垢保护，而不需要高毒性水平的杀生物剂和/或其它系统组件。
在本文公开的各种实施例中，在施加到柔性纤维基质表面并穿透其表面的涂层中包含一种或多种杀生物剂和/或其它化学品/毒素可以显著提高给定杀生物剂进入水性介质(如流过防污外壳的基质的环境水)的剂量和有效性。在许多情况下，接触基质的大量水流将被“打断”或分割成许多单独的“水流”，这些水流穿过结构中的开口、孔和/或间隙(即，在一些实施例中，在结构编织的单根线之间)。这些单独的水流将理想地通过基质的单独的线，其中许多线具有涂层，该涂层将杀生物剂和/或其它化学品/毒素洗脱到直接在旁边流动的水中。这些水流和洗脱的杀生物剂将继续通过纤维基质，其中通过基质的曲折路径将理想地将水与杀生物剂或其它化学品在各种水流和其中所含的结垢生物中持续混合、搅拌和分配。一旦水离开基质，水流将重新结合成大量的“经过处理的”水流，其中绝大多数结垢生物将在它们通过纤维基质期间和/或之后接触杀生物剂或其它化学品并受到其影响。以这种方式，在所公开的防污系统中，由浸渍有杀生物剂的基质实现的单独的流体定量给料代表了对现有杀生物剂或目前使用的其它化学定量给料系统的显著改进。
由于在给定面积或体积的外壳结构中可能存在极大量的“孔”或其它开口，这些“孔”的壁可能涂覆有杀生物剂洗脱涂层，因此水流内结构的有效洗脱表面积可能比同等平面的有效洗脱表面积大许多倍。在许多情况下，通过这种多孔介质洗脱到水流中的杀生物剂的量可以是从相同尺寸的平坦表面洗脱的量的1.1、1.5、2、3、4、5、6、7、8、9、10、100、1000倍或更多倍。此外，因为杀生物剂可以直接洗脱到通过结构孔的无数水流中的每一个中，所以与从沿着水流的一个或多个位置的大量或定期定量给料相比，杀生物剂在水流中的分布和均匀性大大提高。另外，可以以各种方式操纵(即，压缩和/或扩张)柔性外壳结构以进一步增强其在各种环境中的效用(即，压缩和/或“挤压”结构介质以减小其整体尺寸，但保持其较大的有效表面积)。
在各种实施例中，所公开的防污装置“下游”的大部分和/或全部水性介质将理想地穿过一个或多个浸渍有杀生物剂的外壳组件，而在其它实施例中，流体流的一些部分可能已绕过和/或未通过浸渍有杀生物剂的外壳。例如，“裙部”或其它生物结垢保护装置可以结合有浸渍有杀生物剂的外壳的外围“壁”，而装置的各种开口和/或底部可以对周围环境开放。在这种情况下，生物结垢对于任何受保护的基材仍然是有效的，因为与未受保护的基材相比，外壳的存在及其影响仍然可以在一定程度上减少受保护的基材的结垢。以类似的方式，水或其它液体的水性流可以受益于通过本文公开的生物结垢保护装置(即，其可以结合一个或多个包含浸渍有杀生物剂的外壳的防污单元)的水流的部分“过滤”，因为此类过滤可以理想地去除和/或灭活水流内较大和/或较小的结垢生物，而水流中一定量的洗脱的杀生物剂将与剩余的未处理的水混合，从而潜在地抑制纤维基质下游区域内的生物结垢生物的活性。类似防污系统的这种“部分过滤”在如冷却塔和/或类似物的循环水流中特别有用。
结构设计和材料性能
在各种实施例中，描述了各种各样的结构和/或其它结构，其可以结合到本文描述的一些或全部结垢保护系统中。在这些实施例中的许多实施例中，可以将涂层或涂料结合到该结构中，其中涂层或涂料包括一种或多种杀生物和/或生物毒性物质，其可释放和/或洗脱到流过结构和/或其孔的流体中。
图10A描绘了示范性纺纱1000的一个示范性扫描电子显微镜(SEM)显微照片，其描绘了缠结长丝1020的中心体或纱线束1010，其中各种长丝末端1030相对于中心体1010横向延伸。图10B描绘了中心体1010的横截面图，突出显示了纱线束1010内的单个长丝1020的非常细的尺寸。如图10C最佳所示，其描绘了包含PET纺纱的针织结构1050的放大视图，在针织过程中，一系列间隙或开口1080定位在纱线束1070之间，其中一根或多根延伸纤维或纤维末端1090延伸穿过各个开口(在各种实施例中，多个纤维末端理想地穿过每个开口)。
在各种实施例中，结构或外壳和其中受保护的基材可以分开和/或间隔开约200英寸，或约150英寸，或约144英寸，或约72英寸或更小，或约36英寸或更小，或约24英寸或更小，或约12英寸或更小，或约6英寸或更小，或约1英寸或更小，或约1英寸或更大，或约6英寸或更大，或约1英寸至约24英寸，或约2英寸至约24英寸，或约4英寸至约24英寸，或约6英寸至约24英寸，或约12英寸至约24英寸，或约1英寸至约12英寸，或约2英寸至约12英寸，或约4英寸至约12英寸，或约6英寸至约12英寸，或约1英寸至约6英寸，或约2英寸至约6英寸和/或约4英寸至约6英寸的最小间隔(即，外壳的内壁与基材的外表面之间)。在各种替代实施例中，至少一些或全部外壳可以在一个或多个区域(包括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，介质与基材之间可能基本上只有很小的距离或没有距离。
图11A描绘了呈轧制片材形式的示范性结构材料1100，其可以多种方式用于形成本文描述的各种防污系统和/或元件。在该实施例中，材料理想地包含柔性纤维材料，在这种情况下为结构材料，其可以包括天然纤维布以及聚酯或其它合成纤维的编织、针织、毡制、非编织和/或其它结构，和/或其各种组合。在各种实施例中，该结构可用于构造本文描述的各种实施例，和/或可能和/或期望用这种轧制片材包裹或以其它方式“覆盖”细长基材，尤其是在未轧制和包裹的片材可以与其它片材部分重叠(即，沿着桩或支撑梁)的情况下，这可以形成包含逐渐包裹的基材或进水口的“外壳”，其中结构材料以重叠的“理发招牌杆(barber pole)”或五朔节花柱型技术缠绕在基材周围或内衬水箱或灌溉管的内壁。在这种情况下，可能希望结构直接接触受保护的基材或进水口，在结构外壳壁和基材表面之间具有非常薄的液体层(以及任选地，结构本身内的液体)，构成如本文所述的“差异化的环境”。
在一个实施例中，一个或多个结构和/或外壳包裹可以完全地或部分地封闭基材或基材的部分。在非限制性实例中，当基材完全浸没、部分浸没或定位在吃水线处至少18个月，或至少12个月，或至少6个月，或至少3个月时，以“理发招牌杆”技术用外壳材料包裹木桩可消除或显著减少木材基材上的结垢。
在实验中，将具有覆盖整个长度的松散外壳袋(袋)、覆盖整个桩长度的紧密外壳包裹(包裹)、在吃水线处部分覆盖桩的紧密外壳包裹(吃水线)的桩和未保护的桩(开放)随机化并悬挂在一条线上，以使其保持在最高潮汐之上的部分。经过处理的外壳袋和外壳包裹至少可在18个月内显著减少木桩上的结垢。封闭和包裹的木桩含有由管虫和藤壶组成的轻质结垢，表面没有钻孔迹象。此外，浸泡18个月后，经过处理的外壳和包裹在织物上含有结垢。即使在超过1.5年后，结构、外壳包裹和袋子也显着地减少了结垢的覆盖。
外壳包裹已经显示出消除或减少木桩上的钻孔生物的存在至少18个月，或至少12个月，或至少6个月，或至少3个月。在木桩周围完全封闭的经过处理的外壳防止在木桩上钻孔，而包裹在木桩周围的织物显著减少在木材上钻孔至少18个月；然而，钻孔发生在不受外壳或包裹保护的木材上。在外壳包裹下，钻孔现象显著减少，并且在蛀船虫无法进入的情况下，通过袋子来防止钻孔。当在盐或淡水中浸没至少18个月后，用至少一个袋子或包裹完全或部分封闭时，木桩或其它木材基材上的生物结垢和钻孔的量可以减少100％，或99％，或75％，或50％，或25％，或10％。
图11B描绘了卷式片材结构1105的另一示范性实施例，该卷式片材结构沿着结构的不同部分结合有粘合剂、钩环紧固件材料1110(和/或缝合接缝)，该材料可以理想地自粘附到其它结构部分和/或其它装置和/或组件上，其中结构的大部分包含如本文描述的穿孔的或可渗透的部分1120(并且在不同的实施例中，紧固件材料自身也可以包含可渗透的和/或不可渗透的部分)。如果需要，覆盖一些其它结构部分的材料翼片可以是不可渗透的并保护下层结构。
在使用中，该结构可以缠绕在进水口或支撑梁或其它结构周围以形成围绕进水口或受保护的基材的一些部分的外壳，这可以包括渐进式缠绕方法(即，“理发招牌杆”型缠绕)或圆形缠绕方法(即，“循环”型缠绕)以产生在功能上类似于本文描述的各种外壳，以保护进水口和/或水系统的各个部分免受生物结垢生物和/或其它降解。在各种实施例中，使用钩和环或类似紧固件的附接可能是特别理想的，因为此类紧固技术可以使其具有渗透性，并允许水通过其以类似于本文所述的各种渗透性材料的方式进行交换。
在另一实施例中，结构或外壳(完全或部分封闭的)可以保护金属链或其它金属基材免受结垢和腐蚀。经过处理的结构和外壳提供了有效的保护，并大大减少了金属链上的结垢和腐蚀至少19个月，或至少18个月，或至少12个月，或至少6个月，或至少3个月。
在一个实验测试中，金属链悬挂在开普码头的18'船坞或同一码头的10'驳船上。船坞上的链相对于潮汐是固定的，因此具有完全暴露、完全浸没和潮间带(浸没/浸没)部分。驳船上的链随着变化的潮汐而浮动，具有完全浸没、完全暴露和吃水线部分。如图30所示，对链的四种处理和一种对照分别进行了三次重复试验：(1)具有覆盖整个长度的完全封闭的结构/外壳的链(全)，(2)具有固定在吃水线周围的结构/外壳的链(吃水线)，(3)具有在吃水线处浮动(通过吊杆)的结构/外壳的链，即保护结构随潮汐移动(浮动)，以及(4)未受保护的对照(开放)。固定在船坞上的链被随机化并悬挂在一条线上，使得它们保持在最高潮汐以上的一段距离。固定在驳船上的链悬挂在夹板上，并由于空间限制而设置成块状设计。2月中旬，浸泡所有链。
19个月后，至少一个结构完全封闭的链含有非常轻的结垢，由分散在链长度上的管虫组成。经过处理的结构/外壳为位于外壳覆盖区域吃水线处的金属链提供至少19个月的有效保护。轻度结垢开始积聚在保护外壳的链上。19个月后，浮动吃水线外壳开始降解，并在未受保护的链上含带有结垢的洞。
当浸入水中时，金属上任何有氧气电池形成的地方都可能发生腐蚀。氧气电池出现在水中有氧或其它化学梯度的区域中。当浸入水中至少19个月，或至少18个月，或至少12个月，或至少6个月，或至少3个月时，保护结构或外壳(袋装或包裹的)可以减少或消除对金属的腐蚀影响。在实验中，完全封闭的链和封闭的链在吃水线处出现最小程度的腐蚀，而未受保护的链完全被生物结垢和腐蚀覆盖。腐蚀可能是由于外壳内部的氧气梯度和/或外壳在链上摩擦造成的链上的白垩流失造成的。此外，在外壳损坏的区域和外壳材料流失的区域观察到腐蚀。
如果需要，可以使用可以组装成三维(3D)构造的单独组件区段来构造系统。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，以类似于贴带或“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)。
纤维结构基质和过滤
在各种替代实施例中，外壳、系统和/或其组件材料可以包含三维结构基质和/或纤维基质，其由形成为网格状、网状、垫状或带孔结构布置的交织和/或缠绕的线股形成，在各种实施例中可结合一个或多个非平坦和/或非平滑结构层。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。理想地，外壳材料中的每个纱线或其它线元件将包括预选数量的单股线，其中至少一部分股线在不同位置和/或方向上从线芯元件向外延伸，从而在结构中形成交织线和线股的三维曲折网络。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括使用纤维基质和/或高度纤毛的柔性材料，这意味着该材料可以包括从其表面突出或伸入三维柔性结构中的孔或开放空间中的卷须或毛发状附件(即纤维)，其产生纤维基质和/或“过滤”介质。卷须或毛发状附件可以是构成三维柔性材料的材料的一部分或并入其中。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。在本发明的方面中，卷须或毛发状附件可以从纤维基质材料的表面突出，而在其它方面中，卷须或毛发状附件可以从纤维材料向内延伸和/或向内朝向和/或进入材料基质和/或结构的其它线和/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。
在各种实施例中，在系统的可渗透材料中存在大量小纤维可以显著增加材料的三维结构的复杂性，因为这些结构可以延伸进入和/或围绕编织图案中的开放空隙。纤维的这种布置可以进一步为试图穿过结构深度并进入由外壳保护的内部环境的生物提供更曲折的路径，和/或可以为任选的杀生物剂涂层可以粘附的结构提供更大的表面积。在各种实施例中，已经确定纺制聚酯作为外壳材料具有高度期望的特性，因为进入外壳的三维“进入路径”(即，当微生物通过材料的开口和/或孔时)的形状和/或尺寸将理想地提供更长的路径、更大的表面积和/或可以证明在阻止结垢生物流入外壳和/或在其中保留更大量的杀生物剂涂层方面更有效。
在各种实施例中，系统中的外壳的三维形貌将理想地有助于系统的抗生物结垢效果，因为此类结构构造可以增加壁的所需“过滤效果”和/或可能不利地影响各种结垢生物“闩锁到”结构和/或受保护基材上的能力。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。
在一些实施例中，柔性纤维基质对于结合到防污外壳的各种组件中可能是高度期望的，尤其是在基质可以折叠和/或塌缩成不同配置以适应所需的尺寸、形状和/或渗透率/密度的情况下。例如，相对较大的柔性纤维基质可以塌缩和/或折叠，使得基质具有更高的有效表面积/体积以使液体通过。这种布置可以包括以类似于褶状空气过滤器的方式打褶和/或折叠基质材料，这可以增加基质的有效过滤和/或降低其在某些条件下堵塞的倾向。可替代地，如果需要，纤维基质可以扩张和/或扩大以适合更大的体积。
可能在不同程度上适用于构造本文所述系统组件的各种材料包括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形成为纺织品结构、可渗透片材或提供能够提供如本文所述的防污性能的结构的其它配置。用于构造本文所述系统的潜在合适的柔性材料的实例包括但不限于粗麻布、帆布、棉结构、亚麻布、平纹细布、可渗透的聚合物片材、由聚合物纤维或长丝构造的结构，以及可渗透薄膜和膜。在本发明的各个方面中，柔性材料可以选自天然或合成结构，如粗麻布、针织聚酯或其它结构、编织聚酯或其它结构、纺制聚酯或其它结构、其各种组合，或具有各种特性的其它结构，包括本文所公开的那些。
在各种实施例中，形成一个或多个外壳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。如本文所用，“缠结”是指纤维可以是非编织的、编织的、织编的、针织的或以其它方式相互混合以产生能够具有本文所述的各种防污和/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“平均长丝直径”)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密耳或更小、约0.5密耳或更小、约0.4密耳或更小、约0.3密耳或更小、约0.2密耳或更小或约0.1密耳或更小。
在本发明的一些方面，柔性材料可以包含编织或针织结构。例如，编织结构可以具有约3至约150、约5至约100、约10至约50、约15至约25、约20至约40和/或约20ppi的每英寸纬数(“ppi”或每英寸纬纱数)。在本发明的其它方面，编织结构具有约3至约150、约5至约100、约10至约50、约15至约25、约20至约40和/或约20epi或约24epi的每英寸经数(“epi”或每英寸经纱数)。在本发明的其它各个方面中，针织结构可以具有约3至约120、约5至约100、约10至约50、约15至约25、约20至约40和/或约36cpi或约37cpi的每英寸横列数(“cpi”)。在本发明的甚至其它方面，针织结构具有约3至约80、约5至约60、约10至约50、约15至约25、约20至约40和/或大约36wpi或大约33.7wpi的每英寸纵行数(“wpi”)。
因此，在本发明的至少一个方面，编织结构具有约9至约22,500、约100至约20,000、约500至约15,000、约1,000至约10,000、约2,500至约8,000、约4,000至约6,000、约2,500至约4,000、约5,000至约15,000、约10,000至约20,000、约8,000至约25,000、约20至约100、约30至约50、约45或约40根纱线的纱线尺寸密度(即，每单位面积的纬纱乘以经纱)。
在本发明的另一方面，编织或针织结构的纱线可以具有约40旦尼尔至70旦尼尔、约40旦尼尔至100旦尼尔、约100旦尼尔至约3000旦尼尔、约500旦尼尔至约2500旦尼尔、约1000旦尼尔至约2250旦尼尔、约1100旦尼尔、约2150旦尼尔或约2200旦尼尔的尺寸。
在本发明的又一方面，编织或针织结构可以具有每平方码约1至约24盎司(约34至约814g/m2)、每平方码约1至约15盎司、每平方码约2至约20盎司(约68至约678g/m2)、每平方码约10至约16盎司(约339至约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盎司的单位面积基重。在本发明的另一个方面，所需的基于纺制聚酯纤维的编织结构可用作外壳材料，其中该结构具有大约410克/平方米的基重(包括任何涂覆或改性之前基础结构的重量)(见表5)。
在各种示范性实施例中，合适的外壳和/或结构壁的厚度可以在0.025英寸至0.0575英寸或更大的范围内，其中期望的实施例为大约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。根据外壳中的穿孔和/或开口的尺寸，以及系统中的各种开口的形状、尺寸和/或弯曲度，比具体描述的更大和/或更小厚度的外壳壁可用于具有不同成功程度和不同材料的各种系统设计中。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。考虑了单个结构内的厚度和渗透率的变化，如膜结构及其多层。
应当理解，多种材料和/或材料组合可用作系统材料以实现本文所述的各种目的。例如，薄膜或类似材料可以用作结构壁材料的一种替代，该结构壁材料可以包括在一些或所有外壳壁中的可渗透和/或不可渗透薄膜。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。
无论使用哪种类型的材料，外壳可以任选地构造成使得外壳可成形为能够三维地、径向地、纵向地和/或其各种组合地扩张和/或收缩。这种类型的构造将理想地允许以各种配置定位在各种储集器和/或进水口实施例的上方和/或周围，其可以包括定位成使得如果希望的话，这些外壳壁可以镜像其所附接至的任何下方物体的表面的轮廓。在一些实施例中，外壳可以形成为储存器和/或进水口的一个或多个表面的镜像形状，并且通常具有至少稍大的尺寸以在其中容纳基材。
在一些示范性实施例中，系统或外壳可以由如粗麻布或大麻等完全天然的外壳材料构成，并用于保护饮用水储集器和/或野生动物庇护所等特别敏感水域中的基材，其中可禁止和/或阻止使用人工材料和/或杀生物毒素。在这种情况下，即使外壳可能从基材和/或相关的支撑结构分离(因为分离结构中的附加开口现在可能阻止受保护的水性环境的发展及其伴随的优点)，外壳也将理想地在期望的时间段内对下层基材和/或进水口提供保护，而不会造成污染水和/或损害当地水生环境的显著潜在危险。在这种情况下，一旦基材不再需要保护，或者在外壳由于各种原因而变脏和/或损坏的情况下，可以移除系统组件和/或用新的外壳和/或类似材料的其它组件替换系组件，根据需要恢复对基材的结垢保护。
在各种实施例中，“渗透率”理想地用作外壳和/或其它系统组件的一些方面的度量，因为由于该结构的体系架构中的“模糊度”和/或随机性，在整个纺制聚酯和/或粗麻布材料中测量和/或确定开口的“有效”孔隙率可能有些困难，这可能由于在潮湿和/或干燥条件下结构的柔性和/或形式的变化而变得复杂，申请人认为这对于所公开的系统和装置的各种实施例的有效性可能是任选地重要的。在各种实施例中，该系统可以包含一个或多个壁，该壁包含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：
在一个示范性实施例中，由变形纱线或纺制聚酯纱线制成的编织结构可高度期望用于形成示范性防污系统，其中纺制聚酯纱线潜在地具有在不同位置(即，相对较高水平的“毛羽”或纤毛)且在多个方向上从纱线延伸的大量纤维末端——理想地导致更复杂的三维宏观结构和/或从结构的外表面到内表面的更曲折路径。在各种优选的实施例中，这些纤维末端可以延伸到可能存在于结构机织中的天然开口中，从而潜在地减少和/或消除穿过结构的一些“直线路径”开口和/或增加穿过结构的现有路径的弯曲度(其在一些情况下可以延伸穿过三维结构的形貌相当大的距离)。在各种实施例中，可能希望结构的部分包括具有大于1.25的曲折率的开口，而在其它实施例中，可能更希望结构中的各种开口具有大于1.5的曲折率。
在许多实施例中，非常希望将可渗透元件、组件和/或结构结合到一些和/或所有系统组件中，这允许水以受控的方式和/或速率通过外壳进行大量传输。理想地，为外壳选择的一种或多种材料将包括具有允许流体从周围水性环境流入进水口和/或储集器的渗透率水平的一个或多个壁结构。这种渗透率将理想地被优化和/或适合于系统将被放置在其中的局部环境，尽管通常外壳可以结合中等至高水平的渗透率，因为具有非常低渗透率的材料在提供足够的水流以适应所需的用途方面可能有些不太有效。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。
在各种实施例中，系统组件可以理想地抑制至少部分浸没在水生环境中的基材或基材部分上的生物结垢，其中外壳包括在使用期间水可渗透或变得水可渗透的材料，所述外壳适于容纳所述基材且在一些实施例中形成从外壳的内部/外部表面延伸到进水口或水系统或其它受保护基材的差异化水生环境，其中外壳或其部分在将结构定位在基材周围时或之后是水可渗透的，每平方厘米的基材每秒渗透至少100ml的水或更少。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，其它水可渗透结构可以包括最初使其基本上不可渗透的涂层，但随着涂层烧蚀、侵蚀或溶解，下层的渗透率增加和/或变得有用。
在各种实施例中，外壳的最佳和/或期望的渗透率水平可以接近表10(下文)中确定的任何结构渗透率，并且在一些实施例中可以包括在100ml/s/cm2至0.01ml/s/sm2范围内的渗透率。在各种替代实施例中，可以在外壳的一个或多个壁中或壁上使用结构或其它渗透性材料，包括具有0.06ml/s/cm2至46.71ml/s/cm2，或0.07ml/s/cm2至46.22ml/s/cm2，或0.08ml/s/cm2至43.08ml/s/cm2，或0.11ml/s/cm2至42.54ml/s/cm2，或0.13ml/s/cm2至42.04ml/s/cm2，或0.18ml/s/cm2至40.55ml/s/cm2，或0.19ml/s/cm2至29.08ml/s/cm2，或0.32ml/s/cm2至28.16ml/s/cm2，或0.48ml/s/cm2至25.41ml/s/cm2，或0.50ml/s/cm2至22.30ml/s/cm2，或0.77ml/s/cm2至21.97ml/s/cm2，或0.79ml/s/cm2至20.46ml/s/cm2，或0.83ml/s/cm2至15.79ml/s/cm2，或0.90ml/s/cm2至14.72ml/s/cm2，或1.05ml/s/cm2至14.19ml/s/cm2，或1.08ml/s/cm2至14.04ml/s/cm2，或1.11ml/s/cm2至13.91ml/s/cm2，或1.65ml/s/cm2至11.27ml/s/cm2，或2.09ml/s/cm2至11.10ml/s/cm2，或2.25ml/s/cm2至10.17ml/s/cm2，或2.29ml/s/cm2至9.43ml/s/cm2，或2.36ml/s/cm2至9.20ml/s/cm2，或2.43ml/s/cm2至9.02ml/s/cm2，或2.47ml/s/cm2至8.24ml/s/cm2，或2.57ml/s/cm2至8.16ml/s/cm2，或2.77ml/s/cm2至8.11ml/s/cm2，或3.68ml/s/cm2至6.04ml/s/cm2，或3.84ml/s/cm2至5.99ml/s/cm2，或4.43ml/s/cm2至5.40ml/s/cm2，和/或4.70ml/s/cm2至4.77ml/s/cm2的渗透率范围的材料。
表10－示范性壁结构渗透率
材料的水渗透率可以是许多因素的函数，包括材料的组成、材料的构造方法和类型、材料是否有涂层、材料是否干燥、潮湿或饱和、材料本身是否以某种方式结垢和/或结构在测试和/或在水性环境中使用之前是否已经“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，给定外壳的水渗透率可以是足以理想地避免在局部(即受保护的)水生环境中产生持续缺氧状态的初始最小渗透率，而在其它实施例中，渗透率可以更大。在本发明的各个方面，材料可以具有在使用之前或在使用期间实现的如通过上述测试方法测量的水渗透率(每平方厘米基材每秒的毫升水)：约100或更小、约90或更小、约80或更小、约70或更小、约60或更小、约50或更小、约40或更小、约30或更小、约25或更小、约20或更小、约10或更小、约5或更小、约4或更小、约3或更小、约2或更小、约1或更小、约0.5或更小、约0.1或更小、约1或更大、约0.5或更大、约0.1或更大、约0.1至约100、约0.1至约90、约0.1至约80、约0.1至约70、约0.1至约60、约0.1至约50、约0.1至约40、约0.1至约30、约0.1至约25、约0.1至约20、约0.1至约10、约0.1至约5、约0.5至约100、约0.5至约90、约0.5至约80、约0.5至约70、约0.5至约60、约0.5至约50、约0.5至约40、约0.5至约30、约0.5至约25、约0.5至约20、约0.5至约10、约0.5至约5、约1至约100、约1至约90，约1至约80、约1至约70、约1至约60、约1至约50、约1至约40、约1至约30、约1至约25、约1至约20、约1至约10，或约1至约5。
实验结果－测试1
在南部气候(即，美国佛罗里达州墨尔本)冬季月份中进行的一组示范性实验中，构建了四条水道来引导各种量的过滤的、预处理的和/或定量的环境水。这些水道通过柔性管道附接到泵。每条水道含有PVC“圣诞树”沉降基材，选择该基材是因为这种配置对于沉降幼虫非常有吸引力。将三个泵放置在由柔性结构材料构成的袋中，该柔性结构材料结合有如本文描述的杀生物涂层，并且将第四个泵保持打开以进行结垢(其理想地作为对照)。允许一个泵以最大流量(748加仑/小时)流动，一个泵被设定为大约1/2流量(约367加仑/小时)，第三个泵被设定为大约1/4流量(约160加仑/小时)。将对照泵设定为大约1/2流量(约373加仑/小时)。在水中设置四条水道，并在10月初开始泵送。每条水道的深度设定为在水口水位上方的水道中具有大约6"的水，在每条水道的后部具有单向出口。图16描绘了试验设置的各种视图。
浸泡七(7)天后，袋装泵和未袋装泵之间的水道结垢不同(见图18)。开放的泵(图17D)在7天后具有更多和更厚的生物膜。10天后，在开放的泵水道中出现可见的宏观结垢，其由水螅类生物和贝类(可能是藤壶和管虫)组成。袋装泵的水道仅在入口处有少量生物膜和沉积物，泵送速率无明显差异。袋装水道中的圣诞树基材上的结垢(全速－图17A，1/2流量－图17B和1/4流量－图17C)仅由轻的、蓬松的粉质生物膜组成，而开放泵水道中的圣诞树基材上的结垢由较重的生物膜、水螅类生物、管虫、被囊动物和贝类(可能是小藤壶)组成。所有水道中的水质相似，并且与水道外部的港口条件相似。最大的差异是全强度泵和静态开放水之间的差异，但对于测量的特性，水质差异似乎小于4％。开放式泵似乎也在10天内累积了轻微的宏观结垢，而袋装泵仅具有可见的生物膜。水道上和圣诞树上的生物膜更轻，覆盖更少，那里的泵受到外壳袋的保护。
实验结果－测试2
在另一组示范性实验中，构建了四条附加的水道以引导不同量的经过处理的和/或受保护的环境水流过其中三条水道，而未经处理的水流过第四条水道(“对照”)。水道通过柔性管道附接到泵。每条水道含有PVC“圣诞树”沉降基材，选择该基材是因为这种配置对于沉降幼虫非常有吸引力。三条水道(对照和2个泵送速度)包含40加仑的水，第四条包含190加仑的水。
在这个实验中，在4条水道中的3条(两条常规尺寸，一条大尺寸)的前面是在所有侧面上具有涂层结构的箱子。这些箱子完全浸没在水中。使用箱子下游的柔性管道安装泵，使得水被拉动通过箱子，然后被推入水道(见图19)。对照泵和标准泵的尺寸相同，拉力大约为200加仑/小时。快速和大型水道具有较大的泵和大约600加仑/小时的拉力(见图22A)。将水道置于水中，并在3月初开始泵送。
图26A和26B提供了关于测试设置的各种水道的附加描述。对于这些实验，确定了各种实验测试组的实际泵送速率，以及各个水道的体积和形成进水口的可渗透结构箱的表面积和体积。计算每个进水箱中每小时完成的水交换次数，以及每个测试设置中每小时水道中的水交换次数。另外，图26A描绘了通过每个外壳箱子的每平方英尺纤维结构介质汲取的水量，以及外壳内、每个箱子内和每个测试设置的全长内的水交换。还示出了每个防污系统中的水道的示范性停留时间和水的全平均停留时间。图26B包括可以在每个示范性外壳中经过30天的水浸泡和水流可以释放的杀生物剂的量的附加公开(假设杀生物剂在30天期间完全释放)，以及每加仑水释放的杀生物剂的总量。
在至少一个替代实施例中，可以将类似量的杀生物剂悬浮于“缓释”涂层树脂中，该“缓释”涂层树脂在60天的时段(或其它所需时段)内释放杀生物剂，其可以在60天的时段内为总水流量的两倍提供杀生物剂的最终浓度的大约1/2(即，对于图26B的可比较的60天防污系统实例4和2为846,720加仑和/或262,080加仑)。
在浸泡30天之后，受保护的水道具有由圣诞树基材上的管虫组成的可见光结垢，而对照在数天的浸泡之后明显出现了更多的结垢(参见图22E和22G)。如图20A、21A以及图22E和22G最佳所示，对照水道中的结垢较重，并且由水道和圣诞树上的树状苔藓虫、藤壶和管虫以及圣诞树上的水螅类生物和被囊动物组成。受保护的(即，经过处理的水)标准(图20和21B)和受保护的大型水道(图20A和21C)中的结垢是类似的，并且由暴露于未受保护的或未经处理的水的基材上的一半覆盖量组成。这种生物结垢覆盖率的降低是由管虫造成的。快速泵水道(图20A和21D－也包含经过处理的水)中的结垢较重并且主要由管虫组成，在圣诞树阵列中的面板边缘上具有一个树状苔藓虫。所有水道的顶板上都堆积了厚厚的沉积物。在一些情况下，这导致管虫从表面垂直生长，使其头部露出淤泥。
浸泡2个月后，目测评估显示，与未经处理的水(对照图24A)中的金属基材相比，经过处理的水(即，标准泵图24B，快速泵图24C和大型水道图24D)中的金属基材上的生物结垢群落组成不同(参见图22F和22H)且生物结垢堆积较少。2个月后对处理袋的水下评估显示了不同的生物膜结构和厚度，与未受保护的对照泵(对照图25A)上生长的微结垢、宏观结垢和生物膜相比，无微观或宏观生物结垢(即，标准泵图25B、快速泵图25C和大型水道图25D)。管虫是经过处理的水中金属基材上最突出的生物。外壳可以含有杀生物剂或组分以降低管蠕虫的健康或繁殖。可以用含有杀生物剂或其它组合物的水凝胶系统预处理或调理基材，以防止管蠕虫沉降。可以对经过处理的水进行调节，以将溶解氧、水化学、pH和/或温度降低到管虫存活和繁殖的“有毒”水平。
除了基材(未受保护的或受保护的)上的生物结垢的差异之外，还注意到了水道的受保护的和未受保护的后壁之间的视觉差异。在30天后，在水道背面包含溢洪道的对照水道壁显示出大面积的结垢，而具有经过处理水流的水道在溢洪道上没有可见的结垢堆积(见图20B)。不同处理的水质似乎有所不同(见图22B至22D)。在所有采样时间，所有处理的温度相似。在泵送处理中的盐度非常稳定，而静态开放水中的盐度变化较大。直到第4周，各处理之间的溶解氧相似，此时溶解氧开始从所有水道中的静态开放下降，这可能是由于泵中的结垢导致水减慢和/或覆盖的水道中缺乏光合作用。与开放/未经处理的水相比，2个月后经过处理的水中的溶解氧(DO)水平较低。据信，与静态水相比，DO差异在高速水中需要更长的时间形成，其中各种DO差异取决于停留时间(在一些实施例中，优选更长的停留时间)、水的速度和/或水的体积。
如图22D最佳所示，与开放/未经处理的水相比，在1个月后确定经过处理的水的水化学差异。与未经处理的水相比，经过处理的水中的铵、总溶解氮、磷酸盐更高。据信，硝酸盐、铵和磷酸盐可能是生物结垢生物的营养物，其中一种或多种的浓度太高对生物是“有毒的”或不希望的，并对生物产生负面影响。同样，在pH值升高的水域中，铵含量的增加可能对生物更具“毒性”。测试结果显示，与开放水域相比，经过处理的水域中的“有毒”铵含量更高。测试结果还可能表明，磷酸盐增加可能会导致生物受到过度刺激。这些水化学差异中的许多可能取决于停留时间(即，在一些实施例中优选更长的停留时间)、水的体积和/或水流过基材的速度。
实验结果－测试3
在另一组示范性实验中，研究了使用多层外壳(包括一层外壳、两层外壳和三层外壳)对水进行预处理。这种设置代表ab外壳袋中的外壳袋。利用这种实验设置，可以使用任何层数的外壳。
在该实验中，构建了四个水道以引导不同量的经过处理的和/或受保护的环境水流过其中三条水道，而未经处理的水流过第四条水道(“对照”)。对照水道的水未经外壳预处理。测试设置2水在流经带一个外壳的水道之前进行预处理。在将水泵入水道之前，测试设置3中的水用两层外壳进行预处理，测试设置4中的水用三层外壳进行预处理。水道通过柔性管道附接到泵(设置1没有外壳，设置2至4具有保护泵的外壳)。每条水道含有PVC“圣诞树”沉降基材，选择该基材是因为这种配置对于沉降幼虫非常有吸引力。所有四条水道含有50加仑水，泵速为约240加仑/小时，水在水道中的初始停留时间为12.3至12.6分钟。
在这个实验中，在4条水道中的3个的前面是在所有侧面上具有涂层织物外壳结构的外壳箱子。这些箱子完全浸没在水中。使用柔性管道将泵安装在每个箱子的内部，从而将水拉过箱，然后推入水道(见图29)。将水道置于水中，并在10月初开始泵送。
下面，表11提供了关于测试设置的各种水道的附加描述。
表11.1个外壳、2个外壳和3个外壳的设计设置的实验泵送计算。
对于这些实验，确定了各种实验测试组的实际泵送速率，以及各个水道的体积和形成进水口的可渗透结构箱的表面积和体积。计算每个进水箱中每小时完成的水交换次数，以及每个测试设置中每小时水道中的水交换次数。另外，表7描述了通过每个外壳箱子的每平方英尺纤维结构介质汲取的水量，以及外壳内、每个箱子内和每个测试设置全长内的水交换。还示出了每个防污系统中的水道的示范性停留时间和水的全平均停留时间。表7包括可以在每个示范性外壳中经过30天的水浸泡和水流可以释放的杀生物剂的量的附加公开(假设杀生物剂在30天期间完全释放)，以及每加仑水释放的杀生物剂的总量。
在浸泡3周后，受保护的水道具有由圣诞树基材上的管虫组成的可见光结垢，而对照具有明显更多的结垢，管虫和水螅类生物，其在浸泡数天后变得可见。1周后，未受保护的水道(无外壳)开始出现结垢迹象。用一个外壳预处理水的水道在2周后开始出现结垢迹象。用多层外壳(两层和三层外壳)预处理水的水道在2.5周后开始出现结垢迹象。3周后，未受保护的水道和用一个、两个和三个外壳预处理水的水道，所有这些在基材和水道上都含有管虫。未受保护的水道在基材和水道上含有水螅类生物。对照水道中的结垢较重，由水道和圣诞树上的树状苔藓虫、藤壶和管虫以及圣诞树上的水螅类生物和被囊动物组成。受保护(即，经过处理的水)中的结垢是类似的，并且由暴露于未受保护或未经处理的水的基材上的覆盖量的一半以上组成。这种生物结垢覆盖率的降低是由管虫造成的。两周后，所有处理(未受保护、一个外壳、两个外壳、三个外壳)具有相似的水质、水化学和流动特性。一周后，所有处理(未受保护、一个外壳、两个外壳、三个外壳)的水中都含有浮游生物，包括桡足类和其它全浮游生物。
除了基材(未受保护的或受保护的)上的生物结垢的差异之外，还注意到了水道的受保护的和未受保护的后壁之间的视觉差异。在3周后，在水道背面包含溢洪道的对照水道壁显示出大面积的结垢，而具有经过处理水流的水道在溢洪道上没有可见的结垢堆积(类似于图20B)。
期望的生物膜形成
在系统用于保护水系统的情况下，如本文所公开的，水系统组件上的生物定殖序列可能与通常预期的开放水序列显著不同。例如，当使用如本文所述的系统时，可以中断(破坏、改变等)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。一旦定位在水系统进水口的上游，防污介质和/或其它系统组件的可渗透的保护性结构壁可以理想地阻止各种微生物和/或大型生物进入系统，并且如果它们已经位于系统内和/或如果它们最终穿过外壳，则所产生的不同水条件可以防止一些和/或所有生物在基材上沉降和/或定殖。例如，当微小的浮游生物和其它传统的非沉降生物和其它沉降生物穿过可渗透的结构膜时，系统内的不同水条件可能损害或伤害一些浮游生物，而保持存活和活性的其它浮游生物将避免沉降和/或定殖在基材表面。
在各种实施例中，系统在基材上游的初始放置可能引起和/或诱导在基材表面上形成“保护性”生物膜层，该生物膜层具有各种期望的性质，如(1)形成使生物膜对通过下层表面的热传递的干扰最小化的生物膜层和/或(2)形成随后保护基材免受显著的额外结垢的生物膜层，这甚至可以包括在可能破坏外壳的完整性并且基材可能直接暴露于外部环境之后提供生物结垢保护。在各种实施例中，与“天然”生物膜相比，主动或非沉降性生物膜可以含有以下中的一种或多种：(1)不同数量的生命和/或生物，(2)生物组成的不同变化，(3)生物膜的不同厚度和/或(4)生物膜的不同结构完整性。
在本发明的各个方面，如本文所述的保护系统的适当设计和使用可以在水系统内产生“不同环境”，影响和/或诱导生物涂层、层和/或生物膜在基材表面上的形成，从而有效地减少和/或防止生物结垢生物在基材上沉降。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，系统组件可以促进产生一种或多种局部沉降线索的微生物的生长，这些线索阻止生物结垢生物的幼虫在由系统形成的差异化水生环境中沉降。在本发明的另一方面，该系统可以促进产生一种或多种局部线索的微生物的生长，这些线索阻止生物结垢生物的幼虫在纤维基质材料本身之上和/或之内沉降。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。
在各种实施例中，生物膜可以在受保护的基材上，可以在外壳的外部和/或外壳本身的内部形成。基于细菌、蓝细菌、硅藻、不同细菌门的可变数量和/或分布、多样性、厚度、绝缘能力和/或完整性，以及通过其它测量，每个位置上的生物膜可以是不同的。在一些实施例中，经过处理的水流的较高速度可以“增压”保护性或人工生物膜，在一些实施例中，随着更大量的“保护性”生物膜添加到基材中，保护性或人工生物膜可以“生长”得更快。在各种实施例中，外壳理想地产生人工水生环境以在基材上“生长”一个或多个“保护性”生物膜，这可以抑制和/或延迟生物附着于基材表面的能力。在各种替代性实施例中，由此产生的“人工”生物膜可以使基材的表面变得光滑，使得结垢生物沉降或截留在其中的粗糙或尖锐区域更少。
在各种实施例中，可以在制造厂或发电厂的水回路内的基材表面上形成防污生物膜，其中在所述水回路内流动的水周期性地穿过包含至少一层可渗透结构的外壳单元，该可渗透结构包含具有外表面、内表面和在其间延伸的多个孔，其中外壳产生一种或多种水化学变化，该水化学变化抑制多种生物在位于外壳单元内或外壳单元下游的一个或多个基材表面上定殖，其中与水回路外部的水中自然形成的生物膜相比，所述防污生物膜包含至少一种蓝细菌、硅藻或细菌的多样性减少。在各种替代实施例中，可渗透结构可以在外表面上具有杀生物剂涂层，其至少部分地延伸到介质的多个孔中，其中杀生物剂洗脱到水中并且抑制多种生物在位于外壳单元内或外壳单元下游的一个或多个基材表面上定殖，其中与在水回路外部的水中自然形成的生物膜相比，所述防污生物膜包括至少一种蓝细菌、硅藻或细菌的多样性减少。
存在许多总体上接受的“标准”进程或定殖序列通常会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。在典型的序列中，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，在使用如本文所述的系统的情况下，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。一旦围绕基材定位，外壳的可渗透的保护性结构壁可以理想地阻止各种微生物和/或大型生物进入外壳，以及潜在地改变外壳内的水化学的各个方面。
在由系统保护的一个示范性水系统中，在基材或其它物品上形成的细菌生物膜明显不同于在开阔海洋或邻近受保护物品的其它水性环境中的基材或其它物体上形成的任何天然生物膜。在各种实施例中，适当的系统设计和操作将理想地诱导和/或促进微生物的某些组合的生长和复制，其中许多通常在天然环境中以不同的(即，通常相对低的)水平发现，并且这些微生物组合可以具有促进对其它生物的某些“募集和沉降”行为的能力，从而将基材的表面鉴定为不适宜居住和/或“不太理想”(并且通过各种方式发出这一事实的信号)。
DNA分析证实，在各种系统实施例下游的PVC和青铜基材上形成的表面生物膜与在开放水域中的类似基材上形成的表面生物膜显著不同，并且存在于系统内的生物膜形成群落以及在系统组件的内壁表面内/上形成的生物膜也是如此。例如，与出现在由本发明的实施例保护的PVC和青铜物品试样上的生物膜相比，出现在开放水域中的PVC和青铜物品试样上的生物膜更厚且更多样。另外，在开放水域中的物品上观察到宏观结垢，而在受保护的基材上几乎不存在宏观结垢。在一些实施例中，受保护基材上的生物膜的多样性小于开放生物膜，具有不同数量的硅藻、细菌、蓝细菌和不同的细菌门分布。另外，对于每种系统设计，每个受保护基材上的优势细菌门和细菌分布显著不同。例如，纺制聚酯结构系统中的PVC基材(最右边的三个柱)由变形菌(柱顶部的大群)和拟杆菌(柱底部的第二大群)占优势。相反，纺制聚酯结构系统中的青铜基材(柱6至9)由变形菌主导，而小得多的剩余部分由拟杆菌占优势。生物膜中优势细菌的分布图为开放青铜柱(第一至第三列)、开放PVC柱(第四至第六列)、受保护青铜柱(第七至第九列)和受保护PVC柱(第十至第十二列)。另外，受保护基材的生物膜“完整性”不同于开放样品，因为与开放基材相比，一些受保护基材上的生物膜似乎更容易从基材表面移除和/或清洁。在各种实施例中，对于较高速度的水流和/或其它防污系统设计，下文所示的细菌门及其分布可以是类似的。
表12－生物膜中细菌门的分布
水性环境的调理和改性化合物
在一些实施例中，可能需要对接近待保护的基材/物体的水性环境进行补充改性，包括在如前所述将防污系统放置在物体上游之前、期间和/或之后进行此类改性。在一些实施例中，此类改性可以包括使用天然和/或人工机制和/或化合物来改变水化学的各种组分，如通过将一种或多种需氧微生物、化学品和/或化合物(包括耗氧化合物)引入接近基材的水性环境中引起水性环境中溶解氧的加速消耗和/或置换或水化学的其它变化。例如，在一个实施例中，要防止生物结垢的物体可以包括水系统的水入口管道，其中如本文所述的系统位于进水口的上游，然后可以将包含一种或多种需氧细菌(如需氧型拟杆菌)的补充性耗氧化合物或物质大量地和/或大数量地人工引入到储集器的水性环境中，理想地加速溶解氧水平的降低。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，可以将如铁粉(即，零价铁Fe0或部分氧化的亚铁Fe2+)、氮气或液氮等化学化合物引入到储集器中以理想地从水中吸收溶解氧，或可以将如盐等添加剂添加到水性环境中以减少水在有限时间内可保持的溶解氧的量。
在各种实施例中，改性化合物可以包含固体、粉末、液体、气体或气态化合物和/或气溶胶化合物，其在水接触基材之前和/或与水接触基材同时引入到封闭或受限的水性环境中。在一些实施例中，改性化合物可以在受限的水性环境中放置有限的或期望的时间，然后在水的期望的改性和/或调节(即，产生“差异化的”水性环境)发生后从环境中移除。在其它实施例中，改性化合物可以分布到受限的水性环境中，其中化合物的一些实施例可能溶解和/或分布到水中，而其它化合物可以保持固体和/或颗粒状态。如果需要，改性化合物可以包括浮力特征，其理想地将一些或所有化合物保持在外壳内和/或水柱内的所需水平，而其它实施例可以允许化合物从系统组件的底部和/或侧面排出和/或停留在外壳内和/或外壳附近的港口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。
在至少一个替代实施例中，一种或多种改性化合物可以释放到邻近或靠近防污系统的外部非封闭水域中，如果需要，其可以流入和/或通过外壳。在其它实施例中，改性化合物和/或其成分可以与放置在差异化的环境外部的一些组件结合使用，这些其它组件可以放置在封闭或差异化的环境内。
在一些实施例中，改性化合物可以附着到和/或整合到系统的壁中，包括在材料构造内和/或其中/其上的任何涂层。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。如果需要，改性化合物或其它材料可以放置在可放置在系统内部和/或外部的可更换袋中，袋中的材料随时间的推移而“耗尽”，并可能需要根据需要进行更换。
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(02)，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。如果需要，这种吸氧材料可以结合到系统的壁材料中，使得当外壳放置在水中靠近受保护基材时，氧气立即被吸收，但是这种氧气吸收将在放置一段时间后逐渐减弱。随后，可以将外壳从水中移除(如在不再需要保护之后)并留在阳光中以释放吸收的氧气并“再充电”以供下次使用。
在另一示范性实施例中，改性化合物可以包含气体或气态化合物，如氮气或二氧化碳(或一些其它气体或化合物)，其可以以气态形式引入系统中或可以从粒料或其它液体或固体化合物(可能包括“干冰”形式的CO2)中释放。这种引入或“喷射”可以包含将氮气和/或N2气泡注入到系统内部的水中，或者注入到系统的壁内/沿着系统的壁注入。在一些实施例中，如本文所述的系统可以与安装的氮气定量给料系统和含氧量监测探针组合，该监测探针在需要时控制氮气冲洗的周期性更新。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。
理想地，杀生物剂涂层可以为基材和/或水处理系统组件提供一些理想水平的结垢保护，其可以包括对水可以流过的表面、孔和/或过滤和/或定量给料介质中的其它开口的保护。例如，在一个示范性实施例中，防污系统可以包括水处理单元，其包含至少一层可渗透结构介质，该可渗透结构介质具有外表面、内表面和在其间延伸的多个孔，该可渗透结构介质在外表面上具有杀生物剂涂层，该杀生物剂涂层至少部分地延伸到多个孔中，该水处理单元进一步具有除氧系统，其去除已经穿过处理单元的水中的溶解氧的至少一部分，该水处理单元定位在水回路的进水位置处，其中进入水回路的所有水穿过水处理单元，水需要平均停留时间以通过水回路并且从水回路的排水口排出，其中杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到穿过水处理单元的水中，杀生物剂接触水中的多种结垢生物并抑制多种结垢生物在至少平均停留时间内在水回路内的一个或多个基材表面上定殖的能力。在另一示范性实施例中，防污系统可以包括水处理单元和除氧系统，该水处理单元包含至少一层可渗透结构，该可渗透结构具有外表面、内表面和在其间延伸的多个孔，该可渗透结构在外表面上具有杀生物剂涂层，该除氧系统去除通过水处理单元的水中的溶解氧的至少一部分；水处理单元定位在水回路的进水位置处，其中进入水回路的所有水穿过水处理单元，其中杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到接近可渗透结构的外表面的水中，杀生物剂接触水中的多种结垢生物并抑制多种结垢生物在可渗透结构的外表面上定殖的能力。在又一实施例中，防污系统可以包括水处理单元，该水处理单元包含至少一层可渗透结构，该可渗透结构具有外表面、内表面和在其间延伸的多个孔，该可渗透结构在外表面上具有杀生物剂涂层，该杀生物剂涂层至少部分地延伸到多个孔中；水处理单元定位在水回路的进水位置处，其中进入水回路的所有水穿过水处理单元，其中杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到接近可渗透结构的孔的水中，杀生物剂接触水中的多种结垢生物并抑制多种结垢生物在可渗透结构的多个孔中定殖的能力。如果需要，系统可以类似地包括除氧组件，其去除通过系统的水中的溶解氧的至少一部分。
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，本文所述的改性化合物将理想地在施用数秒内/之后和/或在施用数分钟内/之后(即，施用氮气鼓泡1分钟至5分钟至10分钟至20分钟至40分钟至60分钟)和/或在施用数小时内/之后诱导封闭或受限水性环境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％或更高。
水化学差异
在一些实施例中，所公开的防污系统和/或相关联的储集器系统将理想地提供(1)阻止大量氧气输送到供水系统中的屏障，和/或(2)对储集器内用于生物和/或化学反应的可用能量和/或营养物供应的潜在减少，这可以减少和/或防止在储集器内发生自然光合作用或微生物的其它代谢过程和/或不期望的化学反应。理想地，一旦所公开的防污系统处于期望的位置，则储集器内的自然生物过程将理想地利用储集器内的液体中所含的大部分溶解氧，从而显着地将储集器内的溶解氧水平降低到可能接近缺氧水平的水平，但是理想地在延长的时间段内不超过缺氧水平(通过防污系统补充一定水平的溶解氧)。
在各种实施例中，本文所述的系统将理想地在至少1或2小时的时间段后引起封闭水性环境的溶解氧水平和/或其它水化学水平的差异(即，外壳内与外壳外的溶解氧水平——或其它水化学成分相比)至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少50％，至少70％、至少90％或更大。
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。在各种实施例中，这种“差异化的环境”可以在系统部署到基材上游的数秒、数分钟和/或数小时内创建，而在其它实施例中，创建期望的“差异化的环境”可能需要数天、数周或甚至数月。如果需要，可以在将待保护的基材放置在其中之前很久就部署系统，而在其它实施例中，系统组件可以与基材或供水进水口同时部署，或者系统可以在基材已经浸入和/或保持在水性环境中很久之后才部署。在各种实施例中，显著的水化学差异和/或差异化环境的其它独特方面的产生可以在部署时立即开始，或者可以在将系统置于水性环境中的1小时内产生(其可以包括将系统单独置于环境中和/或在待保护的基材附近)，而在其它实施例中，所需的差异化环境的引发和/或产生(其可以包括完全差异化环境的产生以及各种结垢抑制条件的产生，这些结垢抑制条件可以随着差异化环境的其它方面被诱导而改变和/或补充)可能需要系统在基材上游运行至少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1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，本发明的装置和/或其组件可能降解和/或不再提供期望水平的防污和/或环境产生效果。在各种实施例中，直到防污系统失去其防污效果为止的时间量可以基于许多因素而变化，这些包括特定的水生环境、季节、温度、存在的海洋生物的组成、温度、光、盐度、风、水速度等。应当注意，基于水生环境的条件，系统可以暂时失去防污和/或环境产生效果，仅在条件返回到正常或某一所需量度时重新获得其防污/环境产生效果。如本文所用，“使用寿命”可以指从系统部署到基材上的宏观结垢程度成为问题的时间量，而“系统寿命”可以指系统本身或其各种组件(其可以包括单个外壳组件的使用寿命以及外壳和/或其各种组件在定期清洁、维护和/或更换情况下估计的整个系统寿命)在基材本身的上游保持物理完整和有效的时间量(在一些实施例中，这可能超过系统提供的生物结垢保护的“使用寿命”)。在本发明的各个方面，系统和/或单个外壳组件的使用寿命和/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。
定殖序列的改变
在各种实施例中，当使用如本文所述的系统时，可以中断(破坏、改变等)下游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。理想地，外壳的可渗透的保护性结构壁可以理想地阻止各种微生物和/或大型生物进入水系统，并且杀生物剂涂层将防止外壳结垢和/或可能在接触和/或通过结构时伤害和/或损害一些和/或所有生物。如果需要，杀生物涂层可以在最初放置在基材周围时经历显著的杀生物洗脱，以建立影响结垢生物的初始较高“杀灭水平”，杀生物洗脱水平在一段时间内显著降低。
在本文所述的许多实施例中，一旦外壳处理了环境水，则所公开的生物结垢保护系统可以为基材提供显著水平的保护，环境水然后可以保存在储集器中或者可以直接行进到水系统的进水口。理想地，与开放的水性环境相比，系统在基材上游的设计和定位可以任选地改变与基材接触的液体的各种水化学特征和/或组分，以达到有意义的程度。在各种情况下，系统可能会导致一些水化学特征与周围的水性环境相比是“不同的”，而其它水化学特征可以与周围的水性环境保持相同。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。理想地，该系统可以以期望的方式影响一些水化学特征，同时与周围开放的水性环境相比，使其它水化学特征受到最小的影响和/或“未受影响”。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。
在一些示范性实施例中，与系统外部的等效测量(其可以包括在远离系统的某个距离处的测量)相比，水系统内部的一个或多个水化学特征的测量可以是“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。
在本发明的各种实施例中，系统可以在系统组件的下游产生“差异化的水性环境”。理想地，由系统产生的人工环境条件将由此抑制和/或防止结垢生物在基材上的沉降、募集、生长和/或定殖。在各种实施例中，由系统产生的人工环境条件可以包括降低的溶解氧水平，其可以显着地有助于减少基材的生物结垢，因为降低的氧气可用性可以使得一些结垢生物难以在外壳内和/或在基材上定殖和/或繁衍。另外，溶解氧水平的降低可以增加如硫化氢和/或氨态氮(即，游离铵态氮、氮-氨或NH3-N)等废物材料的产生，和/或极大地减少其它生物处理和/或消除这些废物材料的机会，这些废物材料对多种水生生物和/或微生物都是有害的和/或甚至是有毒的。例如，发生在各种水体中的生物驱动的氮循环可以极大地减少外壳内的游离氧，其中NH3-N水平至少部分地取决于可用的溶解氧水平。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，这些副产物在水系统内部的浓度将大于在外壳外部的浓度，并且在一些实施例中，外壳内这些副产物的单独浓度和/或相对比例可能由于各种原因而波动。
例如，在各种实施例中，本文所述的系统可以在水系统中诱导产生代谢废物、毒素或其它抑制性化合物，如NH3-N，其浓度范围为0.53mg/L至22.8mg/L，其可对各种淡水生物有毒(通常取决于pH和/或温度)。在其它实施例中，在差异化的环境中产生的NH3-N的浓度可以在0.053至2.28mg/L的范围内，其可以抑制水系统内的生物结垢形成。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。
进一步提出，在一些示范性实施例中，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(以及本文所述的各种其它化学组分)的个别水平的波动和/或变化形成本发明的一些实施例的重要方面，因为在系统组件下游产生的人工环境将理想地“促进”和/或“抑制”不同的宏观结垢和微生物区系和/或宏观结垢和微生物区系在不同时间段的繁衍。理想地，差异化的环境中的这种连续变化可能迫使水系统内和/或附近存在的各种生物不断适应和/或改变以适应新的环境条件，这往往会抑制外壳内和/或附近的单一物种或物种群的优势。这可能会具有增强系统内的各种植物区系和/或动物区系之间的竞争的效果，这可以抑制和/或防止植物区系和/或动物区系的单一种类、物种和/或分布，从而降低优势细菌物种或其它微观或宏观实体有机会繁衍和/或投入能量以在基材上结垢或形成其它结垢生物可能附着的基底的可能性。
在各种实施例中，系统可以诱导形成水化学因子，其在系统内比在外部水性环境中以更高浓度抑制结垢，如氨态氮。如果需要，可以获得等于或大于十亿分之0.1(ppb)、等于或大于十亿分之1(ppb)、等于或大于十亿分之10(ppb)和/或等于或大于十亿分之100(ppb)的氨态氮浓度。在各种实施例中，系统可以诱导形成水化学因子，以比系统外更高的浓度抑制结垢，如亚硝酸盐。如果需要，可以获得水系统内亚硝酸盐的浓度，其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)。
在各种实施例中，将系统放置在基材上游将理想地“调节”溶解氧且在水系统内部和外部的水之间产生溶解氧差异，其理想地在防止受保护系统组件结垢方面提供显著改进。在许多情况下，差异化的环境的溶解氧调节可包括在水系统内产生比外部环境显著更低的溶解氧水平，其中该溶解氧水平响应于内部氧消耗和外部溶解氧水平而以不同程度波动。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。这些局部差异条件可以由基材或物品表面和/或水柱中的生物和/或其它因素对氧和/或营养物的消耗引起，这可能导致“边界层”进一步耗尽，从而导致受保护物品上缺乏生物结垢和/或产生防污生物膜。
代替和/或除了降低含在水系统中的水中的溶解氧水平之外，各种各样的其它水化学因素可受本文所述的系统实施例的设计和布置的影响，包括可显著延迟和/或防止受保护基材结垢的水化学因素。例如，当水系统中的氧气耗尽时，外壳内的某些种类的天然存在的细菌通常会首先转向第二最佳电子受体，其在海水中为硝酸盐。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。
除了产生抑制受保护基材结垢的局部条件之外，本文所述的各种实施例也是极其环境友好的，因为在系统内产生的任何毒性和/或不适宜居住的条件在系统外被快速中和。例如，当流体从系统中排出时，这种被置换的流体可能含有对海洋生物有毒和/或不适合海洋生物生存的组分(其理想地减少和/或防止结垢附着在系统内的基材上)。然而，一旦在系统外部，这些组分通过各种自然发生的机制在外部水性环境中快速降解、氧化、中和、代谢和/或稀释，这些机制通常不会对水生环境造成持久的影响，即使在系统排放本身附近。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。
具有任选的杀生物剂的防污结构
在各种实施例中，公开了用于将杀生物剂施加和/或“定量给料”到流体流(fluidstream/fluid flow)中以理想地抑制流体流中的生物结垢生物的附着、沉降和/或生长的高效装置和/或系统。在各种实施例中，公开了一种外壳或结构，该结构具有顶表面、底表面和从顶表面到底表面延伸穿过结构的多个孔，在其上施加含有至少一种杀生物剂或毒剂的涂层或“涂料”。在至少一个示范性实施例中，涂层可以施加到结构的顶表面，涂层的一些部分进入和/或穿过孔。如果需要，涂层施加过程可以包括对结构的底表面施加吸力或真空，其可以理想地将涂层的一些部分吸入孔中，同时理想地维持穿过结构的孔开口的开放性(即，“开放”状态)(即，涂层在施加到其上之后理想地不会“堵塞”穿过结构的大部分孔)。一旦涂层干燥或以其它方式固化到所需状态，涂覆的结构可以形成为所需形状和/或配置，然后置于水流中，其中流体穿过结构的孔，其中一定量的杀生物剂和/或毒剂洗脱或以其它方式分配到穿过孔的单独流体流中。由于孢子、繁殖体、幼虫和/或幼体形式的结垢生物也穿过这些单独的孔，因此这些生物暴露于相对较高剂量的杀生物剂和/或毒剂，其理想地灭活和/或抑制它们在外壳的孔内和/或在流体流中更下游的润湿表面上附着、沉降和/或生长的能力。
在各种示范性实施例中，所公开的外壳可任选地包括对介质使用补充性杀生物剂和/或防污剂，以对外壳材料、进水口和/或受保护的基材提供足够的生物结垢保护，这也可以包括在某些浸泡期间定期使用未涂覆的结构外壳组件，此时结垢压力可能使得未受保护的结构免受宏观结垢和/或其中未涂覆的外壳可能足以在期望的时间段内为所含的基材提供保护。在许多实施例中，外壳壁结构的表面的至少一部分可以用杀生物涂料、涂层和/或添加剂浸渍、注入和/或涂覆。在一些另外的实施例中，杀生物剂和/或防污剂可以整合到外壳和/或其它系统组件和/或其其它部分中，以理想地保护系统本身免受不希望的结垢。在一些示范性实施例中，结构或材料可用作杀生物剂的载体。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。理想地，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壳或其它系统组件的外表面上和/或开口内定殖，以及排斥、使其丧失能力、损害和/或削弱小到足以试图或成功地穿透外壳内的开口的生物结垢生物，使得它们不太能够在外壳下游的人工或合成的局部水生环境内繁衍。在各种实施例中，外壳理想地结合有保持足够强度和/或完整性的材料，以允许在不少于约3至7天、7至15天、3至15天、至少1个月、至少2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年或更长的使用寿命内保护和/或抑制生物结垢(和/或能够产生期望的人工局部水生环境或合成局部水性环境)。在一些实施例中，可以使用含有水溶性和/或可降解树脂或封装一种或多种杀生物剂的其它可降解材料的涂层。在这种涂层中，树脂或可降解材料(即PLA或类似物)可以封装杀生物剂，并且一旦树脂或材料与水接触，水可以渗透并破坏树脂结构，从而允许杀生物剂释放到环境中。在另一优选的实施例中，类似于薄膜或片材的可降解材料可以用至少一种杀生物剂浸渍，从而在材料降解时使杀生物剂释放。这种布置将理想地为穿过基质的水的受控杀生物剂定量给料提供高效的基底或结构，其目前可改善杀生物剂与水在孔和/或纤维基质的其它区域和/或受保护环境的其它区域内的混合。
在至少一个示范性实施例中，外壳系统包含具有至少一种活性成分或杀生物剂的至少一种涂层或涂料，其中涂层在外壳的使用寿命中以一定速率洗脱。在一些示范性实施例中，杀生物剂洗脱可以首先发生在结构的正面或表面和/或结构孔内，其中在一些实施例中水溶性树脂的分解允许孔尺寸增大，这可以允许结构继续允许水通过这些孔，而不会由于生物膜或生物结垢生长而快速堵塞。在一些实施例中，随着孔尺寸的增加，每个孔中树脂的有效表面积可能增加，这可能增加杀生物剂的洗脱和杀生物剂处理的有效性。给定流体流中所需的杀生物剂含量可能取决于多种因素，包括树脂中杀生物剂的水平和/或浓度、树脂降解和杀生物剂释放的速度、杀生物剂接触比(其可为孔中涂层的表面积相对于孔体积的比)、水流过基质的速度和/或体积和/或流动水的温度等。
在另一示范性实施例中，可以根据环境参数、水化学和/或生物的类型和数量来调整或优化杀生物剂或活性成分的水平。杀生物剂浓度、洗脱速率和释放曲线可基于水流速、水停留时间、水交换、水混合、水湍流等而变化。释放或洗脱的总杀生物剂可以基于水系统内的设定时间内通过、在结构上或结构周围的每总耗水量或水流的总活性成分或杀生物剂进行计算。在优选的实施例中，30天后在流动水中释放的总杀生物剂可以是至少百万分之500(ppm)、至少100ppm、至少80ppm、至少50ppm、至少40ppm、至少30ppm、至少25ppm、至少20ppm、至少15ppm、至少10ppm、至少5ppm、至少1ppm、至少十亿分之75(ppb)、至少50ppb、至少10ppb、至少5ppb、至少1ppb或至少0.1ppb。在一些实施例中，60天后在流动水中释放的总杀生物剂可以是至少500ppm、至少100ppm、至少50ppm、至少50ppm、至少40ppm、至少30ppm、至少25ppm、至少20ppm、至少15ppm、至少10ppm、至少5ppm、至少1ppm、至少75ppb、至少50ppb、至少30ppb、至少10ppb、至少5ppb、至少1ppb或至少0.01ppb。
含有杀生物剂和/或其它化学品的涂层可以以多种方式施加到纤维介质上，包括通过将涂层添加到结构的一侧或两侧、将涂层注入到结构内、将涂层挤压到结构上、将结构浸没在涂层浴中，或本领域公知的其它涂覆技术。
在系统的至少一个示范性实施例中，外壳可以包含涂覆、喷涂和/或浸渍有杀生物剂涂层的材料，该涂层理想地粘附到和/或渗透材料到所需深度(其可以包括仅在结构的一侧上的材料的表面涂层，以及可渗透穿过结构的1％到99％，或25％，或50％，或75％的涂层，以及可以完全穿透该结构并且涂覆该结构的相对侧的一些或全部的涂层)，涂覆结构的一侧，涂覆两侧，或涂覆所有侧。在至少一个实施例中，涂层可以在面向需要保护的基材或物品的表面上或嵌入其中，或者在与基材或物品相对的表面上。在一些实施例中，杀生物剂涂层或涂料将含有至少一种(即2、3、4、5、6或更多种)杀生物剂和/或活性成分以减少生物结垢和生物膜堆积。理想地，杀生物剂将减少和/或防止纤维基质材料本身上的生物结垢的类型、速度和/或程度，和/或还将对试图穿过材料中的开口进入下游水性环境的微生物具有一些有害影响(也可能对储集器和/或下游水系统中已经存在的微生物产生一些影响)。在各种实施例中，沿着穿过外壳的三维“进入路径”(即，当微生物穿过材料的开口和/或孔时)存在的杀生物剂涂层或涂料将理想地提供更大的表面积，并且证明比当今海洋应用中刚性浸没表面上使用的标准二维“平面”涂料杀生物剂覆盖(即，硬平面涂层)更有效。在各个方面，特别是在结构基质材料是高度原纤化的和/或纤毛化的情况下，此类材料的涂层可以理想地提供更高的结构“功能表面积”以供杀生物剂涂层粘附，这理想地提高了抗生物结垢功效的潜力，因为当生物穿过结构时，它们更可能位于这些小纤维(和驻留在其上或其中的杀生物剂涂料、涂层或添加剂)附近和/或与其接触。
在各种替代实施例中，外壳可以结合涂覆、喷涂和/或浸渍有杀生物剂涂层的材料(其可以包括仅在结构的一侧上的材料的表面涂层，以及可以从结构的正面和/或背面延伸一定量到结构的孔中的表面涂层)，其可以包括在结构的一个表面上的涂层，其渗透到结构的孔中达5％、渗透到结构的孔中达10％、渗透到结构的孔中达15％、渗透到结构的孔中达20％、渗透到结构的孔中达25％、渗透到结构的孔中达30％、渗透到结构的孔中达35％、渗透到结构的孔中达40％、渗透到结构的孔中达45％、渗透到结构的孔中达50％、渗透到结构的孔中达55％、渗透到结构的孔中达60％、渗透到结构的孔中达65％、渗透到结构的孔中达70％、渗透到结构的孔中达75％、渗透到结构的孔中达80％、渗透到结构的孔中达85％、渗透到结构的孔中达90％、渗透到结构的孔中达95％、渗透到结构的孔中达99％、渗透到结构的孔中达100％和/或从孔延伸到结构的相对表面上。
在各种实施例中，在一些实施例中另外掺入杀生物剂涂层或其它涂层/添加剂也理想地提高了外壳、系统和/或其组件的耐久性和功能寿命，因为在浸泡后的一段时间内，应该抑制和/或防止生物结垢生物和/或其它有害物质在柔性结构和/或其中的穿孔中定殖，从而理想地保持系统壁的柔性、多孔性质及其伴随的优点。当杀生物剂主要保留在结构基质附近时(即，当杀生物剂在结构或外壳外可能具有非常低的或没有杀生物剂洗脱水平时)，杀生物剂将理想地显著抑制外壳和/或系统壁的生物结垢，而系统的存在及其下游产生的“差异化的水性环境”将减少和/或抑制受保护的水系统或其它基材的生物结垢。在各种示范性实施例中，杀生物剂在外壳下游的水中和/或在从水系统释放的水中具有极低和/或不可检测的水平(即，低于30ng/L)，并且在保护水系统和/或系统组件免受生物结垢方面仍保持高度有效。在一个实例中，在人工海水中，7天内检测到涂覆的纤维基质材料中的杀生物剂释放速率为0.2至2ppm和/或更低，并且在人工海水中，7天内检测到的低局部浓度(即杀生物剂释放速率)为0.2至2ppm和/或更低，并且这些释放速率有效地保护纤维基质材料免受生物结垢。
可以将结合了各种杀生物剂和/或其它分配和/或洗脱材料的各种补充涂层结合到给定的系统设计中，以提供各种防污优势。例如，以不同的量和/或时间释放econea和/或巯氧吡啶的涂层可用于抵抗生物结垢(其中Econea主要靶向“硬壳”生物和巯氧吡啶锌或巯氧吡啶铜主要靶向“软壳或无壳”生物)，包括具有在浸泡后仅数小时、数天和/或数周后显著降低的初始高释放速率的实施例，以及具有随浸泡时间的推移而增加的初始低释放速率的其它实施例。示范性涂层可以结合靶向一种或多种结垢物种的单一杀生物剂或制剂，或涂层可以结合不同比率的两种或更多种杀生物剂，其中每种杀生物剂靶向一种或多种不同结垢物种和/或类似结垢生物的不同生命阶段。所选择的杀生物剂及其浓度可以基于给定的应用和生物结垢的类型而变化，这可能取决于多种因素，包括结垢保护的地理位置、一年中的季节、各种局部结垢压力、用于防污外壳的特定水应用、防污系统的设计和特征、期望的结垢保护持续时间和/或期望保护的基材的结构和/或类型。在一些示范性实施例中，涂层制剂中的第一杀生物剂与第二杀生物剂的比率可以为大约1:1、大约1:2、大约1:3、大约1:4、大约1:5、大约1:10。大约1:15、大约1:20、大约1:255、大约1:50、大约1:100或更大。在一个特别有用的实施例中，在靶向硬壳和软壳生物的示范性涂层制剂中，Econea与巯氧吡啶锌(或巯氧吡啶铜)的比率可以为大约3:1(即75％的Econea对25％的巯氧吡啶锌或巯氧吡啶铜)。
在至少一个示范性实施例中，外壳可以包含纺制聚酯结构，其具有可商购的杀生物剂涂层的表面和/或表面下涂层，杀生物剂涂层包括含有注册杀生物剂的水基和/或溶剂基涂层，其中涂层实际上通过本领域已知的任何方式，包括通过刷涂、辊涂、涂漆、浸涂、喷涂、生产印刷、封装和/或筛网涂覆(有和/或没有真空辅助)施加到结构上。可以在材料的一侧或两侧完成材料的涂层，以及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)。
在各种实施例中，对涂层使用各种印刷方法可以具有允许将可见图案和/或标识结合到系统部件中和/或上的额外益处，其可以包括营销和/或广告材料以识别系统的来源(即，系统制造商)以及识别一个或多个用户(即，特定码头和/或船主/船名)和/或识别预期使用区域和/或条件(即，“仅盐水浸泡”或“仅在杰克逊维尔港使用”或“仅夏季使用”)。如果需要，可以结合各种指示器来识别系统组件的使用年限和/或状况，包括例如在可更换的模块化过滤器单元的外部打印“更换截止”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12描绘了示范性可渗透结构1200的横截面图，其具有各种孔开口21210和从结构1200的正面1230延伸到背面1240的简化通道1220。还示出了任选地含有杀生物剂或其它衰弱物质的涂层物质1250，其中该涂层物质的一些部分从正面1230延伸至少一定距离“D”进入结构1200的孔开口1210和/或通道1220中。在各种实施例中，涂层物质将理想地渗透进入材料结构和/或结构壁开口/孔中某一平均距离“D”(即，穿透结构的3％、5％、10％、15％、20％、25％、50％、75％或更大的深度——参见图12)。理想地，涂层物质(其在干燥配置中通常比其所施加的结构“更硬”)将以允许结构弯曲和/或模制到某一程度的方式施加(即，涂层将理想地不会明显或严重地将结构“硬化”到不希望的程度)，从而允许结构形成为所需的外壳形状和/或缠绕在结构周围和/或形成为柔性袋和/或容器(如果需要)。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。
由本发明的各种特征提供的另一显著优点涉及所公开的可渗透结构的单独纤维的构造和布置，其赋予结构“混合”和/或以其它方式搅动编织或针织结构中的孔、孔隙、空隙和/或各种开口内的环境水的能力。这种混合效果可以极大地提高水在通过外壳内和/或之后的均匀性和/或均一性。在提供杀生物剂涂层的一些实施例中，这种混合效果可以极大地提高洗脱杀生物剂的有效性，因为杀生物剂的浓度在靠近孔壁的水中可能最大，但甚至在水离开外壳壁之前可以有效地混合到水流中。这种布置可以确保高剂量的杀生物剂作用于孔壁附近的结垢生物，并且还确保杀生物剂与水流中的其它结垢生物充分接触，即使在非常低的总杀生物剂剂量水平下。
一旦涂覆有涂层或油漆，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。
在至少一个示范性实施例中，防污外壳可以包括柔性纤维材料和/或具有涂层的结构，该涂层包含施加到柔性纤维材料的第一表面的杀生物剂，柔性纤维材料具有从柔性纤维材料的第一表面延伸到第二表面的多个孔、间隙和/或其它开口，其中涂层延伸到孔中，使得多个孔具有至少25微米的平均涂覆前最小孔开口和75至25微米之间的平均涂覆后最小孔开口。当这种材料被置于水流或其它液体流中时，水流从第一表面到第二表面流过多个孔，并且杀生物剂从涂层中洗脱到水流中，杀生物剂接触多种生物结垢生物并抑制多种生物结垢生物中的一种或多种物种定殖在位于涂覆结构下游的基材表面上。
在各个实施例中，外壳可以包含任选的杀生物剂，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。在各种实施例中，使用一种或多种杀生物剂可以提供以下中的一种或多种：(1)用于保护外壳免于结垢的杀生物剂，(2)用于保护基材免于结垢的杀生物剂，(3)诱导在基材上和/或在受保护环境内形成“人工”生物膜的环境条件的杀生物剂，(4)用于在受保护环境内定量供水的杀生物剂，和/或(5)减少在纤维结构基质和/或“过滤器”元件的表面上和/或孔内“累积”结垢的杀生物剂。
设想了插入和/或施加涂层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/或涂覆在材料上的药剂。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。如果需要，系统可以理想地包括多个壁结构，每个壁结构通过缝合、编织等附接到一个或多个相邻的壁结构(如果有的话)，其可以包括在一个或多个涂层下面的任何接缝和/或缝合/粘附区域的涂覆和/或封装，以形成模块化外壳。如果期望的话，可以添加外壳材料扩张到外壳紧固元件之外和/或扩张到外壳紧固元件上，以保护紧固元件免于结垢。
在替代实施例中，外壳可以包括可闭合和/或可打开的特征，如维可牢尼龙搭扣(Velcro)或钩环紧固件组件、拉链、磁性闭合件和/或十字绣特征。类似的连接类型可用于将单个片材的侧边缘连接在一起，或允许从支撑框架或其它结构移除和替换纤维基质介质。
在各种实施例中，外壳理想地包括抗生物结垢特性，其附接到线和/或纤维(即，纤维基质的各种元件)和/或嵌入线和/或纤维内以抑制和/或防止系统的生物结垢。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。这些化合物可以从海藻、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。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。
在一个示范性实施例中，所需的基于纺制聚酯纤维的编织结构可用作外壳材料，其中该结构具有约410克/平方米的基重(包括任何涂覆或改性之前基础结构的重量)(见表13)。
表13：示例性结构规范
表14描述了可用作具有不同效用水平的外壳材料的一些替代结构规格。
表14：附加示例性结构规范
对于各种结构或外壳实施例，油漆/涂层上的目标附加重量可以设定为大约约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％)。
在需要添加杀生物剂或其它涂料的各种实施例中，应当理解在一些实施例中，涂料可以在系统完全组装和/或构造之后施加到外壳上，而在其它实施例中，涂层可以在组装和/或构造之前施加到系统的一些或全部组件上。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，在可能需要热敏性杀生物剂和/或涂层的情况下，可以采用涉及高温的材料处理技术以在施加其杀生物剂涂层之前产生和/或处理结构和/或外壳壁(即，减少杀生物剂和/或涂层的热相关降解的机会)。
在各种实施例中，可以将涂层材料或其它添加剂(包括杀生物剂涂层或其它材料)施加到和/或结合到外壳的结构中，潜在地导致渗透率水平的改变，这可以将可能不太适合于保护基材免受生物结垢的材料转化为一旦处于涂覆状态就更适合于保护基材免受生物结垢的材料。例如，未涂覆的聚酯结构，其通过实验证明了对液体具有相对高的渗透率(即，150mL的液体在少于50秒的时间内通过测试结构)，这对于形成外壳以保护基材免受生物结垢可能是不太理想的，如本文所述。然而，当用杀生物涂层适当涂覆至所需水平时，涂覆结构的渗透率可以显著降低到更理想的水平，如中等渗透率水平(即，100mL的液体在50至80秒之间通过测试结构)和/或非常低的渗透率水平(即，很少或没有液体通过测试结构)。以这种方式，如果需要，可以任选地为每个选定的结构“拨入”或调整故意的渗透率水平。
在水性环境中长时间的浸泡测试过程中，结合有聚酯涂覆结构的外壳的一个实施例没有产生宏观结垢和/或产生极少的宏观结垢涂层。此外，一个实例聚酯结构在浸泡期间变得更具渗透性，而另一个实例在浸泡期间变得渗透性较低。
纤维基质材料和/或定量给料介质
图13A描绘了未涂覆的23x23聚酯编织结构的示范性实施例，其通过实验证明了对液体的渗透率相对较低(即，100mL的液体在大约396秒内通过测试结构)，这对于形成一些外壳设计以保护基材免受生物结垢可能处于理想渗透率范围的低端，如本文所述，这取决于当地条件。当涂覆时(见图13B)，这些材料在浸泡之前变得基本上不可渗透，但在浸泡之后变得更可渗透。如前所述，如果需要，可以为每个选定的结构“拨入”或调谐所需的渗透率水平。在各种实施例中，如果需要，给定结构和/或外壳组件的渗透率在潮湿或干燥条件下可以改变或不同。
在水性环境中长时间浸泡测试期间，未涂覆的23x23聚酯和涂覆的聚酯结构在外壳和/或基材上都没有宏观结垢。此外，这些材料中的每一种在浸泡期间的渗透率都显著增加，其中23x23未涂覆的聚酯结构允许150mL液体在120秒内通过，而第一个23x23涂覆的聚酯结构允许150mL液体在160秒内通过，第二个23x23涂覆的聚酯允许150mL液体在180秒内通过。
在其它替代性实施例中，图14A至14C描绘了天然材料粗麻布，未涂覆的(图14A)，涂覆有溶剂基杀生物涂层(图14B)和涂覆有水基杀生物涂层(图14C)。在渗透率测试期间，未涂覆的粗麻布结构表现出50.99ml/s/cm2的渗透率，而涂覆的粗麻布结构对于溶剂基杀生物涂层和水基杀生物涂层分别具有52.32ml/s/cm2和38.23ml/s/cm2的渗透率。在盐水中浸泡32天后，两种涂覆结构的渗透率都显著增加至85.23ml/s/cm2和87.28ml/s/cm2，而未涂覆的粗麻布结构的渗透率降低至20.42ml/s/cm2。对于结垢观察，未涂覆的粗麻布结构的结垢非常少，而涂覆的粗麻布结构几乎没有宏观结垢。
另外，在另一替代性实施例中，1/64聚酯未涂覆结构用溶剂基杀生物涂层涂覆，和替代地用水基杀生物涂层涂覆。在渗透率测试期间，未涂覆的1/64聚酯结构表现出26.82ml/s/cm2的渗透率，而涂覆的1/64聚酯结构对于溶剂基杀生物涂层和水基杀生物涂层分别具有44.49ml/s/cm2和29.25ml/s/cm2的渗透率。在盐水中浸泡32天后，所有1/64聚酯结构的渗透率分别显著降低至10.99ml/s/cm2、13.78ml/s/cm2和13.31ml/s/cm2。对于结垢观察，未涂覆的1/16聚酯结构有一些结垢，而涂覆的1/64聚酯结构几乎没有宏观结垢。
在抗生物结垢外壳的构造和测试中，制造、涂覆和使用了不同种类的结构布。在第一实施例中(如图15A所示，比例尺为1000μm)，变形聚酯布在第一表面上涂覆有杀生物剂涂层，其中大量的这种涂层完全渗透穿过布到达相对的第二表面(其中第二表面上的一些涂层区域比其它区域薄)。图15B以1000μm的比例尺描绘了这种涂覆的布。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15C描述了100％纺制聚酯结构的另一优选实施例，图15D描述了涂覆有杀生物涂层的这种结构。在测试期间，未涂覆的100％聚酯结构表现出10.17ml/s/cm2的结构渗透率，而涂覆的聚酯结构具有0.32ml/s/cm2和1.08ml/s/cm2的渗透率。在浸泡23天后，两种涂覆结构的渗透率没有显著变化，未涂覆的聚酯结构的结垢非常小，而涂覆的聚酯结构几乎没有宏观结垢。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。
在另一实施例中(图15E中所示的未涂覆结构，比例尺为500μm)，随后在纺制聚酯布的第一表面上涂覆杀生物剂涂层，其中大量的这种涂层部分渗透穿过布的纤维和/或孔(在一些实施例中，高达或超过50％渗透穿过布)。图15F以1000μm示出了结构的相对未涂覆侧，该图还展示了如果需要的话，可以使用这种涂覆技术实现的显著的孔径减小。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)。
在实验上，所有这些结构实施例都表现出理想的渗透率水平，这可能是由于小孔数量多、纤维尺寸较小和/或其各种组合。各种涂覆方法在涂覆和渗透结构至所需水平方面是非常有效的，并且产生用于结合到保护外壳中的高效材料。
本文公开了可能适用于本发明的各种实施例的各种结构，这些结构在未涂覆和涂覆状态下具有示范性渗透率。例如，在卡纳维拉尔港(美国佛罗里达州卡纳维拉尔港)中，通过实验确定渗透率范围为0.5ml/s/cm2至25ml/s/cm2至50ml/s/cm2至75ml/s/cm2至100ml/s/cm2，或约0.1ml/s/cm2至约100ml/s/cm2，cm2或约1ml/s/cm2至约75ml/s/cm2，或约1ml/s/cm2至约10ml/s/cm2，或约1ml/s/cm2至约5ml/s/cm2，或约5ml/s/cm2至约10ml/s/cm2，或约10ml/s/cm2至约20ml/s/cm2，或约10ml/s/cm2至约25ml/s/cm2，或约10ml/s/cm2至约50ml/s/cm2，或约20ml/s/cm2至约70ml/s/cm2，或约10ml/s/cm2至约40ml/s/cm2，或约20ml/s/cm2至约60ml/s/cm2，或约75ml/s/cm2至约100ml/s/cm2，或约60ml/s/cm2至约100ml/s/cm2，或约10ml/s/cm2至约30ml/s/cm2，可能足以(取决于当地条件)防止在外壳上和/或在外壳内和/或在受保护基材上发生大量的结垢，同时仍允许足够的水流。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，因为特定的结垢生物，在给定区域和/或水体中的结垢侵入的发生率和/或结垢生长的速率可能高度依赖于多种相关因素，以及预期使用区域(以及待保护的预期基材等)的当地和/或季节条件，在给定的外壳设计中，给定结构的渗透率的可接受范围可能变化很大——因此对于一种外壳设计和/或位置可能是最佳的和/或合适的结构渗透率可能对于另一种外壳设计和/或位置不是最佳的和/或不合适的。因此，所需的渗透率值及其范围应解释为给定结构和/或渗透率在给定水体中提供结垢保护同时避免长时间缺氧条件和厌氧腐蚀的能力的一般趋势，但不应解释为排除在其它外壳设计和/或水条件中使用给定结构。
在各种实施例中，纤维基质介质和/或外壳材料的渗透率可以理想地在其使用寿命内在原位保持在所需的渗透率范围内(或如果需要，直至已建立所需的生物膜层)，使得由于外壳的结构和/或材料的变化(作为一个实例)而导致的材料渗透率的任何潜在增加将理想地近似于由于有机和/或无机碎屑堵塞孔(包括可能发生的材料和/或其孔的任何生物结垢)而导致的材料的渗透率的各种预期降低。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，未涂覆的合成材料的渗透性通常会随着时间的推移而降低(这可能是由于一旦围绕基材定位时结构的逐渐结垢所致；然而，不考虑结构和杀生物剂的初始溶胀和生物结垢，当涂层脱落或溶解时，渗透率应保持或增加)，而一些涂覆有杀生物涂层的材料会经历多种渗透率变化，包括一些实施例随着时间的推移渗透性变得较低。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。
在各种实施例中，外壳可以理想地抑制至少部分浸没在水生环境中的基材上的生物结垢，其中外壳包括在使用期间可渗透水或变得可渗透水的材料，所述外壳适于容纳所述基材并形成从基材的表面延伸到结构的至少内部/外部表面的差异化的水生环境，其中所述结构或其部分在将结构围绕基材定位时或之后具有水渗透率，其通量为每平方厘米基材每秒约100毫升水，每平方厘米基材每分钟约100毫升水，或其间的值，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。
系统组件组装
在各种实施例中，系统可以包含单个外壳或可以包含多个模块化部件，这些部件可以以各种系统形状、尺寸和/或能力组装。例如，系统设计可以理想地包含多个防污壁结构，每个壁结构通过缝合、编织、钩环紧固件、维可牢尼龙搭扣等附接和/或组装到一个或多个相邻的壁结构(如果有的话)，其可以包括任何接缝和/或缝合/粘附区域的涂覆和/或封装。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，三维结构形成技术可用于为外壳制造“管”或材料袋，其在侧面上不具有面向外部的接缝和/或仅在顶部和/或底部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，生物结垢实体可能优选坚硬、未破损的表面用于沉降和/或定殖，这可以为这样的实体提供“立足点”，用于随后在相邻的柔性结构部分(如本文所述的外壳的柔性结构部分)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。
在各种实施例中，结构渗透率可以通过各种技术来影响和/或改变，包括机械加工，如通过使用刺穿装置(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(即，水和/或空气喷射)或化学手段(即，蚀刻化学)的影响。以类似的方式，可以对低渗透率结构进行处理以理想地将该结构的渗透率增加到所需范围内，而在其它实施例中，可以改性较高渗透率结构(例如通过使用涂料、涂层、堵塞或凝结剂)以将渗透率降低所需量。
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。当外壳最初放置在水性介质中时，可渗透材料将理想地允许在开放环境和封闭和/或受限环境之间发生足够的水交换，以允许防止生物结垢形成的差异化环境。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。
系统放置和间距
在使用中，如本文所述的系统将理想地定位在流体流路径的上游和/或内部，与浸没在水性介质中的基材接触和/或围绕基材。这可以包括在物体最初第一次浸入水性介质中(即，物体“初次”浸泡在水性环境中)之前保护物体，以及保护从水性介质中取出并清洁和/或除垢的先前浸入的物体。在其它实施例中，可以安装系统以保护已经浸没在水性环境中的物体，包括可能已经预先浸没较长时间和/或已经在其上具有大量生物结垢的物体。
基材的非限制性实例包括与任何水消耗(如使用进水系统的大量水消耗)一起使用或组合使用或结合使用的任何基材或材料。与水消耗一起使用的基材的非限制性实例包括用于商业或工业应用的任何进水系统或进水下游的任何材料或基材，如过滤系统装备，如海水或淡水过滤系统、膜过滤器、水入口过滤器、管道和/或储水箱；升降机和船式储存结构；灌溉水储水箱和灌溉管道和/或装备；和/或其任何部分，包括水管理系统和/或系统组件，如船闸、水坝、阀门、防洪闸门和海堤；废水系统；储备渗透水系统；商业水厂；用于结构加热、注射、处理、洗涤、稀释、冷却和/或运输的水系统；冶炼设施系统、石油精炼厂和生产化学产品、食品和纸制品的工业。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农业、膜系统(例如，膜生物反应器和反渗透螺旋缠绕膜)以及大型装备和发电站水循环的维护。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。
在各种实施例中，待保护的基材可以是由任何材料制成的表面或表面下部分，包括但不限于金属表面、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、天然结构表面、合成结构表面和/或其任何组合。
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)均通过引用特此并入，其程度如同每篇参考文献被单独并且具体地指出通过引用并入并且在本文中被整体阐述。
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。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”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以任何合适的顺序执行。除非另外声明，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阐明本发明，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标的物的所有修改和等效物。此外，本发明涵盖以上描述的要素在其所有可能的变体中的任意组合，除非另外在本文中指出或另外明确地与上下文相矛盾。
Claims (75)
1.一种用于减少水系统中的生物结垢的装置，其包含：
处理单元，其包含至少一层可渗透织物结构，所述可渗透织物结构具有外表面、内表面和在所述外表面和所述内表面之间延伸的多个孔，所述可渗透织物结构在至少一个表面上具有杀生物剂涂层，所述杀生物剂涂层至少部分地延伸到所述多个孔中，
所述处理单元定位在所述水系统的进水位置，其中穿过所述水系统的所有水穿过所述处理单元，
所述水需要平均停留时间以通过所述处理单元和所述水系统并从所述水系统的排水口排出，
其中所述杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到通过所述处理单元的水中，所述杀生物剂接触所述水中的至少一种结垢生物并在至少所述平均停留时间内减少所述水系统内的一个或多个基材表面上的结垢。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理单元内的涂覆的可渗透织物结构具有在每秒每平方厘米5毫升水到每秒每平方厘米100毫升水范围内的渗透率。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述可渗透织物结构的所述至少一层包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
4.根据权利要求1所述的装置，其中紧邻所述处理单元上游的所述水的溶解氧含量与紧邻所述处理单元下游的所述水的溶解氧含量基本相似。
5.根据权利要求1所述的装置，其中紧邻所述处理单元上游的所述水的溶解氧含量显著高于紧邻所述处理单元下游的所述水的溶解氧含量。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述杀生物剂涂层位于所述可渗透织物结构的上游外表面上。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述可渗透织物处理单元的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述水系统包含直流系统。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述水系统包含再循环系统。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述水系统包含再循环系统的补给水回路。
11.一种减少流动水流中的基材上的生物结垢的方法，其包含：
将包含杀生物剂的涂层施加到外壳的表面，所述外壳具有从所述外壳的第一表面延伸到第二表面的多个孔，其中所述涂层延伸到所述多个孔中，使得所述多个孔具有至少25微米的平均涂覆前最小孔开口和75至25微米的平均涂覆后最小孔开口，
将涂覆的外壳放置在所述流动水流中，其中所述流动水流从所述第一表面到所述第二表面流过所述多个孔，并且所述杀生物剂从所述涂层洗脱到所述水流中，所述杀生物剂接触生物结垢生物并减少生物结垢生物在位于所述涂覆的外壳下游的基材表面上定殖。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述外壳包含柔性织物材料，所述柔性织物材料具有在每秒每平方厘米5毫升水至每秒每平方厘米100毫升水范围内的渗透率。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述柔性织物材料包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
14.根据权利要求11所述的方法，其中位于所述外壳上游的所述流动水流的一部分的溶解氧含量与位于所述外壳下游的所述流动水流的一部分的溶解氧含量基本相似。
15.根据权利要求11所述的方法，其中位于所述外壳上游的所述流动水流的一部分的溶解氧含量显著高于位于所述外壳下游的所述流动水流的一部分的溶解氧含量。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述杀生物剂涂层位于所述外壳的上游外表面上。
17.根据权利要求16所述的方法，其中可渗透织物过滤介质的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述外壳位于直流系统的进水口内。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述外壳位于再循环系统的进水口内。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述外壳位于再循环系统的补给水回路内。
21.一种用于减少水系统中的生物结垢的装置，其包含：
过滤和处理单元，其包含：
至少一层可渗透过滤介质，所述可渗透过滤介质具有外表面、内表面和在所述外表面和所述内表面之间延伸的多个孔，所述可渗透过滤介质在所述外表面上具有杀生物剂涂层，所述杀生物剂涂层至少部分地延伸到所述多个孔中，以及
除氧系统，其去除通过所述过滤单元的水中的溶解氧的至少一部分；
所述过滤单元定位在所述水系统的进水位置，其中进入所述水系统的所有水穿过所述过滤单元，所述水需要平均停留时间以通过所述过滤单元和所述水系统并且从所述水系统的排水口排出，
其中所述杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到通过所述过滤和处理单元的水中，所述杀生物剂接触所述水中的多种结垢生物并抑制所述多种结垢生物在至少所述平均停留时间内在所述水系统内的一个或多个基材表面上定殖的能力。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述过滤单元内的可渗透织物过滤介质具有在每秒每平方厘米5毫升水至每秒每平方厘米100毫升水范围内的渗透率。
23.根据权利要求21所述的装置，其中所述可渗透织物过滤介质的所述至少一层包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
24.根据权利要求21所述的装置，其中紧邻所述过滤单元上游的所述水的溶解氧含量与紧邻所述过滤单元下游的所述水的溶解氧含量基本相似。
25.根据权利要求21所述的装置，其中紧邻所述过滤单元上游的所述水的溶解氧含量显著高于紧邻所述过滤单元下游的所述水的溶解氧含量。
26.根据权利要求21所述的装置，其中所述杀生物剂涂层位于所述可渗透织物过滤介质的上游外表面上。
27.根据权利要求21所述的装置，其中所述可渗透织物过滤介质的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
28.根据权利要求21所述的装置，其中所述水系统包含直流系统。
29.根据权利要求21所述的装置，其中所述水系统包含再循环系统。
30.根据权利要求21所述的装置，其中所述水系统包含再循环系统的补给水回路。
31.一种减少来自经历高温的冷却水流中的多种生物结垢生物的生物结垢的方法，其包含：
将包含杀生物剂的涂层施加到柔性多孔织物的第一表面，所述柔性多孔织物具有从所述柔性多孔织物的所述第一表面延伸到第二表面的多个孔，
将涂覆的织物放置在所述冷却水流中，其中所述冷却水流以第一平均水温从所述第一表面到所述第二表面流过所述多个孔，并且所述杀生物剂从所述涂层洗脱到所述冷却水流中，所述杀生物剂接触所述多种生物结垢生物并抑制所述多种生物结垢生物在位于所述涂覆的织物下游的基材表面上定殖，
其中所述冷却水流进入冷却水回路并被加热至第二平均温度，所述第二平均温度高于所述第一平均温度，并且所述杀生物剂抑制所述多种生物结垢生物在基材上定殖的有效性不因所述冷却水流的平均温度升高而降低。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述柔性多孔织物包含渗透率在每秒每平方厘米5毫升水至每秒每平方厘米100毫升水的范围内的材料。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述柔性多孔织物包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
34.根据权利要求31所述的方法，其中位于所述柔性多孔织物上游的所述冷却水流的一部分的溶解氧含量与位于所述柔性多孔织物下游的所述冷却水流的一部分的溶解氧含量基本相似。
35.根据权利要求31所述的方法，其中位于所述柔性多孔织物上游的所述冷却水流的一部分的溶解氧含量显著高于位于所述柔性多孔织物下游的所述冷却水流的一部分的溶解氧含量。
36.根据权利要求31所述的方法，其中所述杀生物剂涂层位于所述柔性多孔织物的上游外表面上。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述柔性多孔织物的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
38.根据权利要求31所述的方法，其中所述柔性多孔织物位于直流冷却系统的进水口内。
39.根据权利要求31所述的方法，其中所述柔性多孔织物位于再循环冷却系统的进水口内。
40.根据权利要求31所述的方法，其中所述柔性多孔织物位于再循环冷却系统的补给水回路内。
41.一种人工形成的生物膜，其包含：
在水系统内形成的防污生物膜，其中在所述水系统内流动的水周期性地通过过滤和处理单元，所述过滤和处理单元包含至少一层可渗透织物过滤介质，所述可渗透织物过滤介质具有外表面、内表面和在所述外表面和所述内表面之间延伸的多个孔，所述可渗透织物过滤介质在所述外表面上具有杀生物剂涂层，所述杀生物剂涂层至少部分地延伸到所述多个孔中，其中所述杀生物剂洗脱到所述水中并抑制生物在位于所述过滤和处理单元内或下游的一个或多个基材表面上定殖，其中所述防污生物膜与所述水系统外的水中天然形成的生物膜相比包含至少一种蓝细菌、硅藻或细菌的多样性减少。
42.根据权利要求41所述的人工形成的生物膜，其中沉积在所述基材上的所述防污生物膜比在所述水系统外的水中天然存在的生物膜更薄。
43.根据权利要求41所述的方法，其中沉积在所述基材上的所述防污生物膜具有比所述水系统外的水中天然存在的生物膜更弱的结构完整性。
44.根据权利要求41所述的方法，其中沉积在所述基材上的所述防污生物膜主要包含变形菌(Proteobacteria)或拟杆菌(Bacteroidetes)。
45.根据权利要求41所述的方法，其中沉积在所述基材上的所述防污生物膜包含非常少量的疣微菌(Verrucomicrobia)和放线菌(Actinobacteria)。
46.一种减少来自水系统的水流中的多种生物结垢生物的微生物影响腐蚀(MIC)的方法，其包含：
将包含杀生物剂的涂层施加到柔性多孔织物的第一表面，所述柔性多孔织物具有从所述柔性多孔织物的所述第一表面延伸到第二表面的多个孔，
将涂覆的织物放置在所述水流中，其中所述水流从所述第一表面到所述第二表面流过所述多个孔，并且所述杀生物剂从所述涂层洗脱到所述水流中，所述杀生物剂接触至少一种生物结垢生物并减少生物结垢生物在位于所述涂覆的织物下游的至少一个基材表面上定殖。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述柔性多孔织物包含渗透率在每秒每平方厘米5毫升水至每秒每平方厘米100毫升水的范围内的材料。
48.根据权利要求46所述的方法，其中所述柔性多孔织物包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
49.根据权利要求46所述的方法，其中位于所述柔性多孔织物上游的所述水流的一部分的溶解氧含量与位于所述柔性多孔织物下游的所述水流的一部分的溶解氧含量基本相似。
50.根据权利要求46所述的方法，其中位于所述柔性多孔织物上游的所述水流的一部分的溶解氧含量显著高于位于所述柔性多孔织物下游的所述水流的一部分的溶解氧含量。
51.根据权利要求46所述的方法，其中所述杀生物剂涂层位于所述柔性多孔织物的上游外表面上。
52.根据权利要求46所述的方法，其中所述柔性多孔织物的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
53.根据权利要求46所述的方法，其中所述柔性多孔织物位于直流水系统的进水口内。
54.根据权利要求46所述的方法，其中所述柔性多孔织物位于再循环水系统的进水口内。
55.根据权利要求54所述的方法，其中所述柔性多孔织物位于再循环系统的补充水系统内。
56.一种用于减少在制造厂或发电厂的冷却水回路中流动的冷却水中出现军团菌(legionella)的装置，其包含：
过滤和处理单元，其包含：
至少一层可渗透织物过滤介质，所述可渗透织物过滤介质具有外表面、内表面和在所述外表面和所述内表面之间延伸的多个孔，所述可渗透织物过滤介质在所述外表面上具有杀生物剂涂层，所述杀生物剂涂层至少部分地延伸到所述多个孔中，以及
除氧系统，其去除通过所述过滤单元的冷却水中的溶解氧的至少一部分；
所述过滤单元定位在所述冷却水回路的冷却水过滤位置，其中所述冷却水回路中的所述冷却水的至少一些部分穿过所述过滤单元，
其中所述杀生物剂涂层将杀生物剂洗脱到通过所述过滤单元的所述冷却水中，所述杀生物剂接触所述冷却水中的多种军团菌生物并抑制所述多种军团菌生物在所述冷却水回路内的一个或多个基材表面上繁衍或定殖的能力。
57.根据权利要求55所述的装置，其中所述过滤和处理单元内的所述可渗透织物过滤介质具有在每秒每平方厘米5毫升水至每秒每平方厘米100毫升水范围内的渗透率。
58.根据权利要求56所述的装置，其中所述可渗透织物过滤介质的所述至少一层包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
59.根据权利要求56所述的装置，其中紧邻所述过滤和处理单元上游的所述冷却水的溶解氧含量与紧邻所述过滤和处理单元下游的所述冷却水的溶解氧含量基本相似。
60.根据权利要求56所述的装置，其中紧邻所述过滤单元上游的所述冷却水的溶解氧含量显著高于紧邻所述过滤单元下游的所述冷却水的溶解氧含量。
61.根据权利要求56所述的装置，其中所述杀生物剂涂层位于所述可渗透织物过滤介质的上游外表面上。
62.根据权利要求56所述的装置，其中所述可渗透织物过滤介质的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
63.根据权利要求56所述的装置，其中所述冷却水回路包含直流冷却系统。
64.根据权利要求56所述的装置，其中所述冷却水回路包含再循环冷却系统。
65.根据权利要求56所述的装置，其中所述冷却水回路包含再循环冷却系统的补给水回路。
66.一种减少水系统的管道内生物膜形成的方法，其包含：
将包含杀生物剂的涂层施加到柔性多孔织物的第一表面，所述柔性多孔织物具有从所述柔性多孔织物的所述第一表面延伸到第二表面的多个孔，并且将涂覆的织物放置在所述管道上游的位置处的所述水系统的水流中，其中所述水流从所述第一表面到所述第二表面流过所述多个孔，并且所述杀生物剂从所述涂层洗脱到所述水流中，所述杀生物剂接触所述水流内的多种生物结垢生物并诱导在所述管道的内表面上形成与来自未经处理的水流的未经处理的生物膜厚度相比厚度减小的生物膜。
67.根据权利要求65所述的方法，其中所述柔性多孔织物具有在每秒每平方厘米5毫升水至每秒每平方厘米100毫升水范围内的渗透率。
68.根据权利要求65所述的方法，其中所述柔性多孔织物的所述至少一层包含选自由以下组成的组的三维柔性材料：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。
69.根据权利要求65所述的方法，其中紧邻所述柔性多孔织物上游的所述水的溶解氧含量与紧邻所述柔性多孔织物下游的所述水的溶解氧含量基本相似。
70.根据权利要求65所述的方法，其中紧邻所述柔性多孔织物上游的所述水的溶解氧含量显著高于紧邻所述柔性多孔织物下游的所述水的溶解氧含量。
71.根据权利要求65所述的方法，其中所述杀生物剂涂层位于所述柔性多孔织物的上游外表面上。
72.根据权利要求65所述的方法，其中所述柔性多孔织物的下游外表面基本上不含所述杀生物剂涂层。
73.根据权利要求65所述的方法，其中所述厚度减小的生物膜具有比未经处理的生物膜更弱的结构完整性。
74.根据权利要求65所述的方法，其中所述厚度减小的生物膜主要包含变形菌或拟杆菌。
75.根据权利要求65所述的方法，其中所述厚度减小的生物膜包含非常少量的疣微菌和放线菌。
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