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

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

【技术实现步骤摘要】
一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法
本专利技术涉及一种对海洋污损生物附着过程进行实时监测的方法，特别涉及一种利用电化学方法对海洋微观污损生物在金属材料表面附着和污损情况进行监测的方法，是针对海洋环境下，船舶及海洋工程水下设施等采用的金属材料表面生物污损状况进行评价，设计专利技术的一种阴极探头、原位电化学监检测装置及方法，属于海洋污损及防护

技术介绍
海洋环境下的生物污损现象是海洋污损生物在海洋结构物上的附着和繁殖演替过程，对人工设施造成严重危害。其对各种设施的危害不尽相同，表现为：使船舶水下摩擦阻力增大，使通海管道阻塞，使电厂冷却设备导热效率降低，使渔业养殖网箱阻塞减产等。生物污损过程通常分为两个阶段，即微生物污损阶段和大型污损生物污损阶段。在微生物污损阶段，固体表面先被蛋白质等有机质分子覆盖，在数分钟的短时间内即可形成最初的条件膜。随后，微生物的胞外产物开始分泌并且黏附，附着不可逆，且较为牢固。接着，微生物繁殖扩增，逐步形成较厚的生物膜，随着膜系统发育并逐步成熟，牢固吸附在基底材料表面。微生物膜形成后，附着生物种类增加并逐步变厚，到达大型污损生物污损阶段。大型藻类的孢子、无脊椎动物的幼虫等开始附着，并逐渐长成成体，形成一种垂直分布的复杂生态系统，各种污损生物混合在一起，大型和小型污损生物繁殖，并随季节交替演变，形成污损生物群落。在生物污损发生和发展过程中，微观污损生物的附着对整个污损生物群落的形成具有重要的奠基作用，很大程度上影响着后续其它污损生物的附着和生长。因此，监测微观污损生物附着发生过程对掌握生物污损进程具有重要意义。对船舶及海洋工程设施而言，监控微观污损生物的发生过程也具有重要价值。如管道等封闭体系的设施，通常采用了电解制氯的防污措施，其原理是利用一定浓度（约1ppm）的有效氯对污损生物的毒杀作用达到防污目的。然而，在封闭体系中，污损发生在隐蔽、不可视的内壁，防污措施是否有效仍缺乏直观的监测和控制，往往是长出了大型污损生物，造成了危害后才察觉。这与不同季节、海域的生物量和种类差别大，氯浓度没有达到有效浓度有关；而有时情况正相反，如在水温较低时，环境中污损生物量较少，污损威胁相对较小，此时所需的有效氯浓度可以变小，若制氯设备仍运行不变则造成能源浪费。因此，如果能实时监控微观污损生物的发生及发展状态，实现根据不同季节及昼夜等生物量变化，调节电解产氯浓度，从而以最小耗能达到最大效果，对提高杀灭效率，并减少能源浪费具有很大意义。对材料研发而言，监测微观污损生物的形成过程，有助于探明污损生物的附着机制，进而有针对性地开发防污材料，对提升防污措施的有效性和针对性具有重要作用。目前，尚没有针对微观污损生物发生过程的实时原位监测方法。现有微观污损生物的观测主要采用GBT12763.6中微生物调查及相关方法，包括表面采样、扩增培养、显微观察、染色计数、平板计数等步骤和方法，不但操作步骤繁琐、测试周期长，而且无法实现实时和原位监测，当测试结果出来时，已经过去数天，甚至几周，设施表面的生物污损状态已经发生变化，无法做到实时反馈。因此，建立微观污损生物发生过程的实时监测方法，将有助于提高测试的时效性，对早期污损的发生实施监控，尽早发现，及时预警，尽早采取措施，预防更大污损的发生，从而为提升防污措施的有效性提供支撑。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是针对现有海洋生物污损问题，提供一种微观生物污损电化学监测用阴极探头、微观生物污损的实时原位电化学监测装置及方法。本专利技术基于微生物附着后新陈代谢产生氢离子和电子的原理，利用金属基体和阴极探头产生的电位差，实时反映微生物污损状态，达到快速、实时、原位监测金属基体表面微观生物污损发生过程的目的。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：1、本专利技术提供一种微观生物污损的实时原位电化学监测阴极探头，该阴极探头在微观生物污损的电化学监测中用作阴极，其结构包括：壳体、质子交换膜、阴极电极和阴极介质；所述壳体为一端开口、其余面封闭的腔体；所述质子交换膜设置在壳体的开口处，并与壳体一起组成封闭空间；该封闭空间内设置有阴极电极，封闭空间内填充阴极介质，阴极电极位于阴极介质中，阴极电极一端延伸出壳体外连接引线。在本专利技术的一个实施例中，所述质子交换膜覆盖在壳体的开口处，用密封圈和密封条固定压紧，并用密封胶（如防水环氧胶）粘接，形成封闭的整体。在本专利技术的一个实施例中，所述阴极介质为灭菌海水、或含铁氰化钾的溶液，其中铁氰化钾含量为0.05-0.15mol/L、NaCl15-30g/L、磷酸缓冲液（KH2PO41.3g/L、K2HPO40.45g/L）。此处，阴极介质的作用是：通过介质中电子受体获得电子产生阴极反应，而阳极反应则失去电子，这样阳极与阴极的两个反应即构成电池反应体系，形成电子传递回路。当阴极介质选择灭菌海水时，灭菌海水中溶解氧作为电子受体。灭菌海水中含有NaCl，能保持盐度与工况环境即海水的盐度一致。铁氰化钾是最常用的阴极液，原因是易溶于水，阴极几乎没有极化现象，能产生更高的功率输出，所以优选该介质体系。其中，铁氰化钾作为电子受体，产生阴极反应，反应方程式为：K3Fe(CN)6+e=K4Fe(CN)6，其反应电位为0.361V，NaCl保持盐度与工况环境即海水的盐度一致，磷酸缓冲液调节pH值。在本专利技术的一个实施例中，所述壳体为非金属绝缘壳体，其材质为有机玻璃、普通玻璃、塑料等。在本专利技术的一个实施例中，所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜（如Nafion膜）、非氟复合物质子交换膜、复合型质子交换膜等。在本专利技术的一个实施例中，所述阴极电极为柱状、板状、片状或棒状，其材质为石墨、钛合金、金属氧化物电极、铂电极等，其一端与引线连接并从壳体内引出。2、本专利技术另提供一种微观生物污损的实时原位电化学监测装置，该装置采用污损生物附着的金属基体作为阳极，上述阴极探头作为阴极，将阴极、阳极接入电位测试仪器来测试电位差；利用污损生物附着在金属基体表面后，新陈代谢过程中产生游离氢离子，扩散到海水中，并透过质子交换膜进入阴极探头，而新陈代谢产生的电子进入金属基体，从而在阴极探头与金属基体之间形成电位差，根据电位测试仪器检测到的开路电位的变化趋势，实现微观生物污损监测。此处，质子交换膜的作用是作为传递氢质子的介质,只允许氢质子通过。在本专利技术的一个实施例中，所述阳极材质为钛合金、不锈钢等耐腐蚀金属材料，阳极材料还可以为铜合金、钢结构等不耐腐蚀的金属材料。当进行电化学监测时，需要断开牺牲阳极与该船舶及海洋工程设施阳极材料的连接。在本专利技术的一个实施例中，所述质子交换膜所在一侧面向金属基体，质子交换膜与金属基体表面的距离小于50cm，优选，使质子交换膜、金属基体、阴极探头三者相平行。在本专利技术的一个实施例中，所述阴极电极固定在壳体的中间位置，阴极电极一端用密封胶粘接在壳体的一侧面，另一端通过螺纹与壳体的另一侧面连接固定，并用密封胶（如防水环氧胶）进行绝缘和密封处理。在本专利技术的一个实施例中，所述壳体为一侧开口的长方体，阴极电极的体积为长方体体积的1/2。3、本专利技术还提供一种微观生物污损的实时原位电化学监测方法，基于上述电化学监测装置，包括步骤如下：1）将金属基体与导线或测试探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，该阴极探头在微观生物污损的电化学监测中用作阴极，其结构包括：壳体、质子交换膜、阴极电极和阴极介质；所述壳体为一端开口、其余面封闭的腔体；所述质子交换膜设置在壳体的开口处，并与壳体一起组成封闭空间；该封闭空间内设置有阴极电极，封闭空间内填充阴极介质，阴极电极位于阴极介质中，阴极电极一端延伸出壳体外连接引线。

【技术特征摘要】
1.一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，该阴极探头在微观生物污损的电化学监测中用作阴极，其结构包括：壳体、质子交换膜、阴极电极和阴极介质；所述壳体为一端开口、其余面封闭的腔体；所述质子交换膜设置在壳体的开口处，并与壳体一起组成封闭空间；该封闭空间内设置有阴极电极，封闭空间内填充阴极介质，阴极电极位于阴极介质中，阴极电极一端延伸出壳体外连接引线。2.根据权利要求1所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述质子交换膜覆盖在壳体的开口处，用密封圈和密封条固定压紧，并用密封胶粘接，形成封闭的整体。3.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述阴极介质为灭菌海水、或含铁氰化钾的溶液，其中铁氰化钾含量为0.05-0.15mol/L、NaCl15-30g/L、磷酸缓冲液（KH2PO41.3g/L、K2HPO40.45g/L）。4.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述质子交换膜为全氟磺酸树脂膜、非氟复合物质子交换膜、或复合型质子交换膜。5.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述壳体为非金属绝缘壳体，其材质为有机玻璃、普通玻璃、或塑料。6.根据权利要求1或2所述的一种微观生物污损电化学监测用阴极探头，其特征在于，所述阴极电极为柱状、板状、片状或棒状，其材质为石墨、钛合金、金属氧化物电极、或铂电极，其一端与引线连接并从壳体内引出...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑纪勇，蔺存国，邱峥辉，邱日，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37