0 引 言

近年来，随着造船工业与海洋事业的迅猛发展，海生物污损对船体造成的危害已经受到广泛关注^[1-2]。海生物在船体上的附着使船舶阻力大大增加，减缓了航行速度，提高了燃料的消耗，同时加快了船体的腐蚀，大大增加了船舶运行和维修费用，导致经济损失增多^[3-5]。因此，解决船体清污问题具有重要意义，已经成为相关学者研究的重点课题^[6]。

目前，有关船体清污的研究有很多，相关研究也取得了一定的研究成果，其中，文献[7]通过在冷却水中通入臭氧对船体进行清污处理，不但可以杀灭船体中的细菌、病毒，还能够防止结垢，避免船体腐蚀，同时不需要添加化学药品，不仅不污染环境，而且操作成本低，但该方法正处于开发阶段，技术并不成熟，无法应用于实际的船体清污中；文献 [8] 利用防污材料制作结构物实现船体清污，按照结构物的性能要求，选用合理的金属材料制作结构物，通过结构物自身的毒性，防止污损生物附着在船体上。但该方法在很大程度上会导致局部环境被污染。文献 [9] 采用电解金属的方法实现船体清污，通常采用的金属为铜及其合金。该方法将金属铜与铝看作是阳极，将被保护的金属结构物看作是阴极，通入少量直流电，将铜离子和铝离子电解出来。金属铜具有毒性，能够降低很多动物性生物的附着量，达到船体清污的目的。由于所采用的阳极为消耗型的，因此需定期更换阳极，成本较高，而且更换过程十分复杂；文献 [10] 采用涂刷防污漆的方法实现船体清污，防污漆主要包括毒料、漆料、溶剂等，其中毒料所占比重最多。防污漆通过毒料的不断渗出，在船体表面形成一个有毒薄层，从而杀灭漆膜上的污损生物，实现船体清污。但该方法的防污寿命较短，需要反复涂刷，成本较高。

针对上述方法的弊端，将电解海水计算应用于船体清污中，分析了电解海水计算在船体清污中的应用原理，采用电解槽方式对船体进行清污，给出电解海水计算应用于船体清污的装置流程。给出电解槽的数学模型，通过该模型对电解槽结构中的相关问题进行解决，设计出性能优良的电解槽。仿真实验结果表明，采用所提方法对船体进行清污，清污效果较好，在 RuO₂ 含量为 30% 的情况下，电极性能最高。

1 电解海水计算在船体清污中的应用原理

通过电解海水计算对船体清污是 20 世纪 60 年代发展起来的一项清污新技术。简单的说，其通过直接电解海水获取氯和氯的化合物-氯酸钠，以杀灭附着在船体的海生物。

海水为含有多种盐类的电解质，其浓度在 3.5% 上下，其中 70% 为 NaCl，海水的主要成分如表 1 所示。

针对不同的海区，海水的成分和浓度也有所不同，所以海水电解计算过程非常复杂。为了便于分析，本节将海水看作是约 3% 的弱碱性食盐溶液，用不溶性或微溶性电极对海水进行电解，图 1 描述的是电解反应示意图，其主要反应过程如下：

阳极

$ 2{\rm{C}}{{\rm{l}}^-} \to {\rm{C}}{{\rm{l}}_2} \uparrow + 2{\rm{e}}\text{，} $

(1)

$ 4{\rm{OH}} \to {{\rm{O}}_2} \uparrow + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}} + 4{\rm{e}}\text{，} $

(2)

阳极上产生的 Cl₂ 在电解液中立即溶解成氯的水合物，水合物再离解成次氯酸和盐酸，反应式如下：

$ {\rm{C}}{{\rm{l}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} \to {\rm{HClO}} + {\rm{HCl}}\text{，} $

(3)

阴极

$ 2{{\rm{H}}^ + } + 2{\rm{e}} \to {{\rm{H}}_2} \uparrow\text{，} $

(4)

$ {\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {\rm{O}}{{\rm{H}}^{-1}} \to {\rm{NaOH}}\text{，} $

(5)

阴极周围的产生物 NaOH 和海水中的镁离子反应，产生絮状的白色沉淀物 Mg(OH)₂：

$ 2{\rm{NaOH}} + {\rm{MgC}}{{\rm{l}}_2} \to {\rm{Mg}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_2} \downarrow + 2{\rm{NaCl}}\text{，} $

(6)

若选用无隔膜形式对海水进行电解计算，则阳极周围的 HClO 和阴极周围的 NaOH 反应，产生次氯酸钠 HClO：

$ {\rm{HClO + NaOH}} \to {\rm{NaClO + }}{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}\text{。} $

(7)

电解海水计算过程中形成的 Cl₂ 与 NaClO 即为船体清污的有效成份，其可以对附着在船体上的海生物维持生命所必须的酵素进行分解，使海生物的呼吸系统被损伤。所以，仅需在船体上施以一定浓度的氯即可避免海生物的附着，达到船体清污的目的。

2 电解海水计算在船体清污中的应用

通过电解海水计算对船体进行清污共有 2 种方式：一种是电解槽方式，另一种是直接电解方式，当前通常采用的是电解槽方式。

2.1 电解海水计算应用于船体清污的基本流程和装置

电解海水计算应用于船体清污的装置流程图如图 2 所示，其主要由电解槽、分离罐、拦污栅和冷却水泵等构成。

将海水从海水泵导入电解槽进行电解，再通过电解槽出口进入分离罐，到达拦污栅，最后冷却水泵从海水箱中吸入和电解液混合的海水，传输至海水冷却系统，从而防止海生物附着在船体上。

2.2 电解槽的数学模型

分析以上流程可知，将电解海水计算应用于船体清污的核心部件为电解槽，若电解槽性能优异，则可有效控制电极反应的进行，使电解海水反应朝着有助于船体清污的方向前进。依据电化学理论，海水在电解槽中电解的电化学关系可通过一个数学模型进行描述，也可通过该模型对电解槽结构中的相关问题进行解决，设计出性能优良的电解槽。

电解槽的数学模型可描述成：

$ V = \frac{{RT}}{{2F}}\ln \frac{{{P_{{\rm{C}}{{\rm{l}}_2}}} \cdot {{\rm{P}}_{{{\rm{H}}_2}}} \cdot {{\left[ {{\rm{O}}{{\rm{H}}^-}} \right]}^2}}}{{\left[ {{\rm{C}}{{\rm{l}}^-}} \right]}} + {\eta _{{\text{极化}}}} + {\eta _{{\text{欧}}}} + {\eta _{{\text{浓差}}}}\text{，} $

(8)

式中：V 用于描述电解槽槽压；P_Cl2、P_H2 分别用于描述形成的 Cl₂、H₂ 的分压；[] 为浓度；η_极化 用于描述电极的极化电位；η_欧 用于描述海水的欧姆降；η_浓差 用于描述浓差极化电位。

分析式（8）可知，在电流密度条件相同的情况下，随着电解槽槽压V 的逐渐降低，电解反应的去极化作用越强，即产氯量越高，耗电量越低。因为海水的浓度针对同一海域而言为定值，η_浓差 在电流密度与海水浓度相同的情况下变化较少，所以影响电解槽性能的因素为η_极化，η_欧 以及P_Cl2，P_H2。

2.2.1 降低极化电位η_极化，确定电极材料

降低η_极化 就是降低阳极极化电位。由于在阳极析氯反应中，随着η_极化 的降低，电极去极化作用逐渐增强，电极对氯的超电压逐渐降低，所以，如果可以获取一种对电解放氯起到催化作用的电极材料，则η_极化 将很小，使得电解海水得到的氯量增加，电流效率提高。本节对几种电极材料进行分析，其相关性能如表 2 所示。

如表 2 所示，综合分析极化电位、电流效率和产氯量等方面可知，将 Ti-RuO₂ 看作是电解海水的阳极材料最好。

2.2.2 降低欧姆降η_欧 对电解糟的影响

η_欧 不但能够消耗能量，而且可使产氯量、电流效率逐渐减少，甚至导致电解槽无法正常运行。η_欧 主要取决于海水的电导率、电极间隔和 Mg(OH)₂ 和 Ca(OH)₂ 沉积物 3 个因素。

因为海水电导率固定，因此选择合理的电极间隔与降低沉积物的量为减少η_欧 的关键。

经大量研究表明，电极间隔低于 1 cm 较为合理。

依据速度与溶度积定律，在进行电解海水计算时，当 $\left[ {{\rm{M}}{{\rm{g}}^ + }} \right]\left[ {{\rm{O}}{{\rm{H}}^-}} \right] \leqslant {\rm{KSP = }}3.5 \times {10^{-11}}$，也就是 $\left[ {{\rm{O}}{{\rm{H}}^-}} \right] \leqslant \sqrt {\frac{{3.5 \times {{10}^{-11}}}}{{6.4 \times {{10}^{-2}}}}} $ 时，电解槽中无沉积物的存在。

2.2.3 减少 ${\rm P_{C{l_2}}}$ 和 $ {\rm P_{{H_2}}}$

在电解槽被通以某固定的电流后，其产氯量将处于某恒定区间中，${\rm P_{C{l_2}}}$ 和 ${\rm P_{{H_2}}}$ 将随即出现。减少 ${\rm P_{C{l_2}}}$ 和 ${\rm P_{{H_2}}}$ 的方式通常为增加海水在电解槽内中的流速，经大量实验表明，海水流速应超过某最低数值。

3 实验结果与分析 3.1 实验环境分析

本文以 20 万吨油船的清污为例，分析实船上的装备概况，图 3 描述的是全套装置。

将电解槽装置安装于 3.5 m³ 的容器中，在机舱上部或甲板上进行实验。

3.2 船体清污性能分析

分别采用本文方法和电解金属方法对船体进行清污处理，将浸海 100 天和浸海 200 天的船体与未进行任何清污处理的船体进行比较，得到的结果用图 4~图 6所示。

分析图 4~图 6 可看出，当浸海时间为 100 天时，无任何清污处理的船体有大量藻类附着，当浸海时间达到 200 天时，船体上逐渐出现了大量生物粘膜、淤泥、藻类等。采用金属电解方法对船体进行去污时，虽然船体附着物明显少于无清污处理的船体，但较本文方法而言却明显增加，当浸海时间达到 200 天时，差别更加明显，说明采用本文方法对船体进行清污的效果较优。

3.3 RuO₂ 含量对电极性能的影响

在依据电解海水计算对船体进行清污的过程中，电解槽是重中之重，而电解槽中电极的性能主要取决于 RuO₂ 含量，因此，需在分析 RuO₂ 含量对电极性能的影响的过程中，找到最佳 RuO₂ 含量，以提高电极性能。

图 7~图 8 分别描述的是 Ti-RuO₂ 电极在饱和氯化钠与 0.5 mol/L 硫酸溶液中的析氯、析氧阳极极化曲线，其中样本 1～样本 5 的 RuO₂ 含量逐渐升高。

分析图 7~图 8 可知，在电位为 0.8～1 V 时，电位与电流密度呈直线关系，电位大于 1 V 后，随着电位的升高，电流密度的增长趋势减缓，极化率增加。在电流密度较高的情况下，电极反应主要是扩散控制，电极间性能差异不大。且随着 RuO₂ 含量的逐渐增加，电极析氯极化曲线逐渐增加后又有降低趋势，电极析氧极化曲线也呈同样趋势。

为了更加直观的验证 RuO₂ 含量对电极性能的影响，将析氯电位、析氧电位随 RuO₂ 含量的变化情况用表 3 进行描述。

分析表 3 可以看出，当 RuO₂ 含量在 15%～30% 时，随着 RuO₂ 含量的逐渐升高，析氯电位逐渐减少，这主要是因为单位电流密度下，单位面积上的活性点数量逐渐增多，实际电流密度逐渐减少，导致析氯电位下降。但在 RuO₂ 含量超过 30% 的情况下，析氯电位增加，说明此时 Ti-RuO₂ 电极具有最低的析氯电位。RuO₂ 含量对析氧电位的影响与析氯电位，说明在 RuO₂ 含量为 30% 的情况下，电极性能最高。

4 结 语

本文将电解海水计算应用于船体清污中，分析了电解海水计算在船体清污中的应用原理，采用电解槽方式对船体进行清污，给出电解海水计算应用于船体清污的装置流程，将海水从海水泵导入电解槽进行电解，通过电解槽出口进入分离罐，到达拦污栅，令冷却水泵从海水箱中吸入和电解液混合的海水，传输至海水冷却系统，防止海生物附着在船体上。给出电解槽的数学模型，降低极化电位，确定电极材料，降低欧姆降对电解糟的影响，减少${\rm P_{C{l_2}}}$ 和 ${\rm P_{{H_2}}}$，通过电解槽数学模型对电解槽结构中的相关问题进行解决，设计出性能优良的电解槽。仿真实验结果表明，采用所提方法对船体进行清污，清污效果较好，在 RuO₂ 含量为 30% 的情况下，电极性能最高。