一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法与流程

本发明涉及深海金属防护技术领域，特别是指一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法。

背景技术：

海洋面积约占地球总面积的71％，蕴藏着重要的油气、多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等新型矿产以及极为丰富的海洋生物资源，其经济总价值是陆地资源总价值的数十倍，海洋因此成为了各国高科技竞争的重要舞台。更为重要的是，海洋关系到国家领海安全，因而倍受重视。近年来，我国提出大力发展海洋经济的国家战略，这也为海洋尤其是深海的开发提供了广阔的发展空间。

随着国家战略和海洋经济的不断发展，人们对深海装备研发和探究工作力度不断增加。然而制约深海探测的一个重要瓶颈就是深潜装备材料的安全服役问题。以钢结构潜艇为例，它的工作环境纵穿海洋各个腐蚀区域，同时又面临流体场、温度场、应力场、电磁场等多强场的交互作用，其壳体、肋骨、管路等部位易于出现腐蚀、疲劳等失效行为，导致钢结构强度下降，严重的还会由于锈蚀穿孔导致爆裂、注水等事故产生。因此，对深海装备进行有效保护就显得格外重要。

海洋电活性微生物是自然界存在的一类功能性微生物，能将代谢有机物产生的电子直接或间接传递给导电体。

海底羽状流所包含的海底沉积物根据颗粒的显微结构颗粒可以分为4类：生物碎屑、微生物成因颗粒(即保留有微生物成因特征如形态、大小、细胞复杂性、种群分布及活动痕迹等特征的颗粒)、无定形颗粒和自形颗粒。其中：微生物成因颗粒有丝状、簇状等不同形态特征；无定形颗粒根据成分分可分为s-zn-ba-ca、fe氧化物和少量ba-zn-ca、fe-mn-ca-ba和少量的zn、硫化物颗粒及多金属颗粒等类型；自形颗粒主要为黄铁矿和闪锌矿。生物体碎屑一般为孔洞构造的片状体，孔洞不规则，直径在0.2-10μm之间。微生物成因颗粒是细菌在无机矿物颗粒表面矿化的结果，细菌在其表面分解其中有机质，生长富集在矿物颗粒表面，直径一般在0.05-0.6μm。无定型颗粒是羽状流颗粒的主要类型，颗粒种类及形态结构复杂多变，粒径不一，直径在3-40μm，一般为多种矿物伴生的致密状颗粒，团聚松散，大颗粒受到外力作用，容易破碎。羽状流中还含有少量的自形晶颗粒，其自身为规则的矿物晶型颗粒，多以单体存在，也会与其他类型的颗粒聚集在一起，单体粒径一般在1μm以下。由于海底沉积物受到扰动形成的海底羽状流，初形成时团聚较严重，随着海底洋流的漂移逐渐分散。

专利《便于水下安装和拆卸的牺牲阳极保护装置》(cn204058599u)，公开了一种便于水下安装和拆卸的牺牲阳极保护装置，但该装置需要在被保护装置壳体外接肋板，对装置的结构造成破坏，装置壳体强度受到损伤，使用寿命减小，随着服役时间延长，阳极块的放电性能下降，需要及时更换新的阳极材料，造成较大的原料浪费。专利《一种海洋船舶漆、防止生物附着寄生镀层及热喷涂工艺》(cn1201840a)，公开了一种以锡黄铜和重金属氧化物cu2o通过热喷涂形成的涂层。虽然能有效防止海底微生物在设备表面生长富集，但是本身在海水中长时间浸泡，会向海水中溶解一些有毒重金属，涂层一旦受到外力撞击就可能发生开裂、脱落等情况，露出被保护基体，设备受到的侵蚀将会加速。专利《一种海水管路牺牲阳极保护装置》(cn2656433y)，公开了一种海水管路牺牲阳极保护装置，但该装置适用于管状、柱状等零部件，适用范围小，且需要外接铜导线，对于海下复杂洋流而言，存在导线连接断开。需要定时水下更换阳极块，每次更换，都需要再次对被保护设备表面海底管路处理，安装步骤复杂，水下操作较困难。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法。

该装置包括微生物催化分解反应单元、分离沉积单元和导电及固定装置，微生物催化分解反应单元数量不少于一个，多个微生物催化分解反应单元之间并联，微生物催化分解反应单元与分离沉积单元之间并联，微生物催化分解反应单元和分离沉积单元通过导电及固定装置固定和供电；

其中，微生物催化分解反应单元包括框架、中心载体、载体隔离板和载体挡板，分离沉积单元包括网格状隔离板、弹性橡胶软板，导电及固定装置包括壳体、底部多孔挡板、导电钛丝、活动螺杆、固定板、固定螺杆和紧固夹板；中心载体间断排列，中心载体通过载体隔离板隔开，中心载体上下两端通过载体挡板密封，中心载体用螺栓及垫片固定在框架中；网格状隔离板与框架垂直连接，相邻分离沉积单元的弹性橡胶软板与网格状隔离板交叉等距离排列，两个相向的中心载体由n个网格状隔离板和n个弹性橡胶软板形成n-1个串联的分离沉积单元；底部多孔挡板与框架连接，底部多孔挡板的表面孔与导电钛丝连接，导电钛丝上部穿插在中心载体内部，多个微生物催化分解反应单元平行固定在活动螺杆上，活动螺杆与壳体连接，活动螺杆能够相对于壳体上下移动；该装置两侧通过紧固夹板和固定螺杆连接在被保护装置行走机构两侧，接触面积根据固定板实际所需大小调节。

其中，弹性橡胶软板与网格状隔离板交互重叠面积为二分之一。

活动螺杆为全螺纹。

中心载体与网格状隔离板夹角为90°。

网格状隔离板表面小孔的直径为3-0.5cm，根据海底设备作业区域海底沉积物的颗粒性质来确定孔径区间，不同孔径大小的网格状隔离板根据该装置所保护设备的行进方向孔径由大到小逐级排列；弹性橡胶软板厚度为0.5-2cm。

中心载体为疏松多孔透气导电材料，中心载体内部嵌布导电钛丝。

导电及固定装置所用金属为同种钛合金材料。

微生物催化分解反应单元中的框架为非导体材料，起固定作用。

微生物催化分解反应单元可并联使用，以适应所需防护金属面积的变化；微生物催化分解反应单元也可随活动螺杆在壳体内部垂直上下移动，水平方向可根据活动螺杆上的螺纹调节距离，以适应海底沉积物高度的变化，防止堆积，堵塞装置内部空间。

应用该装置的方法，包括步骤如下：

s1：将该装置安装在需保护的海底采矿及勘探设备与海底沉积物接触装置的四周，导电钛丝与所保护装置金属相连，中心载体先经过表面预处理，在中心载体表面吸附微生物，根据所需保护装置的金属面积确定所需中心载体的数量；

s2：将该装置同海底采矿及勘探设备一起放到海底时，装置底部插入海底沉积物中，采矿及勘探设备在海底行走过程中，夹杂着海底沉积物的水流形成海底羽状流，海底羽状流主要成分为生物体碎屑、微生物成因颗粒和无定型颗粒。当羽状流经过分离沉积单元时，网格状隔离板将粒径在3-0.5cm以上的大颗粒海底羽状流中沉积物逐级阻挡下沉，相邻网格状隔离板之间的弹性橡胶软板的弹性撞击将羽状流中团聚物分散，使水流流速减缓，并且形成扰动涡流，海底羽状流中颗粒流经反应单元的中心载体，被微生物催化分解，流速进一步减慢，中心载体上富集的微生物催化颗粒物中无机矿物及有机物氧化反应，产生电子，电子经中心载体内部的导电钛丝传递至底部多孔挡板，壳体两侧与外导电金属连接，电子被聚集传递，转移至金属表面而被保护；

s3：海底羽状流中的微生物穿过网格状隔离板，经过微生物催化分解反应单元的中心载体时，富集并生长在中心载体上，以不断流经的沉积物中无机矿物及有机物为底物进行生长代谢，分解无机矿物或有机物产生电子由导电钛丝传递出去，随着采矿及勘探装置在海底的行进，完成中心载体上微生物优势菌或菌群的更替，该微生物或菌群更适于本区域的环境，以快速分解有机物和无机矿物为底物进行代谢，提高产电速率。即采矿和勘探设备行进中，借助本装置完成菌种和菌群的自我更新，适应作业环境的同时，提高电子传递速率，使本装置随时随地处于高效工作状态，对采矿和勘探设备金属进行原位保护；

s4：上述s2、s3过程在微生物催化分解反应单元和分离沉积单元中循环往复进行，使电子连续不断传递给金属，金属受到持久保护。

在采矿及勘探装置行进过程中，沉积物被扰动形成的海底羽状流，其中粒径较大或比重较大颗粒沉积物在自身重力的作用下首先沉降，随着漂移及橡胶软板的弹性撞击被逐级分散，粒径较小或比重较小的沉积物随水流扰动、依次穿过装置的串联分离沉积单元，逐级沉降或被降解，装置内部不会有沉积有机物和无机矿物颗粒，对装置本身不会增加负重。

其中，s1中微生物由深海采矿及勘探地区的沉积物富集得到。

微生物催化分解反应单元能持续不间断的与海底沉积物催化分解反应，随深海采矿设备或勘探设备移动，附着的微生物的菌群得到更新补充，不断有相似性质的微生物富集吸附到表面。

预处理中载体上的微生物菌群中主要微生物筛选自海底沉积物中的较高电活性的微生物，能适应海底高盐低氧低温环境，以海底沉积中有机物和无机矿物为底物，不需外部补加养料。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该装置结构简单，通过富集生长在疏松多孔导电材料上的微生物对海底沉积物中无机矿物及有机物催化分解，将氧化反应过程中产生的电子定向转移至金属，对金属基体进行原位防护，相较于传统方法，本方法能持续工作，无需外加电压及外加原料，能随时随地利用海底沉积物中的微生物及其有机物和无机矿物，最终达到金属的原位防护。

附图说明

图1为本发明的基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置俯视图；

图2为本发明是基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置主视图。

其中：1-微生物催化分解反应单元；11-框架；12-中心载体；13-载体隔离板；14-载体挡板；2-分离沉积单元；21-网格状隔离板；22-弹性橡胶软板；31-壳体；32-底部多孔挡板；33-导电钛丝；34-活动螺杆；35-固定板；36-固定螺杆；37-紧固夹板。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置及方法。

如图1和图2所示，该装置包括微生物催化分解反应单元1、分离沉积单元2和导电及固定装置，微生物催化分解反应单元1数量不少于一个，多个微生物催化分解反应单元1之间并联，微生物催化分解反应单元1与分离沉积单元2之间并联，微生物催化分解反应单元1和分离沉积单元2通过导电及固定装置固定和供电；

其中，微生物催化分解反应单元1包括框架11、中心载体12、载体隔离板13和载体挡板14，分离沉积单元2包括网格状隔离板21、弹性橡胶软板22，导电及固定装置包括壳体31、底部多孔挡板32、导电钛丝33、活动螺杆34、固定板35、固定螺杆36和紧固夹板37；中心载体12间断排列，中心载体12通过载体隔离板13隔开，中心载体12上下两端通过载体挡板14密封，中心载体用螺栓及垫片固定在框架11中；网格状隔离板21与框架11垂直连接，相邻分离沉积单元2的弹性橡胶软板22与网格状隔离板21交叉等距离排列，两个相向的中心载体12由n个网格状间隔板21和n个弹性橡胶软板22形成n-1个串联的分离沉积单元2；底部多孔挡板32与框架11连接，底部多孔挡板32的表面孔与导电钛丝33连接，导电钛丝33上部穿插在中心载体12内部，多个微生物催化分解反应单元1平行固定在活动螺杆34上，活动螺杆34与壳体31连接，活动螺杆能够相对于壳体31上下移动；该装置两侧通过紧固夹板37和固定螺杆36连接在被保护装置行走机构两侧，接触面积根据固定板35实际所需大小调节。

使用该装置时，包括步骤如下：

s1：将该装置安装在需保护的海底采矿及勘探设备与海底沉积物接触装置的四周，导电钛丝与所保护装置金属相连，中心载体先经过表面预处理，在中心载体表面吸附微生物，根据所需保护装置的金属面积确定所需中心载体的数量；

s2：将该装置同海底采矿及勘探设备一起放到海底时，装置底部插入海底沉积物中，采矿及勘探设备在海底行走过程中，夹杂着海底沉积物的水流形成海底羽状流，海底羽状流主要成分为生物体碎屑、微生物成因颗粒和无定型颗粒。当羽状流经过分离沉积单元2时，网格状隔离板21将粒径在3-0.5cm以上的大颗粒海底羽状流中沉积物逐级阻挡下沉，相邻网格状隔离板21之间的弹性橡胶软板22的弹性撞击将羽状流中团聚物分散，使水流流速减缓，并且形成扰动涡流，海底羽状流中颗粒流经反应单元1的中心载体12，被微生物催化分解，流速进一步减慢，中心载体12上富集的微生物催化颗粒物中无机矿物及有机物氧化反应，产生电子，电子经中心载体12内部的导电钛丝33传递至底部多孔挡板32，壳体31两侧与外导电金属连接，电子被聚集传递，转移至金属表面而被保护；

s3：海底羽状流中的微生物穿过网格状隔离板21，经过微生物催化分解反应单元1的中心载体12时，富集并生长在中心载体上，以不断流经的沉积物中无机矿物及有机物为底物进行生长代谢，分解无机矿物或有机物产生电子由导电钛丝33传递出去，随着采矿及勘探装置在海底的行进，完成中心载体12上微生物优势菌或菌群的更替，该微生物或菌群更适于本区域的环境，以快速分解有机物和无机矿物为底物进行代谢，提高产电速率。即采矿和勘探设备行进中，借助本装置完成菌种和菌群的自我更新，适应作业环境的同时，提高电子传递速率，使本装置随时随地处于高效工作状态，对采矿和勘探设备金属进行原位保护；

s4：上述s2、s3过程在微生物催化分解反应单元1和分离沉积单元2中循环往复进行，使电子连续不断传递给金属，金属受到持久保护。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置，安装在某型号的深海勘探设备行走机构两侧，海平面以下1000m，随机构同向以相同速度在海底沉积物表面前进，底部插入沉积物深度20cm，被保护设备主要材质为316l钢。

装置微生物催化分解反应单元1为6个，6个微生物催化分解反应单元的连接方式为并联；微生物催化分解反应单元与分离沉积单元的连接方式为并联；

导电及固定装置包括外壳体固定部件和导电部件；

微生物催化分解反应单元1包括框架11、中心载体12、载体隔离板13和载体挡板14，且单个微生物催化分解反应单元1内的中心载体12间断排列，通过载体隔离板13隔开，中心载体用螺栓及垫片固定在框架11中。

分离沉积单元2包括网格状隔离板21和弹性橡胶软板22，网格状隔离板21与载体框架垂直连接，每个微生物催化分解反应单元的两侧分别为网格状隔离板21和弹性橡胶软板22，相邻单元的弹性橡胶软板22与网格状隔离板21交叉等距离排列，弹性橡胶软板21与网格状隔离板22交互重叠面积为二分之一；

导电及固定装置包括壳体31、底部多孔挡板32、导电钛丝33、活动螺杆34、固定板35、固定螺杆36和紧固夹板37。底部多孔挡板32与框架11连接，底部多孔挡板32表面孔与导电钛丝33连接，导电钛丝上部穿插在中心载体12内部。多个微生物催化分解反应单元平行固定在活动螺杆34上，各单元相互之间距离18cm。活动螺杆34与壳体31连接，穿插微生物反应单元的活动螺杆可上下移动。该装置两侧通过紧固夹板37和固定螺杆36连接在被保护装置行走机构两侧。

中心载体12为疏松多孔透气导电材料，每个中心载体12上内部嵌布导电钛丝33共计8根。

中心载体12与网格状隔离板21夹角90°。

网格状隔离板21表面小孔直径2-0.5cm，不同孔径大小的网格状隔离板21根据深海勘探设备行进方向孔径由大到小逐级排列；弹性橡胶软板22厚度0.5cm。

导电及固定所用金属为相同材质钛合金材料。

微生物催化分解反应单元1中框架11为pve材料。

该装置与被保护设备通过导电金属连接至壳体内部。中心载体12选用多孔疏松石墨毡，根据所需防护金属面积确定中心载体数量为12块，每个微生物催化分解反应单元1中在框架11两侧安装两块中心载体12，单块有效面积0.5平方米。石墨毡先经过菌液表面预处理10天，以深海勘探设备作业处沉积物为底物，石墨毡表面形成分解沉积物中有机物和无机矿物进行生长代谢的微生物菌群。

实施例2

一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置，安装在某型号的深海采矿设备行走机构两侧，海平面以下1500m，随机构同向以相同速度在海底沉积物表面前进，底部插入沉积物深度15cm。装置微生物催化分解反应单元为8个，8个微生物催化分解反应单元的连接方式为并联；微生物催化分解反应单元与分离沉积单元的连接方式为并联；

导电及固定装置3包括外壳体固定部件和导电部件；

催生物催化分解反应单元、分离沉积单元和导电及固定装置的连接关系同上。

多个微生物催化分解反应单元平行固定在活动螺杆3-4上，各单元相互之间距离15cm。活动螺杆34与壳体31连接，穿插微生物反应单元的活动螺杆可上下移动。

中心载体12为疏松多孔透气导电材料，每个中心载体12上内部嵌布导电钛丝33共计12根。

中心载体12与网格状隔离板21夹角90°。

网格状隔离板21表面小孔直径2.5-0.7cm，不同孔径大小的网格状隔离板21根据深海采矿设备行进方向孔径由大到小逐级排列；弹性橡胶软板22厚度1.35cm。

导电及固定所用金属为相同材质钛合金材料。

微生物催化分解反应单元1中框架11为pvc材料。

该装置与被保护设备通过导电金属连接至壳体内部。中心载体12选用多孔疏松石墨毡，根据所需防护金属面积确定中心载体数量为16块，每个微生物催化分解反应单元1中在框架11两侧安装两块中心载体12，单块有效面积0.8平方米。石墨毡先经过菌液表面预处理15天，以深海采矿设备作业处沉积物为底物，石墨毡表面形成分解沉积物中有机物和无机矿物进行生长代谢的微生物菌群。

实施例3

一种基于深海微生物及沉积物的金属原位防护装置，安装在某型号的深海铺设电缆设备行走机构两侧，海平面以下1200m，随机构同向以相同速度在海底沉积物表面前进，底部插入沉积物深度10cm。

装置微生物催化分解反应单元为4个，4个微生物催化分解反应单元的连接方式为并联；微生物催化分解反应单元与分离沉积单元的连接方式为并联；

导电及固定装置3包括外壳体固定部件和导电部件；

催生物催化分解反应单元、分离沉积单元和导电及固定装置的连接关系同上。

多个微生物催化分解反应单元平行固定在活动螺杆34上，各单元相互之间距离20cm。活动螺杆34与壳体31连接，穿插微生物催化分解反应单元的活动螺杆可上下移动。该装置两侧通过紧固夹板37和固定螺杆36连接在被保护装置行走机构两侧，接触面积可根据35实际所需大小调节。

中心载体12为疏松多孔透气导电材料，每个中心载体12上内部嵌布导电钛丝33共计6根。

中心载体12与网格状隔离板21夹角90°。

网格状隔离板21表面小孔直径3-1cm，不同孔径大小的网格状隔离板21根据深海铺设电缆设备行进方向孔径由大到小逐级排列；弹性橡胶软板22厚度2cm。

导电及固定所用金属为相同材质钛合金材料。

微生物催化分解反应单元1中框架11为pve材料。

该装置与被保护设备通过导电金属连接至壳体内部。中心载体12选用多孔疏松石墨毡，根据所需防护金属面积确定中心载体数量为8块，每个微生物催化分解反应单元1中在框架11两侧安装两块中心载体12，单块有效面积0.8平方米，石墨毡先经过菌液表面预处理15天，以深海铺设电缆设备作业处沉积物为底物，石墨毡表面形成分解沉积物中有机物和无机矿物进行生长代谢的微生物菌群。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。