Медные сплавы в аквакультуре - Copper alloys in aquaculture

Загон из медного сплава, который использовался на рыбоводной ферме на глубине 14 футов в течение одного года, не показывает признаков биообрастания .

Медные сплавы являются важным сетевым материалом в аквакультуре (разведение водных организмов, включая рыбоводство ). Различные другие материалы, включая нейлон , полиэстер , полипропилен , полиэтилен , сварную проволоку с пластиковым покрытием , резину , запатентованный шпагат (Spectra, Dyneema) и оцинкованную сталь , также используются для изготовления сеток в вольерах для рыб аквакультуры по всему миру. Все эти материалы выбираются по разным причинам, включая возможность проектирования, прочность материала , стоимость и коррозионную стойкость .

Что отличает медные сплавы от других материалов, используемых в рыбоводстве, так это то, что медные сплавы обладают противомикробными свойствами , то есть уничтожают бактерии , вирусы , грибки , водоросли и другие микробы . (Информацию об антимикробных свойствах меди и ее сплавов см. В разделах «Антимикробные свойства меди и сенсорных поверхностей из медного сплава» ).

В морской среде антимикробные / альгицидные свойства медных сплавов предотвращают биообрастание , которое можно кратко описать как нежелательное накопление, адгезию и рост микроорганизмов , растений , водорослей , трубчатых червей , ракушек , моллюсков и других организмов на человеке. изготовлены морские конструкции. Подавляя рост микробов, загоны для аквакультуры из медного сплава позволяют избежать дорогостоящих чистых изменений, которые необходимы для других материалов. Устойчивость к росту организмов на сетках из медного сплава также обеспечивает более чистую и здоровую среду для выращивания и процветания выращиваемых рыб.

Помимо противообрастающих свойств, медные сплавы обладают сильными структурными и коррозионно-стойкими свойствами в морской среде.

Именно сочетание всех этих свойств - необрастания, высокой прочности и коррозионной стойкости - сделало медные сплавы желательным материалом для таких морских применений, как трубы конденсатора, водозаборные экраны, корпуса судов , морские конструкции и обшивка. Примерно за последние 25 лет преимущества медных сплавов привлекли внимание представителей морской аквакультуры. В настоящее время отрасль активно использует сетку из медного сплава и конструкционные материалы в крупных коммерческих рыбоводных хозяйствах по всему миру.

Важность аквакультуры

См. Также: аквакультура , рыбоводство , марикультура и перелов.

Много было написано о деградации и истощении естественных рыбных запасов в реках , эстуариях и океанах (см. Также перелов ). Поскольку промышленное рыболовство стало чрезвычайно эффективным, океанические запасы крупной рыбы, такой как тунец , треска и палтус , сократились на 90% за последние 50 лет.

Аквакультура , отрасль, возникшая только в последние десятилетия, стала одним из наиболее быстрорастущих секторов мировой продовольственной экономики. Аквакультура уже обеспечивает более половины мирового спроса на рыбу. Прогнозируется, что в следующие несколько десятилетий этот процент резко возрастет.

Проблема биообрастания

Сетка из медного сплава установлена ​​на рыбоводной ферме атлантического лосося в Тасмании . На переднем плане: сетка из медного сплава, опирающаяся на причал. Дальний фон: на рыбной ферме установлены загоны из медного сплава.

Биообрастание - одна из самых больших проблем в аквакультуре. Биозагрязнение происходит на не-медные материалах в морской среде, в том числе рыб пера поверхностей и сеток . Например, было отмечено, что открытая площадь сетки, погруженной всего на семь дней в тасманскую аквакультуру, уменьшилась на 37% в результате биообрастания.

Процесс биообрастания начинается, когда споры водорослей , личинки морских беспозвоночных и другие органические материалы прилипают к поверхностям, погруженным в морскую среду (например, рыболовные сети в аквакультуре). Затем бактерии способствуют прикреплению вторичных нежелательных колонизаторов.

Биообрастание оказывает сильное негативное влияние на деятельность аквакультуры. Поток воды и растворенный кислород подавляются из-за засорения сетей в загонах для рыб. В результате рыба часто болеет инфекциями, такими как болезнь печени, амебная болезнь жабр и паразиты. Другие негативные воздействия включают повышенную смертность рыбы, снижение темпов роста рыбы, преждевременный вылов рыбы, снижение стоимости и прибыльности рыбной продукции, а также неблагоприятное воздействие на окружающую среду вблизи рыбоводных хозяйств.

Биообрастание увеличивает вес подводных рыболовных сетей. Сообщается о 200-кратном увеличении веса. Это означает, например, что две тысячи фунтов нежелательных организмов прилипли к тому, что когда-то было чистой 10-фунтовой сеткой для ловли рыбы. В Южной Австралии биообрастание весом 6,5 тонн (примерно 13 000 фунтов) наблюдалось на рыболовной сети. Эта дополнительная нагрузка часто приводит к поломке и дополнительным затратам на техническое обслуживание.

Для борьбы с паразитами от биообрастания в аквакультуре рыб можно применять такие протоколы лечения, как циперметрин , азаметифос и бензоат эмамектина , но было обнаружено, что они оказывают вредное воздействие на окружающую среду, например, при промысле омаров .

Для лечения заболеваний рыб, выращиваемых в биообрастающих сетях, в рыбные запасы вводят антибиотики . Антибиотики могут иметь нежелательные долгосрочные последствия для здоровья потребителей и прибрежной среды вблизи предприятий аквакультуры. Для борьбы с биообрастанием операторы часто применяют дорогостоящие меры по техническому обслуживанию, такие как частая смена сеток, очистка / удаление нежелательных организмов с сеток, ремонт сеток и химическая обработка, включая нанесение антимикробных покрытий на нейлоновые сетки. Стоимость противообрастающей сетки для лосося может составлять несколько тысяч фунтов стерлингов . В некоторых секторах европейской аквакультуры очистка загонов для рыбы и моллюсков с биологическим обрастанием может стоить 5–20% от ее рыночной стоимости. Сильное загрязнение может снизить товарный продукт в сетях на 60–90%.

Необрастающие покрытия часто используются на нейлоновых сетках, потому что этот процесс более экономичен, чем ручная очистка. Когда нейлоновые сетки покрыты противообрастающими составами, покрытия отталкивают биообрастание в течение определенного периода времени, обычно от нескольких недель до нескольких месяцев. Однако сети в конечном итоге подвергаются биообрастанию. Необрастающие покрытия, содержащие альгицид / биоцид закиси меди, представляют собой технологию нанесения покрытий, которая сегодня используется почти исключительно в рыбоводной промышленности. Лечение обычно проходит в течение от нескольких недель до шести-восьми месяцев.

Биообрастающие сети заменяются через несколько месяцев эксплуатации, в зависимости от условий окружающей среды, в сложной, дорогостоящей и трудоемкой операции, в которой участвуют водолазы и специализированный персонал. Во время этого процесса живую рыбу в сетях необходимо переносить в чистые загоны, что вызывает чрезмерный стресс и удушье, что приводит к некоторой потере рыбы. Биообрастающие сети, которые можно использовать повторно, моют на суше с помощью ручной чистки щеткой и скребков или обмывания водой под высоким давлением. Затем их сушат и повторно пропитывают необрастающими покрытиями.

Линия чистящих средств для сеток доступна для мытья на месте, где это разрешено. Но даже там, где это не разрешено экологическими, рыболовными, морскими и санитарными властями, если нехватка растворенного кислорода в погруженных загонах создает чрезвычайную ситуацию, которая ставит под угрозу здоровье рыб, водолазы могут быть задействованы со специальным оборудованием для очистки на месте для очистки биообрастающих сети.

Отрасль аквакультуры занимается устранением негативного воздействия своей деятельности на окружающую среду (см. « Вопросы аквакультуры» ). По мере развития отрасли ожидается появление более чистой и устойчивой отрасли аквакультуры, которая может все больше полагаться на материалы с противообрастающими, антикоррозийными и прочными структурными свойствами, такие как медные сплавы.

Противообрастающие свойства медных сплавов

После 4 месяцев погружения в воды Северной Атлантики (на переднем плане) на сетке из медного сплава не наблюдается биообрастания , тогда как гидроиды выросли на трубках из полиэтилена высокой плотности (фон).
См. Также: Антимикробные свойства сенсорных поверхностей из меди и антимикробных медных сплавов.

В аквакультуре рациональное животноводство означает содержание рыбы в чистоте, сытости, здоровой и не переполненной. Одним из решений сохранения здоровья выращиваемых рыб является их содержание в необрастающих сетках и конструкциях из медного сплава.

Исследователи объясняют устойчивость меди к биообрастанию даже в умеренных водах двумя возможными механизмами: 1) замедление последовательности колонизации за счет высвобождения антимикробных ионов меди, тем самым предотвращая прикрепление микробных слоев к морским поверхностям; и 2) разделение слоев, которые содержат продукты коррозии и споры молодых особей или макроорганизмов, образующих корку.

Наиболее важным требованием для оптимального сопротивления биологическому обрастанию является то, что медные сплавы должны быть свободно открыты или электрически изолированы от менее благородных сплавов и от катодной защиты . Гальваническая связь с менее благородными сплавами и катодная защита предотвращают высвобождение ионов меди из поверхностных пленок и, следовательно, снижают сопротивление биологическому обрастанию.

По мере повышения температуры и уменьшения скорости воды в морских водах скорость биообрастания резко возрастает. Однако устойчивость меди к биообрастанию наблюдается даже в водах с умеренным климатом. Исследования в заливе Ла-Эррадура, Кокимбо , Чили , где условия биообрастания являются экстремальными, показали, что медный сплав (90% меди, 10% никель) позволяет избежать образования макроорганизмов, образующих корку.

Коррозионное поведение медных сплавов

Медные сплавы, используемые в морской воде, имеют низкую скорость общей коррозии , но также обладают высокой устойчивостью ко многим локальным формам коррозии. Доступно техническое обсуждение различных типов коррозии, соображений применения (например, глубины установки, воздействия загрязненных вод, морских условий) и характеристик коррозии нескольких медных сплавов, используемых в сетках для аквакультуры (например, медно-никелевые, медно-никелевые, медно-медные). цинк, медь-кремний).

Ранние образцы медной обшивки

До конца 1700-х годов корпуса почти полностью делались из дерева, часто из белого дуба. Жертвенная обшивка была обычным способом защиты корпуса. Этот метод включал обертывание корпуса защитным слоем древесины толщиной 1/2 дюйма, часто из сосны, для снижения риска повреждения. Этот слой регулярно заменяли при заселении морских бурильщиков. Медная обшивка биоустойчивых корпусов кораблей была разработана в конце 18 века. В 1761 году корпус фрегата HMS Alarm британского королевского флота был полностью обшит медью, чтобы предотвратить нападение червей Teredo в тропических водах. Медь уменьшила биообрастание корпуса, что позволило кораблям двигаться быстрее, чем те, у которых корпуса не были обшиты медью.

Экологические характеристики сетки из медного сплава

Многие сложные факторы влияют на экологические характеристики медных сплавов в аквакультуре. Техническое описание механизмов защиты от биологического обрастания, здоровья и благополучия рыб, потерь рыбы из-за побегов и нападений хищников, а также снижения воздействия на окружающую среду в течение жизненного цикла кратко изложено в этой ссылке.

Виды медных сплавов

Секция рыболовной сети на лососевой ферме недалеко от Пуэрто-Монт, Чили. Плетеная сетка из медного сплава внутри рамы устойчива к биологическому обрастанию, тогда как ПВХ (то есть рама вокруг сетки) сильно загрязнена.

Медно-цинковые латунные сплавы в настоящее время (2011 г.) используются в промышленных аквакультурах в Азии, Южной Америке и США (Гавайи). В настоящее время проводятся обширные исследования, включая демонстрации и испытания, на двух других медных сплавах: медь-никель и медь-кремний. Каждому из этих типов сплавов присуща способность уменьшать биообрастание, отходы загона, болезни и потребность в антибиотиках, одновременно поддерживая циркуляцию воды и потребности в кислороде. Другие типы медных сплавов также рассматриваются для исследований и разработок в аквакультуре.

Университет Нью-Гэмпшира проводит под эгидой Международной ассоциации меди (ICA) эксперименты по оценке структурной, гидродинамической и противообрастающей реакции сеток из медных сплавов. Факторы, которые должны быть определены в результате этих экспериментов, такие как сопротивление, динамические нагрузки загона, потеря материала и биологический рост - хорошо задокументированные для нейлоновой сетки, но не полностью изученные для сетей из медно-никелевого сплава - помогут разработать корпуса загонов для рыб, изготовленные из этих сплавов. . Научно-исследовательский институт рыболовства Восточно-Китайского моря в Шанхае, Китай, также проводит экспериментальные исследования медных сплавов для ICA.

Медно-цинковые сплавы

Компания Mitsubishi-Shindoh Co., Ltd. разработала запатентованный медно-цинковый латунный сплав под названием UR30, специально разработанный для аквакультуры. Сплав, который состоит из 64% меди, 35,1% цинка, 0,6% олова и 0,3% никеля, устойчив к механическому истиранию при формовании проволоки и изготовления звеньев цепи, тканых или других типов гибких сеток. Скорость коррозии зависит от глубины погружения и условий морской воды. Средняя зарегистрированная скорость коррозии сплава составляет <5 мкм / год на основе двух- и пятилетних испытаний на воздействие в морской воде.

Ashimori Industry Company, Ltd., установил около 300 гибких ручек с ткаными цепями ссылки UR30 сетками в Японии поднять Seriola (т.е., сельдь , Amberjack , ментициррус , Hamachi ). Компания установила еще 32 латунных загона для выращивания атлантического лосося на аквакультуре Van Diemen Aquaculture в Тасмании , Австралия. В Чили EcoSea Farming SA установила в общей сложности 62 загона из плетеной цепочки из латунной сетки для выращивания форели и атлантического лосося. В Панаме, Китае, Корее, Турции и США проводятся демонстрации и испытания гибких ручек с тканым звеном цепи UR30 и других сеток, а также из ряда медных сплавов.

На сегодняшний день, за более чем 10-летний опыт работы в аквакультуре, сетка из звеньев цепи, изготовленная из этих латунных сплавов, не пострадала от децинкификации , коррозионного растрескивания под напряжением или эрозионной коррозии .

Медно-никелевые сплавы

Основная статья: мельхиор

Медно-никелевые сплавы были разработаны специально для использования с морской водой более пяти десятилетий назад. Сегодня эти сплавы исследуются на предмет их потенциального использования в аквакультуре.

Медно-никелевые сплавы для морского применения обычно состоят из 90% меди, 10% никеля и небольшого количества марганца и железа для повышения коррозионной стойкости. Стойкость медно-никелевых сплавов к коррозии в морской воде приводит к образованию тонкой, прочной защитной пленки на поверхности, которая естественным образом и быстро образуется на металле при воздействии чистой морской воды.

Скорость образования защиты от коррозии зависит от температуры. Например, при 27 ° C (т. Е. Обычная температура на входе на Ближнем Востоке) быстрое образование пленки и хорошая защита от коррозии можно ожидать в течение нескольких часов. При температуре 16 ° C для созревания защиты может потребоваться 2–3 месяца. Но как только образуется хорошая поверхностная пленка, скорость коррозии снижается, обычно до 0,02–0,002 мм / год, поскольку защитные слои образуются в течение нескольких лет. Эти сплавы обладают хорошей стойкостью к хлоридной питтинговой и щелевой коррозии и не подвержены хлоридной коррозии под напряжением.

Медно-кремниевые сплавы

Медь-кремний давно используется в качестве винтов , гаек , болтов , шайб , штифтов , стопорных болтов и скоб на деревянных парусных судах в морской среде. Сплавы часто состоят из меди, кремния и марганца. Включение кремния укрепляет металл.

Как и в случае сплавов медь-никель, коррозионная стойкость меди-кремния обусловлена ​​защитными пленками, которые образуются на поверхности с течением времени. В спокойных водах наблюдалась общая скорость коррозии 0,025–0,050 мм. Этот показатель уменьшается к нижнему пределу диапазона при длительном воздействии (например, 400–600 дней). С кремний-бронзой, как правило, нет точечной коррозии. Также имеется хорошая устойчивость к эрозионной коррозии при умеренных расходах. Поскольку медь – кремний поддается сварке, из этого материала могут быть изготовлены жесткие заглушки. Кроме того, поскольку сварная медно-силиконовая сетка легче, чем медно-цинковое звено цепи, вольеры для аквакультуры, изготовленные из меди и кремния, могут быть легче по весу и, следовательно, потенциально менее дорогой альтернативой.

Luvata Appleton, LLC исследует и разрабатывает линию тканых и сварных сеток из медных сплавов, включая запатентованный медно-кремниевый сплав, которые продаются под торговой маркой Seawire. Сетки из медно-кремниевого сплава были разработаны фирмой для выращивания различных морских организмов в ходе испытательных испытаний, которые в настоящее время проходят различные стадии оценки. К ним относятся выращивание кобии в Панаме, омаров в американском штате Мэн и крабов в Чесапикском заливе. Компания работает с различными университетами над изучением своего материала, включая Университет Аризоны по изучению креветок , Университет Нью-Гэмпшира по изучению трески и Университет штата Орегон по изучению устриц .

Смотрите также

использованная литература

Прочие ссылки

  • Руководство по проектированию: сетка из медного сплава в морской аквакультуре, 1984, Международная ассоциация исследований меди (INCRA) 704/5.
  • Коррозия металлов в лодках, Найджел Уоррен и Адлард Коулз, Nautical, 1998.
  • Гальваническая коррозия: Практическое руководство для инженеров, Р. Фрэнсис, 2001, NACE Press.
  • Причины и предотвращение морской коррозии, Ф. ЛаКью, Джон Вили и сыновья, 1975.
  • Выбор материалов для систем охлаждения забортной водой: Практическое руководство для инженеров, Р. Фрэнсис, 2006, NACE Press.
  • Руководство по использованию медных сплавов в морской воде, А. Тутхилл. 1987. Публикация CDA / Института никеля.
  • Латунь: свойства и применение, Публикация CDA UK 117.
  • Медь в окружающей среде океана, Нил Блоссом, Американская корпорация Chemet.
  • Проект ICA 438: Экспериментальное использование сетки из медно-никелевого сплава в аквакультуре, Марио Э. Эддинг, Гектор Флорес, Клаудио Миранда, Католический университет дель Норте , июль 1995 г.

внешние ссылки