一種無銅環(huán)保海洋防污涂料在核電攔污網(wǎng)上的涂裝及應(yīng)用研究

中圖分類號：TQ637 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0001-0

Abstract：Interceptionnetisthefirstimportantbarrierforensuring thesafetyofwaterintakeof nuclearpowerplants.The atachmentofmarinefoulingorganismsontheinterceptionnetsofnuclearplantwillclogthemeshes，increasetheweightofthe nets，shortentheservicelifeofthenets，andincreasetheoperationriskofnuclearplantInthisstudy，wepreparedanantifouling coating withthenaturalproductcamptothecin（CPT），andapliedittotheinterceptionnetofuclearplanttoevauatetheoating efectuderdiferenttemperatureandviscosityanditsantifoulingperformance.Theresultsshowedthattheviscosityofthe antifouling coating was thekey factor affecting its coating effect.When the viscosity was 5O～6O KU （25 °C ），theweight gain rateof the antifouling coating on the UHMWPE net （5 cm aperture-mesh） was 70% 中 100% . At high temperature（35 °C ），the weight gain rateof thecoatingonthenetwassignificantlyreducedunderhighviscosity（7OKU），whiletemperaturehasnosignificanteffcton theweightgainrateofthecoatingonthenetunderthemediumandlowviscosity（50～6OKU）.Theantifoulingcoatingcontaining CPTshowedstrongatifoulingeficiencyontheinterceptionnetsofnuclearplantinthemarineenvironmentoveraperiodof11 months. This study provides guidance for the antifouling design of interception nets of nuclear plant.

Keywords：interceptionnet；environmentaly-friendly；marineantifoulingcoating;nuclearpowerwaterintakeopenchannel; fouling organism control

自20世紀(jì)90年代以來，核能發(fā)電因其無碳排放、燃料消耗少、氣體無污染等優(yōu)勢而受到世界各國的關(guān)注。《中國核能發(fā)展報告2024》指出，截至目前，我國運(yùn)行的核電機(jī)組有55臺，總裝機(jī)容量5703萬 kW 在建核電機(jī)組26臺，總裝機(jī)容量3030萬kW。預(yù)計到2035年，我國核能發(fā)電量在總發(fā)電量的占比將達(dá)到 10% 左右。核電廠主要分布在沿海，采用海水作為三回路冷卻水，取水明渠作為冷卻水系統(tǒng)的重要組成部分，保持其水流暢通對核電廠取水安全至關(guān)重要，攔污網(wǎng)作為保障取水明渠通暢的第一道安全屏障顯得極其重要。目前，各大電廠為防止海生物、漂浮垃圾涌入取水明渠堵塞取水口，根據(jù)自身取水特點(diǎn)，均設(shè)置了多道具有針對性的攔污網(wǎng)[2-5]。但攔污網(wǎng)入海后會被藤壺、牡蠣、貽貝、草苔蟲、海鞘和水蟪等海洋生物附著（圖1），大量海生物附著會堵塞網(wǎng)孔造成水流不暢，影響機(jī)組的冷卻效率。被堵塞的網(wǎng)衣因受到較大的水壓，有整體脫落的風(fēng)險，如被帶入泵房就有威脅機(jī)組安全運(yùn)行的風(fēng)險。攔污網(wǎng)數(shù)量多，污損生物附著量大，在生物污損高發(fā)期將面臨嚴(yán)峻的考驗。因此，各大電廠急需尋找適用于攔污網(wǎng)的污損生物防除技術(shù)，消除污損生物帶來的安全風(fēng)險因素。

圖1核電攔污網(wǎng)上的污損生物情況

在攔污網(wǎng)上涂裝防污涂料是最簡單、經(jīng)濟(jì)、有效的辦法。海洋防污涂料作為一種特種涂料，因其在保護(hù)海中人工設(shè)施的重要性，其研發(fā)和應(yīng)用歷來受到重視[-8]。目前的商業(yè)防污涂料主要是針對船舶金屬外殼等硬質(zhì)基底開發(fā)，適用于高速水流環(huán)境，動態(tài)防污效果好，但對靜態(tài)放置的海洋設(shè)施（如攔污網(wǎng)）防污效果差。另一方面，傳統(tǒng)的防污涂料主要使用重金屬防污劑，曾被廣泛使用的有機(jī)錫防污劑，因其對海生物具有劇毒已被國際海事組織禁用，當(dāng)前主要采用的是氧化亞銅防污劑，然而銅在海洋環(huán)境中不斷累積，會嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)環(huán)境，目前歐美國家部分港口城市已經(jīng)開始限制使用銅基防污涂料的船舶停靠港口[10-]。在我國含氧化亞銅防污涂料也被列入了“高污染、高環(huán)境風(fēng)險\"產(chǎn)品[12]。因此，亟需針對網(wǎng)衣開發(fā)靜態(tài)防污效果好的環(huán)保型防污涂料。天然產(chǎn)物具有易降解、環(huán)保高效等特點(diǎn)，近年來已發(fā)現(xiàn)一些天然產(chǎn)物可抑制海洋污損生物的附著[13-14]，但很少被實際應(yīng)用于海中人工設(shè)施。因此，開展基于天然防污劑的防污涂料在核電攔污網(wǎng)上的應(yīng)用研究對保障核電取水安全、保護(hù)近海環(huán)境都具有積極意義。

喜樹堿（CPT）是一種喹啉類生物堿天然產(chǎn)物，由Wall等首次從喜樹中分離獲得[15]。本團(tuán)隊前期研究發(fā)現(xiàn)，CPT顯著抑制了代表性海洋污損動物藤壺的附著，通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)CPT降低了藤壺附著相關(guān)基因的表達(dá)。以喜樹堿為防污劑制備的防污涂料在天然海區(qū)中也表現(xiàn)出優(yōu)異的防污效能。但目前的海洋防污涂料通常應(yīng)用在船舶表面等硬質(zhì)材質(zhì)上，而在網(wǎng)衣這種柔性材質(zhì)上的涂裝效果較差、易脫落、防污期效較短[。本研究針對此問題，制備含CPT的無銅環(huán)保防污涂料，結(jié)合工程應(yīng)用需求，研究了不同溫度和黏度條件下其在攔污網(wǎng)上的涂裝效果，并聯(lián)合核電廠在取水明渠中對其進(jìn)行掛網(wǎng)測試，評價其在核電實際工況下的海區(qū)防污效能，為防除核電攔污網(wǎng)上的污損生物提供創(chuàng)新技術(shù)。

1 研究方法

1.1 無銅環(huán)保防污涂料的制備

按照表1配方，將天然產(chǎn)物防污劑CPT與具有自降解功能的丙烯酸鋅樹脂、顏填料、溶劑及助劑均勻混合，利用分散研磨工藝，研磨細(xì)度至 80μm 以下，經(jīng)100目篩網(wǎng)過濾，獲得含CPT的無銅環(huán)保防污涂料。

表1無銅環(huán)保防污涂料配方設(shè)計

1.2防污涂料物理性能測試

所制備的防污涂料物理性能按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，具體測試方法見表2。其中附著力等級劃分標(biāo)準(zhǔn)按照1級-未開裂，2級-開裂，3級-少量脫落，4級-大量脫落執(zhí)行。

表2防污涂料物理性能測試方法

1.3溫度和黏度對防污涂料涂裝效果的影響

研究涂料在不同溫度、不同稀釋比例條件下，施工后攔污網(wǎng)的增重率，以建立施工溫度、涂料稀釋比例與網(wǎng)衣增重率對應(yīng)關(guān)系。將攔污網(wǎng)相同材質(zhì)（超高分子量聚乙烯，網(wǎng)孔 5cm ）的網(wǎng)衣裁剪成 15cm×15cm 大小，每種施工條件設(shè)置3個平行組，涂裝前稱量每組網(wǎng)衣的質(zhì)量 m₀ 。利用稀釋劑調(diào)整涂料黏度（ 25^°C 條件下），設(shè)置低（ 50KU ）中（ （60KU ）高（ 70KU ）黏度，同時將涂料溫度調(diào)整至施工環(huán)境溫度，分別在 15^°C

25^°C 和 35^°C 條件下進(jìn)行施工，網(wǎng)衣采用浸涂工藝，將網(wǎng)衣放人測試涂料中，浸泡 1min 后，提出網(wǎng)衣，待多余涂料自然滴干后，自然晾干，然后稱量涂料干燥后的網(wǎng)衣質(zhì)量 m₁ ，并根據(jù)式（1）計算不同條件下網(wǎng)衣上增重率

網(wǎng)衣增重率 ， （1）式中： m₁ 為涂料實干網(wǎng)衣的質(zhì)量； m₀ 為涂刷前網(wǎng)衣的質(zhì)量。

對于干燥后的網(wǎng)衣，檢查涂層在網(wǎng)衣上的成膜情況，結(jié)合工程應(yīng)用實際情況，優(yōu)選出最適的涂料施工溫度和黏度。

1.4防污涂料的防污性能測試

本次實驗選用目前核電廠常用的超高分子量聚乙烯材質(zhì)攔污網(wǎng)，一種是常用的平面式攔污網(wǎng)（網(wǎng)孔5cm ，線徑 4mm ，另一種是針對攔截毛蝦等小型生物用的網(wǎng)兜式攔污網(wǎng)（網(wǎng)孔為 1cm ，線徑 0.5mm ）。實驗所用2種攔污網(wǎng)的尺寸均為 50cm×50cm 。根據(jù)所建立的涂裝工藝，將所研制的無銅環(huán)保防污涂料涂裝在上述2種攔污網(wǎng)上，每種網(wǎng)衣設(shè)置3個平行，并對網(wǎng)衣的增重率進(jìn)行測量，同時檢查涂料在網(wǎng)衣上的附著力，將檢查合格后的試驗網(wǎng)片懸掛于我國南方某核電廠取水明渠內(nèi)，懸掛水深為 1.5m ，于2023年7月5日開始海區(qū)掛網(wǎng)測試，同時設(shè)置未涂刷涂料的空白網(wǎng)衣作為對照組。定期將網(wǎng)衣提出水面觀察生物污損情況，以公式（2）計算網(wǎng)衣上海洋污損生物的覆蓋率，用 SPSS22.0統(tǒng)計軟件中的單因素方差分析（one wayANOVA）比較不同組間污損覆蓋率的顯著性差異

污損覆蓋率 ， （2）式中： S₁ 為海洋污損生物附著面積； S₀ 為試驗網(wǎng)衣整體面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 防污涂料物理性能檢測結(jié)果

防污涂料物理性能測試結(jié)果見表3。由結(jié)果可知，含CPT的無銅防污涂料常規(guī)物理性能良好，在網(wǎng)衣上的附著力可達(dá)到1級，即彎折20次后涂層無開裂和脫落現(xiàn)象，表明本次制備的防污涂料可在攔污網(wǎng)上牢固附著，與傳統(tǒng)的含銅防污涂料相較具有較好的柔韌性，在一定程度上能夠降低因涂料脫落引起的防污失效。另外，該涂料的密度為 1.35g?mL^-1 ，顯著低于商業(yè)含銅的涂料密度約 1.8～1.9g?mL^-1 ，在相同膜厚條件下，本研究所制備的涂料對網(wǎng)衣的增重更低，可減輕網(wǎng)衣的自重，相較下更利于后期的安裝施工，便于防污涂料在大型網(wǎng)衣上的推廣應(yīng)用。

表3防污涂料物理性能

2.2 防污涂料涂裝工藝參數(shù)

防污涂料在攔污網(wǎng)上的浸涂結(jié)果如圖2所示，其中A、B、C分別為黏度 50.60，70KU （溫度均為 15°C ）條件下的增重率， D，E，F(xiàn) 分別為黏度 50.60，70KU （溫度均為 25°C ）條件下的增重率， G，H，I 分別為黏度50.60AA70KU （溫度均為 35^°C ）條件下的增重率。

由圖2可知，在相同溫度條件下，攔污網(wǎng)的增重率均隨著防污涂料黏度的升高而出現(xiàn)上升趨勢，特別是25^°C 條件下，這種趨勢更加明顯，高黏度組（ 70KU 防污涂料的網(wǎng)衣增重率達(dá)到了 124.8% ，顯著高于中黏度0 60KU ）的 86.9% 和低黏度組（ ^50KU 的 73.4% 。高黏度下涂料的流動性差，附著在網(wǎng)衣上的涂料膜厚高，大大增加了涂料的使用量，提高了使用成本，而且增重過高不利于后期網(wǎng)衣的安裝，因此，針對攔污網(wǎng)浸涂防污涂料，應(yīng)控制涂料的施工黏度，將網(wǎng)衣的增重率控制在合適的范圍內(nèi)。另外，在低（ 50KU ）黏度條件下， 15^°C 、25^°C 和 35^°C 溫度下網(wǎng)衣的增重率分別為 86.4% 、73.4% 和 80.0% ；中（ 60KU ）黏度條件下， 15^°C.25^°C 和35^qC 溫度下網(wǎng)衣的增重率分別為 93.1% 、 86.9% 和91.5% ，各組數(shù)據(jù)間無顯著性差異。結(jié)果表明，在中、低黏度條件下，不同施工溫度對網(wǎng)衣的增重率無顯著影響，可能是由于涂料本身黏度偏低，溫度的改變對涂料的流動性影響不大。而高黏度 （70KU 下，高溫顯著提升了涂料的流動性， 35^°C 條件下，網(wǎng)衣的增重率為93.9% ，低于 15^°C 實驗組的 100.4% ，顯著低于 25^°C 實驗組的 124.8% 。上述結(jié)果表明，黏度是影響防污涂料在網(wǎng)衣上附著量的主要因素。在高黏度下，溫度能影響防污涂料的附著量;在低黏度下，溫度對涂料在網(wǎng)衣上的附著量影響不大。有研究表明，在熱帶海域，涂料在網(wǎng)衣上的附著率必須達(dá)到 60% 以上，其防污期效才能達(dá)到6個月以上[。因此在后續(xù)施工過程中，應(yīng)充分考慮涂料使用成本和防污期效的需求，盡量在 35^°C 以下的環(huán)境施工，調(diào)整施工黏度在 50～60KU ，將網(wǎng)衣的增重率控制在 70%～100% 范圍內(nèi)。

防污涂料在網(wǎng)衣上的施工質(zhì)量對其在網(wǎng)衣上的附著力和防污性能有顯著的影響[1I，19]，因此針對防污涂料在網(wǎng)衣上的涂裝工藝研究具有重要意義。目前，還未見有關(guān)溫度和黏度對防污涂料在網(wǎng)衣上施工效果影響的報道，本文結(jié)合工程應(yīng)用實際，明確了無銅環(huán)保防污涂料在攔污網(wǎng)上的重要涂裝工藝參數(shù)，為保障防污涂料在網(wǎng)衣上的施工質(zhì)量提供了重要依據(jù)。

圖2防污涂料在攔污網(wǎng)上的涂裝結(jié)果

注：不同實驗組別間的顯著性差異用不同字母表示（ Plt;0.05 ）

2.3 防污涂料在攔污網(wǎng)上的防污性能

2.3.1 防污涂料在攔污網(wǎng)上的涂裝

根據(jù)上述防污涂料的涂裝工藝參數(shù)，本實驗將所研制的防污涂料黏度調(diào)整至 60KU（25‰ ，在常溫下進(jìn)行施工。防污涂料在2種規(guī)格（ 1cm 孔徑和 5cm 孔徑）網(wǎng)衣上的增重率和附著力測量結(jié)果見表4。

表4防污涂料在攔污網(wǎng)上的涂裝數(shù)據(jù)

由結(jié)果可知，防污涂料在 5cm 孔徑網(wǎng)衣上的增重率為 91.5% ，與前期涂裝工藝結(jié)果相似，但在 1cm 孔徑網(wǎng)衣上的增重率顯著高于 5cm 孔徑的網(wǎng)衣，可能是由于小孔的網(wǎng)衣網(wǎng)線較細(xì)，線徑只有 0.5mm ，網(wǎng)衣本體重量較輕，相同面積下雖然消耗涂料量低于大孔網(wǎng)衣，但增重率卻更高。另外，通過附著力測試發(fā)現(xiàn)，涂層在2種規(guī)格網(wǎng)衣上的附著力均為1級，表明該涂料在攔污網(wǎng)上的附著性能較好可進(jìn)行下一步的海區(qū)測試。

2.3.2 防污涂料在攔污網(wǎng)上的防污效果

經(jīng)過11個月的海區(qū)防污性能測試，攔污網(wǎng)上的海洋生物污損附著情況如圖3一圖6所示，其中A為對照組（未涂刷涂料的網(wǎng)衣），B為含CPT的無銅防污涂料組。

由圖3一圖6可知，入水3個月后，對照組網(wǎng)衣已經(jīng)被大量的污損生物附著，其中 1cm 和 5cm 孔徑網(wǎng)衣的污損覆蓋率分別達(dá)到了 26.21% 和 47.47% ，主要種類有藤壺、海鞘和草苔蟲，其中海鞘個體較大，嚴(yán)重增加了小網(wǎng)孔網(wǎng)衣的自重。結(jié)果表明，在該海域7至10月份，海鞘和藤壺是對該核電廣攔污網(wǎng)威脅較大的污損生物種類，除增加網(wǎng)衣自重外，也對網(wǎng)孔造成了一定的堵塞，降低了水流的通過率，需要及時通過人工清洗進(jìn)行維護(hù)。而涂裝有自主研制防污涂料的攔污網(wǎng)表面較為清潔，只有少量的淤泥黏附，未見任何污損生物附著，表明在相同工況條件下，我們所研制的防污涂料具有顯著的防生物附著效果。

注：*表示不同實驗組間差異顯著（ Plt;0.05. ） ^** 表示不同實驗組間差異極顯著（ Plt;0.01 。下同。

圖4CPT基防污涂料在 5cm 孔徑攔污網(wǎng)上的防污性能

入水6個月后，污損生物出現(xiàn)群落更替現(xiàn)象，主要生物種類為海鞘、盤管蟲和草苔蟲。此時，小網(wǎng)孔和大網(wǎng)孔的對照網(wǎng)衣上污損覆蓋率高達(dá) 68.41% 和69.61% ，污損生物已經(jīng)嚴(yán)重堵塞了攔污網(wǎng)的網(wǎng)孔，如果這種情況實際發(fā)生在大面積的攔污網(wǎng)上，網(wǎng)衣將承受較大的水流壓力，若遇大風(fēng)大浪天氣，容易對網(wǎng)衣造成巨大沖擊，加劇其磨損，具有較大的安全隱患。相較而言，涂裝有防污涂料的攔污網(wǎng)上僅有少量淤泥沉積，涂層狀態(tài)良好，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，未見污損生物附著，仍保持優(yōu)異的防污性能。

入水9個月后，不同規(guī)格的對照網(wǎng)衣污損覆蓋面積均較6個月時顯著降低，此時附著在大網(wǎng)孔空白網(wǎng)衣上的生物以藤壺和盤管蟲為主，覆蓋率為 60.89% 而前期附著的海鞘和草苔蟲則出現(xiàn)大量脫落。這種生物脫落現(xiàn)象在小網(wǎng)孔網(wǎng)衣上更加明顯，污損覆蓋率僅為 14.95% ，可能是由于小網(wǎng)孔網(wǎng)衣線徑較細(xì)，附著基底面積小，無法承受大量附著生物的重量而脫落，而涂有防污涂料的網(wǎng)衣仍未發(fā)現(xiàn)有大型污損生物附著，僅在網(wǎng)繩表面附著一層微型生物，但并未造成網(wǎng)孔堵塞現(xiàn)象，表明我們所研制的防污涂料經(jīng)過9個月的防污性能測試，仍具有較好的防污效果。

入水11個月后，污損生物群落結(jié)構(gòu)再次發(fā)生重大改變，大網(wǎng)孔對照網(wǎng)衣上附著大量藤壺，覆蓋率高達(dá) 69.14% ，小網(wǎng)孔對照網(wǎng)衣上則出現(xiàn)了少量的翡翠貽貝和藤壺，但覆蓋率仍較低，為 14.46% 。此時，防污涂料組仍未見藤壺等大型污損生物附著，污損覆蓋率僅為 1.21% ，并且未出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象，防污效果顯著。

本研究結(jié)果表明，在該核電廠，藤壺、海鞘、草苔蟲和盤管蟲對攔污網(wǎng)威脅較大，含CPT的無銅環(huán)保防污涂料與核電廠攔污網(wǎng)具有良好的結(jié)合力，在不同規(guī)格攔污網(wǎng)上的防生物附著效果均較優(yōu)異，期效大于11個月，表明該涂料在核電廠攔污網(wǎng)上具有應(yīng)用潛力，可以保障攔污網(wǎng)的安全運(yùn)行。

圖5CPT基防污涂料在核電廠 1cm 孔徑攔污網(wǎng)上的防污效果

圖6CPT基防污涂料在核電廠 5cm 孔徑攔污網(wǎng)上的防污效果

Feng等研究發(fā)現(xiàn)，CPT可通過抑制紋藤壺附著和變態(tài)相關(guān)基因的表達(dá)，從而抑制藤壺金星幼體的附著。另外，CPT對鹵蟲和單胞藻的毒性遠(yuǎn)低于銅和敵草隆等現(xiàn)有商業(yè)防污劑，且在海水中容易降解，在自然光照下的半衰期僅為 0.17d ，具開發(fā)為環(huán)保防污劑的應(yīng)用潛力[20]。污損生物附著在核電廠攔污網(wǎng)上，嚴(yán)重影響其取水效率，會導(dǎo)致其攔截過濾功能降低或喪失。本文結(jié)果明確了CPT基防污涂料在攔污網(wǎng)上應(yīng)用的涂裝工藝重要參數(shù)，并驗證了該涂料在核電取水明渠核電攔污網(wǎng)上具應(yīng)用前景，對核電廠攔污網(wǎng)的污損生物防除具有重要意義。

3結(jié)論

1）本應(yīng)用研究利用具天然產(chǎn)物防污劑CPT，研制無銅環(huán)保防污涂料，經(jīng)涂料性能測試，發(fā)現(xiàn)該涂料物理性能良好，在核電廠超高分子量聚乙烯材質(zhì)攔污網(wǎng)上的附著力為1級，可用于攔污網(wǎng)上進(jìn)行污損生物防除。

2）通過對防污涂料在不同溫度和黏度條件下涂裝效果的研究，發(fā)現(xiàn)防污涂料的黏度是影響涂裝效果的關(guān)鍵因素。高黏度（ 70KU 下，高溫（ 35^°C 可降低涂料在網(wǎng)衣上的增重率；中低黏度 （50～60KU ）下，溫度對不同黏度的涂料施工影響不顯著。根據(jù)實驗結(jié)果，獲得了防污涂料在 5cm 孔徑超高分子量聚乙烯材質(zhì)攔污網(wǎng)上的適宜涂裝參數(shù)，即施工溫度在 35^°C 以下，黏度在 50～60KU ，將網(wǎng)衣的增重率控制在 70%～100% 范圍內(nèi)。本研究結(jié)果為該涂料的工程化應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

3）含CPT防污劑的無銅環(huán)保防污涂料在核電攔污網(wǎng)上具有優(yōu)異的防污性能，當(dāng)在 5cm 孔徑網(wǎng)衣上的增重率大于 70%，1cm 孔徑網(wǎng)衣上的增重率大于190% 時，其海區(qū)防污期效大于11個月。無銅環(huán)保防污涂料具有優(yōu)異的靜態(tài)防污效果和對海洋環(huán)境友好的優(yōu)勢，符合新形勢下的環(huán)保政策和核電廠應(yīng)用需求，在核電廠攔污網(wǎng)上具有推廣應(yīng)用前景。

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