Stopy miedzi w akwakulturze - Copper alloys in aquaculture
Stopy miedzi są ważnymi materiałami sieciowymi w akwakulturze (hodowla organizmów wodnych, w tym hodowla ryb ). Różne inne materiały, w tym nylon , poliester , polipropylen , polietylen , spawany drut powlekany tworzywem sztucznym , guma , opatentowane sznurki (Spectra, Dyneema) i stal galwanizowana są również używane do siatek w pomieszczeniach dla ryb akwakultury na całym świecie. Wszystkie te materiały są wybierane z różnych powodów, w tym wykonalności projektu, wytrzymałości materiału , kosztów i odporności na korozję .
Tym, co odróżnia stopy miedzi od innych materiałów stosowanych w hodowli ryb, jest to, że stopy miedzi są antybakteryjne , to znaczy niszczą bakterie , wirusy , grzyby , glony i inne drobnoustroje . (Aby uzyskać informacje na temat właściwości przeciwdrobnoustrojowych miedzi i jej stopów, patrz Właściwości przeciwdrobnoustrojowe miedzi i powierzchnie dotykowe ze stopu miedzi przeciwdrobnoustrojowej ).
W środowisku morskim antybakteryjne/algiobójcze właściwości stopów miedzi zapobiegają biofoulingowi , który można krótko opisać jako niepożądaną akumulację, adhezję i wzrost mikroorganizmów , roślin , alg , rurkowatych , wąsonogów , mięczaków i innych organizmów na człowieku. wykonane konstrukcje morskie. Hamując rozwój drobnoustrojów, kojce do akwakultury ze stopu miedzi pozwalają uniknąć kosztownych zmian netto, które są konieczne w przypadku innych materiałów. Odporność na wzrost organizmów na siatkach ze stopu miedzi zapewnia również czystsze i zdrowsze środowisko dla wzrostu i rozwoju ryb hodowlanych.
Oprócz zalet przeciwporostowych, stopy miedzi mają silne właściwości strukturalne i odporne na korozję w środowisku morskim.
To właśnie połączenie wszystkich tych właściwości – przeciwporostowych, wysokiej wytrzymałości i odporności na korozję – sprawiło, że stopy miedzi są pożądanym materiałem do takich zastosowań morskich, jak rury skraplacza, ekrany wlotowe wody, kadłuby statków , konstrukcje przybrzeżne i poszycie. W ciągu ostatnich 25 lat korzyści płynące ze stopów miedzi zwróciły uwagę branży akwakultury morskiej. Branża aktywnie wdraża obecnie siatki ze stopu miedzi i materiały konstrukcyjne w komercyjnych, wielkoskalowych hodowlach ryb na całym świecie.
Znaczenie akwakultury
Wiele napisano o degradacji i wyczerpaniu naturalnych zasobów rybnych w rzekach , ujściach rzek i oceanach (patrz także Przełowienie ). Ponieważ rybołówstwo przemysłowe stało się niezwykle wydajne, zasoby oceaniczne dużych ryb, takich jak tuńczyk , dorsz i halibut , zmniejszyły się o 90% w ciągu ostatnich 50 lat.
Akwakultura , branża, która pojawiła się dopiero w ostatnich dziesięcioleciach, stała się jednym z najszybciej rozwijających się sektorów światowej gospodarki żywnościowej. Akwakultura już teraz zaspokaja ponad połowę światowego zapotrzebowania na ryby. Przewiduje się, że odsetek ten dramatycznie wzrośnie w ciągu najbliższych kilku dekad.
Problem biofoulingu
Biofouling to jeden z największych problemów w akwakulturze. Biofouling występuje na materiałach niemiedziowych w środowisku morskim, w tym na powierzchniach zagród rybnych i sieciach . Na przykład zauważono, że otwarta powierzchnia siatki zanurzonej tylko przez siedem dni w operacji tasmańskiej akwakultury zmniejszyła się o 37% w wyniku biofoulingu.
Proces biofoulingu rozpoczyna się, gdy zarodniki glonów , larwy bezkręgowców morskich i inny materiał organiczny przylegają do powierzchni zanurzonych w środowisku morskim (np. sieci na ryby w akwakulturze). Bakterie zachęcają następnie do przyłączania się wtórnych niechcianych kolonizatorów.
Biofouling ma silny negatywny wpływ na działalność akwakultury. Przepływ wody i rozpuszczony tlen są hamowane z powodu zatkanych sieci w zagrodach dla ryb. Rezultatem są często chore ryby z powodu infekcji, takich jak choroba wątroby siatkówki, choroba pełzakowatych skrzeli i pasożyty. Inne negatywne skutki obejmują zwiększoną śmiertelność ryb, zmniejszone tempo wzrostu ryb, przedwczesne odłowy ryb, obniżoną wartość i rentowność produktów rybnych oraz niekorzystny wpływ środowiska w pobliżu gospodarstw rybnych.
Biofouling dodaje ogromnej wagi zanurzonej sieci rybackiej. Odnotowano dwustukrotny wzrost masy ciała. Przekłada się to na przykład na dwa tysiące funtów niechcianych organizmów przyczepionych do czegoś, co kiedyś było czystą 10-funtową siatką na zagrody dla ryb. W Australii Południowej biofouling ważący 6,5 tony (około 13 000 funtów) zaobserwowano na siatce dla ryb. To dodatkowe obciążenie często skutkuje pękaniem siatki i dodatkowymi kosztami konserwacji.
Aby zwalczyć pasożyty z biofoulingu w akwakulturze ryb, można podawać protokoły leczenia, takie jak cypermetryna , azametifos i benzoesan emamektyny , ale stwierdzono, że mają one szkodliwy wpływ na środowisko, na przykład przy operacjach homarów .
W celu leczenia chorób ryb hodowanych w zarośniętych sieciach, stadom ryb podaje się antybiotyki . Antybiotyki mogą mieć niepożądane długoterminowe skutki zdrowotne dla konsumentów i środowiska przybrzeżnego w pobliżu akwakultury. Aby zwalczyć biofouling, operatorzy często wdrażają kosztowne środki konserwacyjne, takie jak częsta wymiana siatek, czyszczenie/usuwanie niepożądanych organizmów z siatek, naprawy siatek i obróbka chemiczna, w tym powłoki antybakteryjne na siatkach nylonowych. Koszt przeciwporostowej siatki na łososia może wynieść kilka tysięcy funtów brytyjskich . W niektórych sektorach europejskiego przemysłu akwakultury czyszczenie zagród ryb i skorupiaków ulegających biozanieczyszczeniu może kosztować 5–20% wartości rynkowej. Silne zanieczyszczenie może zmniejszyć sprzedawany produkt w sieciach o 60-90%.
Powłoki przeciwporostowe są często stosowane na siatkach nylonowych, ponieważ proces ten jest bardziej ekonomiczny niż czyszczenie ręczne. Gdy siatki nylonowe są powlekane związkami przeciwporostowymi, powłoki te odpychają biofouling przez okres czasu, zwykle od kilku tygodni do kilku miesięcy. Jednak sieci w końcu ulegają biofoulingowi. Powłoki przeciwporostowe zawierające algicydy / biocydy tlenku miedziawego to technologia powłok stosowana obecnie prawie wyłącznie w przemyśle hodowli ryb. Zabiegi zwykle opadają w ciągu kilku tygodni do sześciu do ośmiu miesięcy.
Zanieczyszczone siatki wymieniane są po kilku miesiącach eksploatacji, w zależności od warunków środowiskowych, w skomplikowanej, kosztownej i pracochłonnej operacji z udziałem nurków i wyspecjalizowanego personelu. Podczas tego procesu żywe ryby w sieciach muszą być przenoszone do czystych wybiegów, co powoduje nadmierny stres i uduszenie, co skutkuje pewną utratą ryb. Zanieczyszczone siatki, które można ponownie wykorzystać, są myte na lądzie za pomocą ręcznego szczotkowania i szorowania lub mycia wodą pod wysokim ciśnieniem. Następnie są suszone i ponownie impregnowane powłokami przeciwporostowymi.
Linia środków czyszczących do siatek jest dostępna do mycia na miejscu, jeśli jest to dozwolone. Ale nawet tam, gdzie nie jest to dozwolone przez władze środowiskowe, rybackie, morskie i sanitarne, jeśli brak rozpuszczonego tlenu w zanurzonych zagrodach stworzy sytuację awaryjną, która zagraża zdrowiu ryb, nurkowie mogą zostać wysłani ze specjalnymi maszynami czyszczącymi in situ do szorowania biozabrudzeń sieci.
Branża akwakultury zajmuje się negatywnym wpływem swojej działalności na środowisko (zob. zagadnienia dotyczące akwakultury ). Wraz z rozwojem branży oczekuje się, że pojawi się czystszy, bardziej zrównoważony przemysł akwakultury, który może w coraz większym stopniu polegać na materiałach o właściwościach przeciwporostowych, antykorozyjnych i silnych właściwościach strukturalnych, takich jak stopy miedzi.
Właściwości przeciwporostowe stopów miedzi
W branży akwakultury zdrowa hodowla zwierząt przekłada się na utrzymywanie ryb w czystości, dobrze odżywionych, zdrowych i nieprzepełnionych. Jednym ze sposobów utrzymania zdrowych ryb hodowlanych jest umieszczanie ich w sieciach i konstrukcjach ze stopu miedzi o właściwościach przeciwporostowych.
Naukowcy przypisują odporność miedzi na biofouling, nawet w wodach o umiarkowanym klimacie, dwóm możliwym mechanizmom: 1) opóźnionej sekwencji kolonizacji poprzez uwalnianie przeciwdrobnoustrojowych jonów miedzi, co zapobiega przywieraniu warstw drobnoustrojów do powierzchni morskich; oraz 2) warstwy oddzielające zawierające produkty żrące i zarodniki osobników młodocianych lub organizmów z makroinkrustacją.
Najważniejszym wymogiem dla optymalnej odporności na zanieczyszczenia biologiczne jest to, że stopy miedzi powinny być swobodnie eksponowane lub izolowane elektrycznie od mniej szlachetnych stopów i ochrony katodowej . Sprzężenie galwaniczne z mniej szlachetnymi stopami i ochrona katodowa zapobiegają uwalnianiu jonów miedzi z folii powierzchniowych, a tym samym zmniejszają odporność na zanieczyszczenia biologiczne.
Wraz ze wzrostem temperatury i spadkiem prędkości wody w wodach morskich, wskaźniki biofoulingu dramatycznie rosną. Jednak odporność miedzi na biofouling obserwuje się nawet w wodach o klimacie umiarkowanym. Badania w zatoce La Herradura w Coquimbo w Chile , gdzie warunki biofoulingu są ekstremalne, wykazały, że stop miedzi (90% miedzi, 10% niklu) pozwala uniknąć makroinkrustacji organizmów.
Zachowanie korozyjne stopów miedzi
Stopy miedzi stosowane w wodzie morskiej charakteryzują się niskimi ogólnymi szybkościami korozji, ale mają również wysoką odporność na wiele miejscowych form korozji. Dostępna jest dyskusja techniczna dotycząca różnych rodzajów korozji, rozważań dotyczących zastosowania (np. głębokość instalacji, wpływ zanieczyszczonych wód, warunków morskich) oraz właściwości korozyjnych kilku stopów miedzi stosowanych w sieciach akwakultury (tj. miedzi i niklu, miedzi i cynk i miedź-krzem).
Wczesne przykłady poszycia miedzianego
Przed końcem XVIII wieku kadłuby były prawie w całości wykonane z drewna, często z białego dębu. Oficjalne deskowanie było powszechnym sposobem ochrony kadłuba. Technika ta obejmowała owinięcie kadłuba ochronną warstwą drewna o grubości 1/2 cala, często sosny, aby zmniejszyć ryzyko uszkodzenia. Warstwa ta była regularnie wymieniana, gdy była zarażona świdrami morskimi. Poszycie miedziane do bioodpornych kadłubów statków zostało opracowane pod koniec XVIII wieku. W 1761 r. kadłub fregaty HMS Alarm brytyjskiej Royal Navy został całkowicie osłonięty miedzią, aby zapobiec atakowi robaków Teredo na wodach tropikalnych. Miedź zmniejszyła biofouling kadłuba, co umożliwiło statkom poruszanie się szybciej niż te, które nie miały kadłubów z miedzianymi osłonami.
Wydajność środowiskowa siatki ze stopu miedzi
Na efektywność środowiskową stopów miedzi w akwakulturze wpływa wiele skomplikowanych czynników. W niniejszym dokumencie podsumowano opis techniczny mechanizmów przeciwdziałania biofoulingowi, zdrowia i dobrostanu ryb, strat ryb w wyniku ucieczek i ataków drapieżników oraz wpływu na środowisko w cyklu życia .
Rodzaje stopów miedzi
Stopy miedzi i mosiądzu cynkowego są obecnie (2011) wykorzystywane w akwakulturze na skalę komercyjną w Azji, Ameryce Południowej i Stanach Zjednoczonych (Hawaje). Szeroko zakrojone badania, w tym demonstracje i próby, są obecnie prowadzone na dwóch innych stopach miedzi: miedzi z niklem i miedzi z krzemem. Każdy z tych rodzajów stopów ma wrodzoną zdolność do zmniejszania biofoulingu, odpadów z piór, chorób i zapotrzebowania na antybiotyki przy jednoczesnym utrzymaniu cyrkulacji wody i zapotrzebowania na tlen. Rozważane są również inne rodzaje stopów miedzi do celów badawczo-rozwojowych w akwakulturze.
University of New Hampshire jest w trakcie przeprowadzania eksperymentów pod auspicjami Międzynarodowego Stowarzyszenia Miedzi (ICA) w celu oceny odpowiedzi strukturalnej, hydrodynamicznej i przeciwporostowej siatek ze stopu miedzi. Czynniki, które należy określić na podstawie tych eksperymentów, takie jak opór, obciążenia dynamiczne kojca, utrata materiału i wzrost biologiczny – dobrze udokumentowane w przypadku siatek nylonowych, ale nie w pełni zrozumiałe w przypadku siatek ze stopu miedzi i niklu – pomogą zaprojektować obudowy zagrody dla ryb wykonane z tych stopów . Wschodniochiński Morski Instytut Rybacki w Szanghaju w Chinach również prowadzi badania eksperymentalne dotyczące stopów miedzi dla ICA.
Stopy miedzi z cynkiem
Firma Mitsubishi-Shindoh Co., Ltd. opracowała zastrzeżony stop miedziowo-cynkowy z mosiądzu o nazwie UR30, zaprojektowany specjalnie do zastosowań w akwakulturze. Stop, który składa się z 64% miedzi, 35,1% cynku, 0,6% cyny i 0,3% niklu, jest odporny na ścieranie mechaniczne po uformowaniu w druty i przetworzeniu w ogniwa łańcucha, tkaniny lub inne rodzaje elastycznej siatki. Szybkość korozji zależy od głębokości zanurzenia i warunków w wodzie morskiej. Średnia zgłoszona szybkość korozji zgłoszona dla stopu wynosi < 5 μm/rok na podstawie dwu- i pięcioletnich prób narażenia w wodzie morskiej.
Firma Ashimori Industry Company, Ltd. zainstalowała w Japonii około 300 elastycznych kojców z tkanymi oczkami UR30 z ogniwami łańcucha, aby hodować seriola (tj. żółtoogoniak , bursztyn , zimorodek , hamachi ). Firma zainstalowała kolejne 32 mosiężne kojce do hodowli łososia atlantyckiego w akwakulturze Van Diemen na Tasmanii w Australii. W Chile EcoSea Farming SA zainstalowała w sumie 62 kojce z plecionej siatki z mosiężnej siatki do hodowli pstrąga i łososia atlantyckiego. W Panamie, Chinach, Korei, Turcji i USA trwają demonstracje i próby z użyciem elastycznych pisaków z tkanym ogniwem łańcucha UR30 i innymi formami siatek oraz szeregu stopów miedzi.
Do chwili obecnej, w ciągu ponad 10 lat doświadczenia w akwakulturze, siatki ogniw łańcucha wykonane z tych stopów mosiądzu nie uległy odcynkowaniu , pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu ani korozji erozyjnej .
Stopy miedziowo-niklowe
Stopy miedzi i niklu zostały opracowane specjalnie do zastosowań w wodzie morskiej ponad pięć dekad temu. Obecnie stopy te są badane pod kątem ich potencjalnego wykorzystania w akwakulturze.
Stopy miedzi i niklu do zastosowań morskich zawierają zwykle 90% miedzi, 10% niklu oraz niewielkie ilości manganu i żelaza w celu zwiększenia odporności na korozję. Odporność stopów miedzi i niklu na korozję powodowaną przez wodę morską daje cienką, przyczepną warstwę ochronną, która tworzy się naturalnie i szybko na metalu pod wpływem czystej wody morskiej.
Szybkość tworzenia ochrony przed korozją zależy od temperatury. Na przykład w temperaturze 27°C (tj. typowej temperaturze wlotowej na Bliskim Wschodzie) można oczekiwać szybkiego tworzenia się filmu i dobrej ochrony przed korozją w ciągu kilku godzin. W temperaturze 16°C dojrzewanie ochrony może potrwać 2-3 miesiące. Jednak gdy utworzy się dobry film powierzchniowy, szybkość korozji spada, zwykle do 0,02–0,002 mm/rok, ponieważ warstwy ochronne rozwijają się przez lata. Stopy te mają dobrą odporność na chlorkową korozję wżerową i szczelinową i nie są podatne na chlorkową korozję naprężeniową.
Stopy miedź-krzem
Miedź-krzem ma długą historię stosowania jako śruby , nakrętki , śruby , podkładki , szpilki , śruby do drewna i zszywki w drewnianych żaglowcach w środowisku morskim. Stopy często składają się z miedzi, krzemu i manganu. Włączenie krzemu wzmacnia metal.
Podobnie jak w przypadku stopów miedzi z niklem, odporność na korozję miedzi z krzemem wynika z warstw ochronnych, które tworzą się na powierzchni z upływem czasu. W spokojnych wodach zaobserwowano ogólne szybkości korozji 0,025–0,050 mm. W przypadku ekspozycji długoterminowych (np. 400–600 dni) wskaźnik ten maleje w kierunku dolnego końca zakresu. W przypadku brązów krzemowych generalnie nie ma wżerów. Ponadto cechuje się dobrą odpornością na korozję erozyjną do umiarkowanych prędkości przepływu. Ponieważ miedź-krzem jest spawalny, sztywne pisaki mogą być wykonane z tego materiału. Ponadto, ponieważ spawana siatka miedziano-krzemowa jest lżejsza niż ogniwo miedziano-cynkowe, obudowy do akwakultury wykonane z miedzi i krzemu mogą być lżejsze, a zatem potencjalnie tańszą alternatywą.
Luvata Appleton, LLC, prowadzi badania i rozwija linię tkanych i spawanych siatek ze stopów miedzi, w tym zgłoszony do opatentowania stop miedzi i krzemu, który jest sprzedawany pod nazwą handlową Seawire. Firma opracowała siatki ze stopu miedzi i krzemu, aby hodować różne organizmy morskie w próbach testowych, które obecnie znajdują się na różnych etapach oceny. Należą do nich hodowla kobii w Panamie, homary w amerykańskim stanie Maine i kraby w zatoce Chesapeake. Firma współpracuje z różnymi uniwersytetami, aby zbadać swój materiał, w tym z University of Arizona, aby studiować krewetki , University of New Hampshire, aby studiować dorsza , oraz Oregon State University, aby studiować ostrygi .
Zobacz też
- Antybakteryjne powierzchnie dotykowe ze stopu miedzi
- Właściwości przeciwdrobnoustrojowe miedzi
- Właściwości przeciwdrobnoustrojowe mosiądzu
Bibliografia
Inne referencje
- Przewodnik projektowy: Siatka ze stopu miedzi w akwakulturze morskiej, 1984, Międzynarodowe Stowarzyszenie Badań nad Miedzią (INCRA) 704/5.
- Korozja metalu w łodziach, Nigel Warren i Adlard Coles, Nautical, 1998.
- Korozja galwaniczna: praktyczny przewodnik dla inżynierów, R. Francis, 2001, NACE Press.
- Przyczyny i zapobieganie korozji morskiej, F. LaQue, John Wiley and Sons, 1975.
- Wybór materiałów do systemów chłodzenia wodą morską: praktyczny przewodnik dla inżynierów, R. Francis, 2006, NACE Press.
- Wytyczne dotyczące stosowania stopów miedzi w wodzie morskiej, A. Tuthill. 1987. Publikacja CDA/ Nickel Institute.
- The Brasses: Properties and Applications, publikacja CDA UK 117.
- Miedź w środowisku oceanicznym, Neal Blossom, American Chemet Corporation.
- Projekt ICA 438: Eksperymentalne wykorzystanie siatki ze stopu miedzi i niklu w akwakulturze, Mario E. Edding, Hector Flores, Claudio Miranda, Universidad Catholica del Norte , lipiec 1995
Zewnętrzne linki
- MS Parvizi, A. Aladjem i JE Castle, „Zachowanie miedzioniklu 90–10 w wodzie morskiej”, International Material Reviews 1988, tom. 33, nr 4., ISSN 0950-6608; Dostępne pod adresem http://www.ingentaconnect.com/content/maney/imr/1988/00000033/000000001/art00008
- Efird i Anderson, „Korozja wody morskiej 90–10 i 70–30 Cu-Ni C 14 lat ekspozycji”, Materials Performance, listopad 1975, ISSN 0094-1492; Streszczenie dostępne pod adresem http://tris.trb.org/view.aspx?id=35723 . Cały artykuł dostępny w ramach subskrypcji w National Association of Corrosion Engineers International pod adresem http://web.nace.org/Login.aspx?ReturnUrl=%2fdepartments%2fpublications%2fmpvolumes.aspx )
- Informacje o stopach Cu-Ni
- Korozja w akwakulturze
- Kampachi Farms Aquapod; wykorzystuje mosiężną siatkę i jest swobodnie pływający (połączony drutem)