一種無銅環保海洋防污涂料在核電攔污網上的涂裝及應用研究

中圖分類號：TQ637 文獻標志碼：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90年代以來，核能發電因其無碳排放、燃料消耗少、氣體無污染等優勢而受到世界各國的關注。《中國核能發展報告2024》指出，截至目前，我國運行的核電機組有55臺，總裝機容量5703萬 kW 在建核電機組26臺，總裝機容量3030萬kW。預計到2035年，我國核能發電量在總發電量的占比將達到 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的重要組成部分，保持其水流暢通對核電廠取水安全至關重要，攔污網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，根據自身取水特點，均設置了多道具有針對性的攔污網[2-5]。但攔污網入海后會被藤壺、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孔造成水流不暢，影響機組的冷卻效率。被堵塞的網衣因受到較大的水壓，有整體脫落的風險，如被帶入泵房就有威脅機組安全運行的風險。攔污網數量多，污損生物附著量大，在生物污損高發期將面臨嚴峻的考驗。因此，各大電廠急需尋找適用于攔污網的污損生物防除技術，消除污損生物帶來的安全風險因素。

圖1核電攔污網上的污損生物情況

在攔污網上涂裝防污涂料是最簡單、經濟、有效的辦法。海洋防污涂料作為一種特種涂料，因其在保護海中人工設施的重要性，其研發和應用歷來受到重視[-8]。目前的商業防污涂料主要是針對船舶金屬外殼等硬質基底開發，適用于高速水流環境，動態防污效果好，但對靜態放置的海洋設施（如攔污網）防污效果差。另一方面，傳統的防污涂料主要使用重金屬防污劑，曾被廣泛使用的有機錫防污劑，因其對海生物具有劇毒已被國際海事組織禁用，當前主要采用的是氧化亞銅防污劑，然而銅在海洋環境中不斷累積，會嚴重破壞海洋生態環境，目前歐美國家部分港口城市已經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、高環境風險\"產品[12]。因此，亟需針對網衣開發靜態防污效果好的環保型防污涂料。天然產物具有易降解、環保高效等特點，近年來已發現一些天然產物可抑制海洋污損生物的附著[13-14]，但很少被實際應用于海中人工設施。因此，開展基于天然防污劑的防污涂料在核電攔污網上的應用研究對保障核電取水安全、保護近海環境都具有積極意義。

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

1 研究方法

1.1 無銅環保防污涂料的制備

按照表1配方，將天然產物防污劑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，研磨細度至 80μm 以下，經100目篩網過濾，獲得含CPT的無銅環保防污涂料。

表1無銅環保防污涂料配方設計

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國家標準進行測試，具體測試方法見表2。其中附著力等級劃分標準按照1級-未開裂，2級-開裂，3級-少量脫落，4級-大量脫落執行。

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，施工后攔污網的增重率，以建立施工溫度、涂料稀釋比例與網衣增重率對應關系。將攔污網相同材質（超高分子量聚乙烯，網孔 5cm ）的網衣裁剪成 15cm×15cm 大小，每種施工條件設置3個平行組，涂裝前稱量每組網衣的質量 m₀ 。利用稀釋劑調整涂料黏度（ 25^°C 條件下），設置低（ 50KU ）中（ （60KU ）高（ 70KU ）黏度，同時將涂料溫度調整至施工環境溫度，分別在 15^°C

25^°C 和 35^°C 條件下進行施工，網衣采用浸涂工藝，將網衣放人測試涂料中，浸泡 1min 后，提出網衣，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衣質量 m₁ ，并根據式（1）計算不同條件下網衣上增重率

網衣增重率 ， （1）式中： m₁ 為涂料實干網衣的質量； m₀ 為涂刷前網衣的質量。

對于干燥后的網衣，檢查涂層在網衣上的成膜情況，結合工程應用實際情況，優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攔污網，一種是常用的平面式攔污網（網孔5cm ，線徑 4mm ，另一種是針對攔截毛蝦等小型生物用的網兜式攔污網（網孔為 1cm ，線徑 0.5mm ）。實驗所用2種攔污網的尺寸均為 50cm×50cm 。根據所建立的涂裝工藝，將所研制的無銅環保防污涂料涂裝在上述2種攔污網上，每種網衣設置3個平行，并對網衣的增重率進行測量，同時檢查涂料在網衣上的附著力，將檢查合格后的試驗網片懸掛于我國南方某核電廠取水明渠內，懸掛水深為 1.5m ，于2023年7月5日開始海區掛網測試，同時設置未涂刷涂料的空白網衣作為對照組。定期將網衣提出水面觀察生物污損情況，以公式（2）計算網衣上海洋污損生物的覆蓋率，用 SPSS22.0統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 為試驗網衣整體面積。

2 結果與討論

2.1 防污涂料物理性能檢測結果

防污涂料物理性能測試結果見表3。由結果可知，含CPT的無銅防污涂料常規物理性能良好，在網衣上的附著力可達到1級，即彎折20次后涂層無開裂和脫落現象，表明本次制備的防污涂料可在攔污網上牢固附著，與傳統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衣的增重更低，可減輕網衣的自重，相較下更利于后期的安裝施工，便于防污涂料在大型網衣上的推廣應用。

表3防污涂料物理性能

2.2 防污涂料涂裝工藝參數

防污涂料在攔污網上的浸涂結果如圖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 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，攔污網的增重率均隨著防污涂料黏度的升高而出現上升趨勢，特別是25^°C 條件下，這種趨勢更加明顯，高黏度組（ 70KU 防污涂料的網衣增重率達到了 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衣的安裝，因此，針對攔污網浸涂防污涂料，應控制涂料的施工黏度，將網衣的增重率控制在合適的范圍內。另外，在低（ 50KU ）黏度條件下， 15^°C 、25^°C 和 35^°C 溫度下網衣的增重率分別為 86.4% 、73.4% 和 80.0% ；中（ 60KU ）黏度條件下， 15^°C.25^°C 和35^qC 溫度下網衣的增重率分別為 93.1% 、 86.9% 和91.5% ，各組數據間無顯著性差異。結果表明，在中、低黏度條件下，不同施工溫度對網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% 。上述結果表明，黏度是影響防污涂料在網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，溫度對涂料在網衣上的附著量影響不大。有研究表明，在熱帶海域，涂料在網衣上的附著率必須達到 60% 以上，其防污期效才能達到6個月以上[。因此在后續施工過程中，應充分考慮涂料使用成本和防污期效的需求，盡量在 35^°C 以下的環境施工，調整施工黏度在 50～60KU ，將網衣的增重率控制在 70%～100% 范圍內。

防污涂料在網衣上的施工質量對其在網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衣上的涂裝工藝研究具有重要意義。目前，還未見有關溫度和黏度對防污涂料在網衣上施工效果影響的報道，本文結合工程應用實際，明確了無銅環保防污涂料在攔污網上的重要涂裝工藝參數，為保障防污涂料在網衣上的施工質量提供了重要依據。

圖2防污涂料在攔污網上的涂裝結果

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 防污涂料在攔污網上的防污性能

2.3.1 防污涂料在攔污網上的涂裝

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

表4防污涂料在攔污網上的涂裝數據

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

2.3.2 防污涂料在攔污網上的防污效果

經過11個月的海區防污性能測試，攔污網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，對照組網衣已經被大量的污損生物附著，其中 1cm 和 5cm 孔徑網衣的污損覆蓋率分別達到了 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，嚴重增加了小網孔網衣的自重。結果表明，在該海域7至10月份，海鞘和藤壺是對該核電廣攔污網威脅較大的污損生物種類，除增加網衣自重外，也對網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行維護。而涂裝有自主研制防污涂料的攔污網表面較為清潔，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 孔徑攔污網上的防污性能

入水6個月后，污損生物出現群落更替現象，主要生物種類為海鞘、盤管蟲和草苔蟲。此時，小網孔和大網孔的對照網衣上污損覆蓋率高達 68.41% 和69.61% ，污損生物已經嚴重堵塞了攔污網的網孔，如果這種情況實際發生在大面積的攔污網上，網衣將承受較大的水流壓力，若遇大風大浪天氣，容易對網衣造成巨大沖擊，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上僅有少量淤泥沉積，涂層狀態良好，未出現脫落現象，未見污損生物附著，仍保持優異的防污性能。

入水9個月后，不同規格的對照網衣污損覆蓋面積均較6個月時顯著降低，此時附著在大網孔空白網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大量脫落。這種生物脫落現象在小網孔網衣上更加明顯，污損覆蓋率僅為 14.95% ，可能是由于小網孔網衣線徑較細，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衣仍未發現有大型污損生物附著，僅在網繩表面附著一層微型生物，但并未造成網孔堵塞現象，表明我們所研制的防污涂料經過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，污損生物群落結構再次發生重大改變，大網孔對照網衣上附著大量藤壺，覆蓋率高達 69.14% ，小網孔對照網衣上則出現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% ，并且未出現涂層脫落現象，防污效果顯著。

本研究結果表明，在該核電廠，藤壺、海鞘、草苔蟲和盤管蟲對攔污網威脅較大，含CPT的無銅環保防污涂料與核電廠攔污網具有良好的結合力，在不同規格攔污網上的防生物附著效果均較優異，期效大于11個月，表明該涂料在核電廠攔污網上具有應用潛力，可以保障攔污網的安全運行。

圖5CPT基防污涂料在核電廠 1cm 孔徑攔污網上的防污效果

圖6CPT基防污涂料在核電廠 5cm 孔徑攔污網上的防污效果

Feng等研究發現，CPT可通過抑制紋藤壺附著和變態相關基因的表達，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低于銅和敵草隆等現有商業防污劑，且在海水中容易降解，在自然光照下的半衰期僅為 0.17d ，具開發為環保防污劑的應用潛力[20]。污損生物附著在核電廠攔污網上，嚴重影響其取水效率，會導致其攔截過濾功能降低或喪失。本文結果明確了CPT基防污涂料在攔污網上應用的涂裝工藝重要參數，并驗證了該涂料在核電取水明渠核電攔污網上具應用前景，對核電廠攔污網的污損生物防除具有重要意義。

3結論

1）本應用研究利用具天然產物防污劑CPT，研制無銅環保防污涂料，經涂料性能測試，發現該涂料物理性能良好，在核電廠超高分子量聚乙烯材質攔污網上的附著力為1級，可用于攔污網上進行污損生物防除。

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，發現防污涂料的黏度是影響涂裝效果的關鍵因素。高黏度（ 70KU 下，高溫（ 35^°C 可降低涂料在網衣上的增重率；中低黏度 （50～60KU ）下，溫度對不同黏度的涂料施工影響不顯著。根據實驗結果，獲得了防污涂料在 5cm 孔徑超高分子量聚乙烯材質攔污網上的適宜涂裝參數，即施工溫度在 35^°C 以下，黏度在 50～60KU ，將網衣的增重率控制在 70%～100% 范圍內。本研究結果為該涂料的工程化應用提供了重要依據。

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

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