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    華南理工大學教授張廣照:以動治靜,開辟海洋防污新路徑

    2022-06-15 10:01:19來源: 科技日報  

    你可能想不到,茫茫大海中,有大量的海洋污損生物與船只相伴而行,附著在船底下免費旅行。然而,它們所帶來的危害不可小覷。據統計,全球每年因海洋生物污損導致的直接經濟損失高達500億美元以上。

    海洋防污作為一個全球性的問題,涉及能源、環境、國防等國家重大需求。然而,海洋防污材料研發技術難度極大,被稱為海洋材料界的“桂冠”級難題。來自華南理工大學教授張廣照科研團隊,在國際上最早提出“以動治靜”的“動態表面防污”策略,開辟了海洋防污的新路徑。

    “動態表面防污材料如同可靠的‘防護衣’,使我國海洋裝備免受污損生物的黏附和侵蝕,為裝備的高效運行和長期服役提供了關鍵技術保障。”團隊成員馬春風教授說。不久前,這一技術成果榮獲2021年度廣東省科學技術獎技術發明獎一等獎。

    造船行業防污材料曾多來自外企

    “海洋生物污損是指海洋微生物、動物和植物在船體等設備表面吸附、生長和繁殖所形成的生物垢。”馬春風介紹,一艘長滿海洋生物污損的船只,每平方米增重高達80公斤。它會增大船舶航行阻力,降低航速,還會堵塞核電站、熱電站的冷卻水管路,阻礙波浪能發電、潮汐發電等裝備的正常運轉,甚至會堵塞海水養殖網箱的網孔,導致魚蝦大面積死亡。

    國際上一直致力于解決海洋生物污損問題。為什么海洋防污材料研發難呢?馬春風指出,全球不同海域有著不同溫度、鹽度,適用于某些海域的涂料,在其他海域也許并不適合。且海洋生物種類繁多,超過4千種,以一種材料防治所有海洋生物,更是難上加難。

    我國擁有近300萬平方公里的海域和32000公里長的海岸線,90%的進出口貨運總量都是通過海上運輸來完成的。隨著我國海洋事業的不斷推進,不止是航母,各類深海裝備、遠洋船舶、海上風電等,都面臨著海洋防污的問題。但我國在此領域的技術發展并不理想,此前我國造船行業95%防污涂料的市場均為外企所占據。

    2003年,項目第一完成人張廣照把目光聚焦在海洋防污研究上。隨后在兩個國家重大科學研究計劃的支持下,他帶領團隊踏上“動態表面海洋防污材料及配套防護技術”的課題攻關之路。

    “在實驗室里防污效果很好的材料,一拿到海洋里就不行了。無數次的推翻、重來,直到2012年,我們在技術攻關上才開始取得突破性的進展。2013年至2016年之間,相關技術理論及成果開始正式形成,并進入到實用及成果轉化的階段。”馬春風說,這一研究就投入了將近20年的時間。

    首次提出“動態表面防污”策略

    “在我們進入這個領域之前,基礎性的探索工作已經有很多。坦白地講,我們最初想走捷徑,跟蹤國外有關抗蛋白吸附材料方面的工作。海洋生物污損的形成始于蛋白質、糖蛋白等的吸附,能抗蛋白的材料應該可以抗污,這在理論上是行得通的。”張廣照說。2006年開始,他們先后制備了系列兼具優異抗蛋白吸附和力學性能的聚氨酯材料,并開展了多年海洋實驗。結果卻發現:能抗蛋白吸附并不等于能防治海洋污染。

    “抗蛋白吸附材料本身的確具有抗污損生物黏附的能力,但它們不具有長效性,特別是在一些污損嚴重的海域兩個月就失去防污能力。得出這個結論時,已經過去了5年時間。”馬春風感嘆道。

    痛定思痛,他們只能另辟蹊徑,當時注意到輪船上的污損主要是在停泊時形成的,在航行時污損不多,聯想到古語中的“流水不腐,戶樞不蠹”亦有類似含義,他們在國際上首次創新性提出走“動態表面”的路子,有效應對靜態防污。

    “當船舶、海洋裝備處于靜止狀態時,讓材料表面自己‘動’起來,使得海洋生物不易黏附。這就是‘以動治靜’的‘動態表面防污’策略。如何實現呢?我們也是摸索著前進。”馬春風告訴記者,團隊一直從事高分子化學與物理的工作,很自然就想到生物降解高分子,其降解可以形成動態表面。當然,生物降解高分子同時會降低涂料的壽命。

    循著此方向,他們通過對材料的優化設計,解決了防污效能與服役期之間的矛盾。同時,他們注意到,有些海洋生物的身體表面不會被污損生物黏附,其原因在于它們會分泌一些特殊物質。受此啟發,他們也采用仿生學的原理,通過“以污治污”的方法,在動態表面防污體系中引入海洋天然產物基防污劑,使其緩慢、可控地釋放到海洋中,從而實現“取之海洋,用之海洋”的全新理念。

    “我們的材料可降解為無毒小分子,不產生海洋微塑料,更加生態友好,且防污期效已突破7年。”馬春風說。

    基于該策略,他們還研制了一系列具有自主知識產權的高性能防污材料,從最初的主鏈降解型,發展至主鏈降解—側鏈水解型(雙解),再到最新一代的超支化雙解型高分子,并開發出與之配套的連接材料和防護技術。目前,動態表面防污技術已獲授權中外發明專利30余件,打破了國外在海洋防污技術方面的壟斷,推動了我國海洋防污技術的發展。

    防污效果比國外材料更勝一籌

    2016年,他們成功完成了動態表面防污材料的擴試生產,正式揭開其產業化的序幕,目前已在民用船舶、南海波浪能發電平臺、海洋牧場、海底探測器等裝備上應用。與國際上最先進的自拋光防污涂料相比,動態表面防污材料的靜態防污效果和防污期效都更勝一籌。近日,該技術還應用在全球首個商用海底數據中心,即將下水。

    一路走來,讓馬春風最為感慨的是,項目研究周期長、投入大、產出慢,如果沒有各方面持續地大力支持,難以成功。

    “當時研制出抗蛋白吸附防污材料后,我在實驗室用了3個星期驗證出一個很好的效果,特別興奮,感覺技術難題即將迎刃而解了。但在海洋實驗兩個月后,發現結果其實并不理想。那股沮喪勁,現在還記著。”馬春風笑著回憶。

    他特別提到新技術推廣中的困難。“現在市場上成熟的海洋防污技術基本掌握在國外企業手中,我們要從其手里‘搶’市場,關鍵必須先證明自己技術過硬。過硬的標準是什么?沒有標準,唯一的方法就是實海檢測。”馬春風在推廣中多次遇到,只要一開口說這項技術很好,對方立刻回復,那就拿來測一測。

    這一測,兩三年過去了。“因為海洋防污材料的效果,必須到海洋里去檢驗,檢測周期長,這對成本、人力都是極大的考驗。”馬春風呼吁,希望國家能有相關新產品推廣的政策支持,以讓更多國內自研產品技術更快得到應用。

    動態表面防污技術從實驗室到產業化,離不開緊密的產學研合作。“華南理工大學有自己的產業化平臺,我們通過此平臺可以制作一些特定應用領域的材料。此外,我們和下游涂料公司合作,共同推進技術產業化。”馬春風介紹。此次獲獎項目就有3家材料企業參與。

    海洋工程裝備是發展、利用和保護海洋的前提和基礎。馬春風透露,未來,他們還將拓展動態表面防污材料體系,構筑不同類型的動態表面,如研制可適應環境變化的智能防污材料,并進一步加快科研成果轉化的步伐,繼續服務于我國海洋強國建設。

    (葉青)

    責任編輯:hnmd003

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