張宗兵, 刁新源, 任景玲, 蔣 碩, 蘇 函, 倪佐濤, 姜金光, 叢石磊, 陳 楊, 艾金騰, 楊中林, 周繼續(xù)

一種海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纖維通訊纜的設(shè)計(jì)及檢測試驗(yàn)

張宗兵1, 2, 刁新源1, 2, 任景玲3, 蔣 碩4, 蘇 函4, 倪佐濤1, 2, 姜金光1, 2, 叢石磊1, 2, 陳 楊1, 2, 艾金騰1, 2, 楊中林5, 周繼續(xù)1, 2

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 3.中國海洋大學(xué), 山東 青島 266100; 4. 華東師范大學(xué), 上海 200241; 5. 上海瑞領(lǐng)電纜有限公司, 上海 201822)

痕量元素及其同位素采集、預(yù)處理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 對于認(rèn)識(shí)全球環(huán)境變遷具有重要的價(jià)值。但其濃度在這些過程中易受沾污。本文結(jié)合海水痕量元素CTD現(xiàn)場采集工作環(huán)境, 工作拉力等特殊要求, 先后跟纜繩設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造廠家進(jìn)行纜繩相關(guān)技術(shù)討論、確定纜繩各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)敷塑纖維通訊纜, 并委托纜繩生產(chǎn)廠家加工出樣纜兩條。通過對樣纜進(jìn)行靜態(tài)拉力試驗(yàn)驗(yàn)證纜繩自身工作拉力, 并通過成分分析、浸出試驗(yàn)驗(yàn)證最大化減少纜繩對于海中溶解態(tài)痕量金屬的沾污。該研究結(jié)果可提高采樣過程的可靠性, 保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。

敷塑纖維通訊纜; 靜態(tài)拉力試驗(yàn); 成分分析; 浸出試驗(yàn)

為了解決痕量元素及其同位素海洋研究中采樣及預(yù)處理過程的沾污問題, 研發(fā)專用采樣設(shè)備、減少采樣環(huán)節(jié)、進(jìn)行裝備集成化一體化設(shè)計(jì)是解決這一技術(shù)問題的可行思路。近年來, 國內(nèi)外海洋科學(xué)研究機(jī)構(gòu)也嘗試海水痕量元素潔凈采集系統(tǒng)的研發(fā)。其中有報(bào)道的國外比較成功的有荷蘭海洋研究所的相關(guān)裝備, 該設(shè)備設(shè)計(jì)先進(jìn), 測試結(jié)果準(zhǔn)確, 但是該設(shè)備采水器采用矩形結(jié)構(gòu), 采水作業(yè)所需操作空間較大, 一個(gè)獨(dú)立集裝箱無法同時(shí)完成采樣、樣品預(yù)處理及分析作業(yè), 現(xiàn)在為非商業(yè)化產(chǎn)品[1]。國內(nèi)廈門大學(xué)通過全套設(shè)備的進(jìn)口搭建了包含8 km長Vectran凱夫拉傳輸電纜及配套絞車、痕量元素專用的潔凈采樣CTD及葵花采水器、24個(gè)12 L痕量采水瓶和2個(gè)潔凈集裝箱的集成潔凈痕量元素采樣及預(yù)處理系統(tǒng), 目前已經(jīng)在廈門大學(xué)的“嘉庚”號(hào)科考船應(yīng)用[2]。但是, 該套系統(tǒng)所用的纜繩為進(jìn)口產(chǎn)品, 纜繩長度僅有8 000 m, 對于一些深水站位具有一定的局限性。

目前, 國內(nèi)科考船上配備的CTD纜繩多為鎧裝同軸纜, 鎧裝層金屬元素容易在海水中析出, 因此研發(fā)一套敷塑纖維通訊纜, 可避免因纜繩沾污對分析測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響, 提高采樣過程的可靠性, 從源頭上保證分析測試結(jié)果的可靠性, 對于提升我國在痕量元素及同位素化學(xué)海洋學(xué)研究領(lǐng)域的能力具有重要的意義[3-6]。

1 敷塑纖維通訊纜的設(shè)計(jì)

海水痕量元素CTD采集系統(tǒng)由潔凈CTD采水器、敷塑纖維通訊纜(以下簡稱纜繩)、潔凈絞車及伸縮臂、甲板單元、工控機(jī)等組成。如圖1所示。

圖1 海水痕量元素CTD系統(tǒng)

敷塑纖維通訊纜是同軸纜的一種, 纜繩是兩芯的, 內(nèi)部有兩個(gè)同心導(dǎo)體, 而導(dǎo)體和屏蔽層又共用同一軸心的電纜。甲板單元通過纜繩為水下單元提供電力, 編譯、壓縮水下單元的串行數(shù)據(jù)流并傳輸?shù)焦た貦C(jī)。纜繩用于海上科學(xué)調(diào)查收放CTD并作為載體傳輸CTD數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)科考船上配備的萬米同軸纜多為鎧裝同軸纜, 由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外導(dǎo)體、屏蔽層、鎧裝層(最外層)等組成。如圖2所示。

圖2 鎧裝同軸纜

新設(shè)計(jì)的敷塑纖維通訊纜從內(nèi)到外主要由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、外導(dǎo)體、護(hù)套、抗拉件(凱夫拉)、外護(hù)套等組成。

為了減少金屬元素對于海洋中溶解態(tài)痕量金屬的沾污, 整個(gè)電纜由聚乙烯或聚氨酯材料的護(hù)套進(jìn)行包裹, 內(nèi)外導(dǎo)體之間由絕緣材料交聯(lián)聚乙烯(XLPE)進(jìn)行隔離, 外導(dǎo)體與抗拉件之間采用高密度聚乙烯(HDPE)進(jìn)行隔離。纜繩結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 敷塑纖維通訊纜結(jié)構(gòu)圖

2 纜繩主要技術(shù)指標(biāo)

要完成纜繩的主要技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì), 首先要了解敷塑纖維通訊纜的工作環(huán)境:

1) 工作水深: 0～10 000 m;

2) CTD重量: 5～10 kN;

3) 地質(zhì)情況: 復(fù)雜多變;

4) 工作拉力≥15 kN。

本文結(jié)合纜繩工作環(huán)境, 按照痕量采集潔凈度要求設(shè)計(jì)敷塑纖維通訊纜的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 敷塑纖維通訊纜主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)纜繩以上的技術(shù)指標(biāo), 委托相關(guān)纜繩制造廠家進(jìn)行材料的選擇及纜繩樣纜的加工, 加工樣纜2條如圖4所示。

圖4 敷塑纖維通訊纜樣纜

1) 樣品1

外護(hù)套: 聚氨酯(PU)

內(nèi)護(hù)套: 高密度聚乙烯(HDPE)

絕緣層: 交聯(lián)聚乙烯(XLPE)

2) 樣品2

外護(hù)套: 高密度聚乙烯

內(nèi)護(hù)套: 高密度聚乙烯

絕緣層: XLPE

為了減少外護(hù)套在海水中釋放出金屬元素對海洋中溶解態(tài)痕量金屬的沾污及產(chǎn)生對生物有毒物質(zhì), 護(hù)套材料選用非金屬材料(聚氨酯/聚乙烯)并且耐海水腐蝕。纜繩表面光滑適于用高壓空氣或高溫高壓淡水清洗。

3 纜繩靜態(tài)拉力試驗(yàn)

委托相關(guān)纜繩靜態(tài)拉力試驗(yàn)廠家使用臥式拉力機(jī)進(jìn)行纜繩靜態(tài)拉力試驗(yàn)。

1) 工作拉力15 kN

將測試?yán)|固定在直徑為800 mm的拉力輪上, 將工作拉力逐漸提升至15 kN, 并保持4 h, 記錄開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間, 試驗(yàn)結(jié)束后檢查測試?yán)|外觀變化。

檢測結(jié)果: 測試?yán)|外觀完好;

2) 工作拉力30 kN

將工作拉力逐漸提升至30 kN, 并保持4 h, 記錄開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間, 試驗(yàn)結(jié)束后檢查測試?yán)|外觀變化。

檢測結(jié)果: 測試?yán)|外觀完好;

3) 破斷力

使用60 mm/min的拉伸速度, 直至線纜破斷, 記錄最大拉力, 檢查測試?yán)|外觀變化。

檢測結(jié)果: 最大拉力94.9 kN, 斷裂處在拉力輪和測試?yán)|切點(diǎn)處, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷裂, 絕緣層完好。纜繩靜態(tài)拉力試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 纜繩靜態(tài)拉力試驗(yàn)

注: 僅針對外護(hù)套聚氨酯的樣纜(樣品1)進(jìn)行的靜態(tài)拉力試驗(yàn)

通過纜繩靜態(tài)拉力試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 樣纜可以滿足海水痕量元素CTD采集對纜繩工作拉力的需求。

4 纜繩成分分析

委托相關(guān)成分分析公司, 對敷塑纖維通訊纜樣纜外護(hù)套、絕緣層、內(nèi)護(hù)套采用取樣灰化的方式形成溶液, 對溶解到溶液中的相關(guān)元素進(jìn)行分析。

前處理過程: 稱取0.20～0.25 g樣品, 破碎后樣品于微波消解罐中。加入3 mL水、7 mL硝酸和2 mL過氧化氫, 靜置一段時(shí)間。

微波消解程序: 45 min升溫至210 ℃, 210 ℃保溫45 min。冷卻、定容于50 mL容量瓶, 每個(gè)樣品做2次平行測定, 測定結(jié)果如表2所示。

表2 纜繩成分分析測定結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn): SN/T 4843—2017《橡膠制品中鉻、鈷、砷、溴、鉬、鎘、錫和鉛的測定電感耦合等離子體質(zhì)譜法》。

外護(hù)套成分分析如圖6所示。

圖6 外護(hù)套成分分析

內(nèi)護(hù)套成分分析如圖7所示。

圖7 內(nèi)護(hù)套成分分析

絕緣層成分分析如圖8所示。

成分分析結(jié)果:

圖8 絕緣層成分分析

1) 外護(hù)套成分分析: 樣品1(聚氨酯)元素含量基本小于樣品2(HDPE); 樣品2 Zn出現(xiàn)異常高值;

2) 內(nèi)護(hù)套成分分析: 樣品1(HDPE)元素Fe、Al含量高于樣品2(HDPE), 其余元素小于樣品2; 樣品1、2中Zn均出現(xiàn)異常高值;

3) 絕緣層成分分析: 樣品1(XLPE)元素含量基本小于樣品2(XLPE); Fe、Cu出現(xiàn)異常高值;

結(jié)合纜繩成分分析結(jié)果, 外護(hù)套為聚氨酯的樣纜要比外護(hù)套為HDPE的要好一些。

5 纜繩浸出實(shí)驗(yàn)

浸泡時(shí)間: Q水浸泡15 d, 未過濾東印度洋海水浸泡50 d。

樣品保存: 用四重蒸餾的HCl將浸泡后Milli-Q和海水樣本酸化到pH<2, 共計(jì)2套18瓶。

Q水浸泡后, 纖維纜1#和2#內(nèi)層和外層浸出Al、Mn、As、Pb的濃度均很少, Fe溶出在0.35 nmol/L左右。海水浸泡后, 內(nèi)層材料浸出Al和Fe明顯增加。纜繩浸出試驗(yàn)樣本情況如表3所示。

表3 纜繩浸出試驗(yàn)樣本情況

纜繩浸出試驗(yàn)Al的情況如圖9所示。

纜繩浸出試驗(yàn)Mn的情況如圖10所示。

纜繩浸出試驗(yàn)As的情況如圖11所示。

纜繩浸出試驗(yàn)Fe的情況如圖12所示。

圖9 纜繩浸出試驗(yàn)Al的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在東印度洋海水中浸泡。

圖10 纜繩浸出試驗(yàn)Mn的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在東印度洋海水中浸泡。

圖11 纜繩浸出試驗(yàn)As的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在東印度洋海水中浸泡。

圖12 纜繩浸出試驗(yàn)Fe的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在東印度洋海水中浸泡。

纜繩浸出試驗(yàn)Pb的情況如圖13所示。

圖13 纜繩浸出試驗(yàn)Pb的情況

注：MQ-外層表示外層材料在Milli-Q超純水中浸泡；MQ-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在Milli-Q超純水中浸泡；EIO-外層表示外層材料在東印度洋海水中浸泡；EIO-內(nèi)層表示內(nèi)層材料在東印度洋海水中浸泡。

纜繩Milli-Q水浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果-Element掃描多元素如表4所示。

6 結(jié)論

通過研發(fā)敷塑纖維通訊纜, 并對纜繩進(jìn)行靜態(tài)拉力試驗(yàn), 可以滿足痕量元素海水采集對纜繩工作拉力的需求; 通過對纜繩進(jìn)行成分分析、浸出試驗(yàn)驗(yàn)證纜繩外護(hù)套、絕緣層、內(nèi)護(hù)套等主要部分金屬元素的含量, 研發(fā)的海水痕量元素CTD采集收放用敷塑纖維通訊纜可避免因纜繩沾污對分析測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響, 提高采樣過程的可靠性, 從源頭上保證分析測試結(jié)果的可靠性, 對于提升我國在痕量元素及同位素化學(xué)海洋學(xué)研究領(lǐng)域的能力具有重要的意義。

表4 纜繩Milli-Q水浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注: LR表示測元素時(shí)選擇的分辨率為低分辨率, MR表示測元素時(shí)選擇的分辨率為中分辨率。

[1] Baar H J W D, Timmermans K R, Laan P, et al., A new facility for ultraclean sampling of trace elements and isotopes in the deep oceans in the international Geotraces program[J]. Marine Chemistry, 2008, 111(1/2): 4-21.

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[3] 張經(jīng). 化學(xué)海洋學(xué)的無機(jī)痕量分析-思考與實(shí)踐[M]. 青島: 青島海洋大學(xué)出版社, 2002: 125.

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[4] Anderson R F, Henderson G M. GEOTRACES gathers speed[J]. Global Change News Letter, 2004, 60: 10-13.

[5] Martin J H, Fitzwater S E. Iron-deficiency limits phyto-plankton growth in the Northeast Pacific Subarc-tic[J]. Nature, 1988, 331(6154): 341-343.

[6] 倪佐濤. 一種移動(dòng)式海水痕量元素潔凈采集實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)[J]. 海洋科學(xué), 2020, 44(6): 137-140.

NI Zuotao. Design of a mobile clean collection laboratory for trace elements in seawater[J]. Marine Sciences, 2020, 44(6): 137-140.

Design and test of a plastic fiber communication cable for CTD collection and retraction of seawa-ter trace elements

ZHANG Zong-bing1, 2, DIAO Xin-yuan1, 2, REN Jing-ling3, JIANG Shuo4, SU Han4, NI Zuo-tao1, 2, JIANG Jin-guang1, 2, CONG Shi-lei1, 2, CHEN Yang1, 2, AI Jin-teng1, 2, YANG Zhong-lin5, ZHOU Ji-xu1, 2

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Marine Science Research Center, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 4. East China Normal University, Shanghai 200241, China; 5. Shanghai Ruiling Cable Co., Ltd., Jiading District, Shanghai 201822, China)

The collection, pretreatment, and analysis of trace elements and their isotopes play an important role in marine research and are highly valuable for understanding global environmental changes. However, trace element concentrations are susceptible to contamination in these processes. In this paper, bearing in mind the special requirements for the environment, working tension, and other special aspects of the seawater trace element conductivity, temperature, and pressure field collection work, we have successively discussed the related technology of the cable regarding its design with the cable manufacturer to determine its technical indicators. We designed a plastic fiber communication cable and commissioned the manufacturer to process two sample cables. The static tension test of the sample cable verified the working tension of the cable itself, and the verification of component analysis and leaching test minimized the cable’s contamination of dissolved trace metals in the sea. The research results could improve the reliability of the sampling process and ensure data accuracy.

plastic-coated fiber communication cable; static tensile test; component analysis; leaching test

Aug. 26, 2021

[“KEXUE” high-end user project, No. KEXUE2019GZ01; Chinese Academy of Sciences major science and technology infrastructure maintenance and renovation project, No. DSS-WXGZ-2021-0011]

P751

A

1000-3096(2022)07-0088-07

10.11759/hykx20210826001

2021-08-26;

2021-10-08

“科學(xué)”號(hào)高端用戶項(xiàng)目(KEXUE2019GZ01); 中科院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施維改項(xiàng)目(DSS-WXGZ-2021-0011)

張宗兵(1984—), 男, 工程師, 主要從事各類科考用絞車、纜繩研究, E-mail: zhangzongbing@qdio.ac.cn; 刁新源(1979—),通信作者, 正高級工程師, 主要從事海洋環(huán)境調(diào)查, E-mail: diaoxinyuan@qdio.ac.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)