基于油水分离材料和气泡协同作业的海上溢油回收无人船

本发明涉及海洋环境保护及溢油应急处置，尤其涉及一种融合气泡水动力围控、仿生界面导油与超疏水改性岩棉油水分离技术的海上溢油回收无人船。

背景技术：

1、海上石油开采、储运及输送过程中，海底管道泄漏等突发性溢油事故频发。溢油具有扩散速度极快、油污上浮迅速的特点，极易在短时间内形成大面积海域污染，造成严重的生态破坏和经济损失。如何实现溢油的快速响应、精准围控与高效回收，是海洋环保领域亟待解决的重大工程技术难题。

2、目前，海上溢油应急处置通常依赖传统围油栏、撇油器及人工布设的收油设备。然而，上述设备在实际应用中存在明显局限：布设作业耗时较长，难以在溢油扩散的应急黄金时段内完成污染源封锁；传统围油栏抗风浪、抗潮流能力薄弱，油污极易从围油栏底部逃逸，源头管控效果大打折扣；此外，现有围控装备与收油设备相互割裂、独立作业，油污大范围扩散后再进行打捞处理，处置效率低下，后期生态修复费用高昂。

3、在材料与装备层面，传统吸油材料油水选择性差，吸油的同时大量吸水，有效吸附容量低，废弃材料易造成二次污染；现有油水分离装备对高黏度重质原油的处理能力严重不足，高黏油在低温下流动性极差，极易造成管路和分离介质堵塞；同时，现有溢油处理装备自动化程度不足，无法在无人值守条件下实现自主寻油、自主围控、自主回收的全过程闭环作业，难以适应复杂海况下的应急响应需求。

4、因此，亟需一种能够实现溢油快速响应、具备优良抗风浪和抗堵塞能力、且高度自主化的新型海上溢油回收装备。该装备应能突破传统围油栏与收油装置相互割裂的局限，将气泡水动力柔性围控、高效选择性油水分离材料与智能无人自主控制技术有机融合，从而在复杂海况下实现对溢油污染的有效封锁与连续、高效、无害化回收处理。

技术实现思路

1、了解决上述技术问题，本发明提供一种基于油水分离材料和气泡协同作业的海上溢油回收无人船，将气泡水动力围控、仿生界面导油、仿蝠鲼防堵塞收油、超疏水改性岩棉油水分离与智能自主控制有机集成，实现溢油的快速响应、精准围控与高效回收。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于油水分离材料和气泡协同作业的海上溢油回收无人船，包括：

4、船体系统，所述船体系统采用双体船结构，包括左片体、右片体以及连接所述左片体和所述右片体的连接桥，所述左片体与所述右片体之间形成收油作业通道；

5、控制系统，设置于所述船体系统上，所述控制系统包括主控单元，以及分别与所述主控单元电连接的定位模块、避障模块、寻油模块、通讯模块、回收模块和安全模块；

6、围油系统，包括设置于所述船体系统底部或两侧的气泡屏障发生模块，以及与所述气泡屏障发生模块协同作业的海面柔性围油栏模块；

7、吸油系统，设置于所述收油作业通道内，包括仿蝠鲼弹跳分离防堵塞收油口，以及与所述收油口连接的超疏水改性岩棉油水分离装置；

8、其中，所述气泡屏障发生模块向水中释放气泡形成气幕屏障，将溢油围控在所述海面柔性围油栏模块内并引导至所述收油作业通道，所述控制系统控制所述仿蝠鲼弹跳分离防堵塞收油口对溢油进行收集，并通过所述超疏水改性岩棉油水分离装置进行油水分离。

9、其中，左片体1与右片体2之间形成宽度为1.2m～1.8m 的收油作业通道。船体采用5083-h116铝合金材料制成，总长为8.0m～10.0m，型宽为2.8m～3.5m，型深为1.2m～1.6m，设计吃水为0.4m～0.6m。

10、进一步的，所述左片体和所述右片体的外表面均涂覆有石墨烯/纳米sio2/pdms复合超疏水减阻涂层，所述减阻涂层的水接触角≥150°，涂层厚度为50μm～200μm。

11、进一步的，所述连接桥内部设置有双舱并列布置的仿生防晃储油舱，所述仿生防晃储油舱的内壁设置有仿生润湿性边界稳定结构，所述边界稳定结构包括沿所述仿生防晃储油舱内壁周向交替排布的亲水区域条纹和超疏水区域条纹，所述条纹的宽度为2mm～5mm，间隔为2mm～5mm；所述仿生防晃储油舱的顶部边缘设置有锯齿形能量耗散缺口结构，所述锯齿形能量耗散缺口结构的锯齿高度为10mm～30mm，齿间距为10mm～30mm；所述仿生防晃储油舱内还设置有液位传感器，所述液位传感器与所述控制系统信号连接，当检测到所述仿生防晃储油舱满载时触发自动返航。

12、进一步的，所述仿蝠鲼弹跳分离防堵塞收油口包括收油口主体、导流通道和杂物分离舱，所述收油口主体入口处设置有仿蝠鲼弹跳分离装置；所述仿蝠鲼弹跳分离装置包括3～5排平行布置的翼型导向叶片，每片所述翼型导向叶片的截面呈前缘圆钝、后缘尖锐的翼型，弦长为20mm～50mm，最大厚度为4mm～10mm；相邻两排所述翼型导向叶片的交错角度为10°～30°，排间距为15mm～40mm；所述翼型导向叶片采用弹性材料制成，表面硬度为邵氏a 50～90；所述翼型导向叶片的根部设有杂物收集槽，所述杂物收集槽与所述杂物分离舱连通。

13、进一步的，所述超疏水改性岩棉油水分离装置包括集流罩、通过安装框固定于所述集流罩内的超疏水改性岩棉本体、设置于所述超疏水改性岩棉本体内的电加热组件，以及用于对所述超疏水改性岩棉本体进行机械挤压的辊压装置；所述超疏水改性岩棉本体由原始岩棉经改性浸涂液浸涂并固化干燥制成，所述改性浸涂液按重量份包括：羟基封端聚二甲基硅氧烷3～8份、硅酸四乙酯0.5～1.5份、二月桂酸二丁基锡0.1～0.5份、正己烷60～100份及疏水改性纳米二氧化硅颗粒0.5～2.0份；所述超疏水改性岩棉本体的纤维表面覆盖有超疏水涂层，所述超疏水涂层的厚度为0.2μm～0.8μm，改性后的岩棉水接触角为130°～150°；所述集流罩上端通过管道连接有真空泵系统，所述辊压装置将吸附饱和的岩棉中的油品挤出并送入储油舱。

14、超疏水改性岩棉的制备步骤如下：

15、步骤一：配制改性溶液。取羟基封端聚二甲基硅氧烷（pdms-oh）3～8 重量份、硅酸四乙酯（teos）0.5～1.5 重量份、催化剂二月桂酸二丁基锡（dbtdl）0.1～0.5 重量份和正己烷60～100重量份混合搅拌均匀；向上述混合溶液中加入疏水改性纳米二氧化硅颗粒0.5～2.0 重量份，超声分散20～40 分钟，得到均匀的改性浸涂液。

16、步骤二：浸涂改性。将原始岩棉（切割至单块尺寸为长0.4m～0.8m ×宽0.3m～0.6m ×高0.1m～0.3m浸入步骤一配制的改性浸涂液中，浸涂时间为5～20（优选10） 分钟；取出浸涂后的岩棉，自然沥干多余溶液。

17、步骤三：固化干燥。将浸涂后的岩棉置于真空烘箱中，在60～100℃ 温度下干燥8～24 小时，使pdms在岩棉纤维表面充分交联固化，得到超疏水改性岩棉。

18、进一步的，所述电加热组件与所述控制系统电连接，所述控制系统采用温度闭环pid控制方式调节所述电加热组件的加热功率，所述主控单元根据设定的最佳分离温度与温度传感器反馈的实际温度的偏差，利用pid控制算法输出控制信号，将所述超疏水改性岩棉本体加热至40℃～150℃，以降低高黏度原油的黏度，提高油品渗透和输送效率。

19、进一步的，所述海面柔性围油栏模块包括：

20、仿生超疏水浮体，其外表面具有由微纳凸起与疏水涂层构成的微纳粗糙结构，以形成空气捕获层，使水滴快速滚落，减少围油栏吸水增重并防止海洋生物附着；

21、猪笼草润滑导油内壁层，设置于所述围油栏模块的内侧，包括多孔储油层和吸附于所述多孔储油层表面的稳定润滑膜，以构建低摩擦界面，引导油膜沿栏体方向定向迁移汇聚至所述收油作业通道；

22、仿生海藻柔性裙体结构，设置于所述围油栏模块的底部，采用多条柔性仿生纤维阵列，随波浪作用柔性摆动以消耗波浪能，降低局部流速，保持油膜连续；

23、多级油污导流结构，设置于所述围油栏模块的底部，由外至内依次包括超疏水区域、亲油导流区域和油液汇集区域，以形成油污单向迁移路径。

24、进一步的，所述气泡屏障发生模块包括空气压缩机、输气管路以及设置于所述左片体和所述右片体外侧的20～40个气泡发生喷口；所述气泡发生喷口的孔径为2mm～5mm，相邻所述气泡发生喷口的间距为0.2m～0.5m；所述气泡发生喷口按照仿红树林冠层的空间分布密度呈多排错位布置，相邻两排所述气泡发生喷口交错偏移半个间距；所述空气压缩机的排气量≥0.3m3/min，排气压力≥0.4mpa。

25、进一步的，所述定位模块包括gnss定位模块，精度≤0.5m，用于实时获取无人船经纬度坐标、航行速度和航向角；所述避障模块包括安装于船体前方的激光红外传感器和超声波传感器，所述激光红外传感器通过左右旋转90°的扫描方式对前方270°范围进行检测，探测距离≥50m；所述寻油模块包括工业级摄像机、紫外荧光溢油检测传感器和图像识别算法，所述紫外荧光溢油检测传感器的检测限≤10ppm，用于根据风浪和海流方向对油膜漂移趋势进行预测，实现主动追踪。

26、进一步的，所述安全模块包括：

27、船体姿态监测单元，采用震动传感器和imu惯性测量单元检测船体振动频率、横摇角、纵摇角及加速度变化，当检测到超过安全阈值时，所述控制系统降低航速、收回辅助结构、停止回收作业并执行自动返航；

28、电源安全保护单元，实时监测电池电压、电流和温度，当出现电量不足、电池过热或电流异常时，系统自动进入低功耗模式并执行返航程序；

29、防倾覆保护单元，通过姿态传感器实时判断船体倾角，当横倾角超过设定阈值时，所述控制系统自动调整推进功率、改变航向并收起侧向结构，以降低倾覆风险；

30、led自救与定位单元，在无人船发生故障或失联时自动启动led高亮警示灯和gps定位信标。

31、本发明的有益效果：

32、第一，气泡水动力围控与防逃逸：通过水下多排错位布置的气泡发生喷口产生连续上升的气幕屏障，有效阻止溢油向外扩散并促进油滴聚集上浮，解决了传统围油栏易漏油、抗风浪差的问题。

33、第二，仿生界面主动导油与消浪：海面柔性围油栏融合荷叶超疏水结构与猪笼草润滑导油机制，使油膜在低摩擦润滑界面上定向迁移汇聚至收油口；配合底部仿海藻柔性裙体，大幅衰减波浪能量，保持油膜稳定性，实现由"阻挡油污"向"阻挡+引导油污"的功能升级。

34、第三，仿蝠鲼弹跳分离防堵塞：收油口借鉴蝠鲼鳃耙的弹跳分离机制，利用弹性翼型导向叶片使海面大颗粒杂质弹性偏转落入收集槽，实现极高的油水流通速率和优异的抗堵塞能力，适用于复杂海况。

35、第四，高性能改性岩棉与智能温控：超疏水改性岩棉具有极高的油水选择性与吸附容量，配合闭环pid电加热温控系统，在处理高黏度原油时自动升温降黏，显著提升回收效率；岩棉可循环使用，原料来源广泛，环境友好。

36、第五，全过程自主闭环作业：通过多传感器融合与智能控制策略，实现从自主寻油、自主围控到自主回收、自主返航的全过程无人化作业，提高了安全性和响应速度；多艘无人船可协同作业，进一步提高围油效率。