Nuôi trồng thủy sản biển với lưới hợp kim đồng

Lưới cứng chắc chống lại gỉ sét nhưng yêu cầu thay đổi thiết kế

Lồng lưới hợp kim đồng được tăng cường sức mạnh và duy trì lợi thế, nhưng có lẽ đòi hỏi thêm yêu cầu kỹ thuật đặc biệt để tích hợp với các cơ sở hiện có.

Nuôi trồng thủy sản biển đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu về thủy sản trên toàn thế giới. Nuôi cá trong môi trường biển thuận lợi hơn ao và hệ thống tuần hoàn dựa trên tính khả thi về kinh tế đối với các hoạt động quy mô nhỏ và lớn, khả năng sẵn có của các vùng nuôi và giảm các yêu cầu về năng lượng.

Ngành nuôi trồng thủy sản biển cũng có những thách thức, từ những lo ngại về môi trường liên quan đến thức ăn và chất thải cá, làm mất sản phẩm do động vật ăn thịt và cá thoát, và yêu cầu bảo dưỡng do sinh học. Các vấn đề môi trường có thể được giảm thiểu bằng cách chọn thức ăn và lựa chọn địa điểm thích hợp - ví dụ, bằng cách sử dụng các thành phần dựa trên đậu nành để hạn chế việc sử dụng bột cá và định vị các trang trại bên ngoài bến cảng và vịnh có mái che. Những thách thức sau này có thể được giải quyết bằng những tiến bộ công nghệ như sử dụng vật liệu chống ăn mòn, chống gỉ mới cho lưới cá.

Lưới polymer

Phần lớn các trang trại nuôi cá biển sử dụng lưới làm bằng polyme như nylon, thường được phủ một lớp sơn chống gỉ. Trong khi không tốn kém, nhẹ và linh hoạt, lưới polyme dễ bị mất một thể tích lớn của một buồng lưới do dòng chảy mạnh và có thể bị tổn hại do các cuộc tấn công của động vật ăn thịt, dẫn đến cá thoát.

Gỉ sét có thể là một mối quan tâm cho chu kỳ phát triển lâu hơn, vì nó làm giảm tỷ lệ xả lồng, tăng lồng kéo và tải neo, và quen với các khu vực có oxy thấp hơn. Lớp phủ chống gỉ thường có tuổi thọ từ ba đến sáu tháng, sau đó phải thực hiện vệ sinh lưới theo lịch trình.

Công nghệ hứa hẹn

Một giải pháp công nghệ đầy hứa hẹn cho những vấn đề này là việc sử dụng lưới hợp kim đồng. Các hợp kim này vốn có khả năng chống chịu gỉ sét, có sức bền cao hơn và khả năng chống cắn hơn lưới polyme và có tính chất thủy động lực thuận lợi.

Các nghiên cứu sơ bộ được tiến hành bởi Đại học New Hampshire phối hợp với Hiệp hội đậu tương Hoa Kỳ và Hiệp hội Đồng quốc tế cũng cho thấy không có tác dụng sinh học bất lợi đối với sức khỏe và tốc độ tăng trưởng của cá phát triển trong lưới hợp kim đồng.

Tuy nhiên, việc sử dụng các hợp kim đồng thể hiện một số thách thức đối với ngành công nghiệp, chẳng hạn như khối lượng gia tăng (tác động tất cả mọi thứ từ các yêu cầu về sức mạnh của cổ nổi đến xây dựng trụ), khả năng tương thích và mang vật liệu nếu vật liệu không được lắp đúng cách. Do đó, điều quan trọng là hiểu rõ hơn về hiệu suất của các hợp kim này trước khi chúng có thể được sử dụng trên quy mô lớn hơn.

Lưới đồng ở bên phải chống lại gỉ sét. Hình học của lưới liên kết chuỗi cũng được đặc trưng bởi sức cản kéo thấp.

Nghiên cứu sự ăn mòn, gỉ sét 

Các tác giả đã thực hiện một loạt các nghiên cứu để định lượng kháng sinh học và tỷ lệ mất vật liệu của các hợp kim đồng trong nước biển và điều tra các phản ứng thủy động lực học của lưới hợp kim đồng trong môi trường biển.

Việc định lượng hiệu suất của các hợp kim đồng trong môi trường biển rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào một số yếu tố môi trường, chẳng hạn như vận tốc dòng chảy và lưu thông, độ mặn của nước, nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan và oxy kim loại, và tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Mặc dù thử nghiệm gia tốc trong phòng thí nghiệm và mô phỏng bằng số có thể cung cấp thông tin hữu ích về hiệu suất vật liệu, các ước tính dữ liệu chính xác chỉ có thể đạt được thông qua các thử nghiệm thực địa tại các địa điểm có điều kiện môi trường tương tự như điều kiện của khu vực triển khai. Dựa trên dữ liệu này, người ta có thể đánh giá khả năng kỹ thuật và kinh tế của việc sử dụng các hợp kim đồng cụ thể để chế tạo lưới lồng cá cho nuôi trồng thủy sản biển.

Năm 2011, hiệu suất ăn mòn và gỉ sét của 11 hợp kim đồng được sản xuất bởi một số nhà sản xuất ở Hoa Kỳ, Đức và Nhật Bản đã được đánh giá trong một nghiên cứu triển khai thực địa 12 tháng ở Bắc Đại Tây Dương. Các hợp kim được cung cấp dưới dạng tấm mẫu, lưới dệt thoi và lưới hàn, và các phần dây.

Là một phần của nghiên cứu, ba tài liệu tham khảo - các tấm đồng nguyên chất, tấm thép nhẹ và lưới nylon - cũng được triển khai để so sánh kết quả.

Vào cuối nghiên cứu, sự mất mát vật chất được định lượng thông qua những thay đổi về trọng lượng và kích thước, và phân tích các đồ thị bề mặt. Kiểm tra cơ học được tiến hành để đánh giá sự suy thoái của độ cứng và sức mạnh của vật liệu. Không có các quy tắc chuẩn để đánh giá tính kháng gỉ sét, nó đã được định lượng theo số đo trọng lượng sinh khối, thành phần phân loại và quan sát trực quan.

Kết quả nghiên cứu

Kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng hầu hết các hợp kim đồng thể hiện tỷ lệ hao hụt vật liệu tương tự như tỷ lệ hao hụt đồng nguyên chất và thấp hơn từ 6 đến 8 lần so với tỷ lệ ăn mòn của thép. Tất cả ba hợp kim đồng hiện đang được sử dụng trong nghiên cứu và tại các trang trại thương mại cho thấy khả năng chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, đối với một số hợp kim thí nghiệm, thiệt hại đáng kể về ăn mòn cục bộ đã được quan sát, có thể khiến chúng không phù hợp để sử dụng lâu dài trong nuôi trồng thủy sản biển.

Khả năng chống gỉ sét của hầu hết các hợp kim đồng được thử nghiệm cao hơn nhiều so với thép và nylon. Không có gỉ sét đã được quan sát trên phần lớn các hợp kim đồng, trong khi các mẫu lưới thép và mẫu lưới nylon được trải nghiệm một sự tăng trọng lượng khi ở dạng khô do gỉ sét khoảng 150 phần trăm và 500 phần trăm, tương ứng. Khả năng chống gỉ sét đã cho thấy có lợi cho nông dân ở Chile và Thổ Nhĩ Kỳ bằng cách giảm chi phí bảo trì liên quan đến vệ sinh và sửa chữa lưới.

Thủy động lực học

Việc sử dụng lưới hợp kim đồng trong nuôi trồng thủy sản biển sẽ đòi hỏi các nghiên cứu có hệ thống và hiểu rõ hơn về hiệu suất thủy động lực học. Lực kéo trên lưới đồng là khác nhau đối với lưới nylon truyền thống vì sự khác biệt về độ cứng vật liệu, độ nhám bề mặt và sắp xếp sợi.

Để mô tả lực kéo của các lưới đồng khác nhau, các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được tiến hành trong một bể kéo ở các vận tốc kéo khác nhau. Thử nghiệm được thực hiện cho một số thiết kế lưới: hàng rào liên kết chuỗi, lưới dệt, lưới hàn hình chữ nhật và lưới mở rộng.

Đã quan sát thấy rằng trong khi các hệ số kéo của lưới mở rộng thể hiện sức đề kháng cao nhất, kéo cho lưới mắt xích là khoảng hai lần thấp hơn so với lưới nylon với diện tích tương tự dự kiến. Do đó, việc sử dụng lưới đồng có thể dẫn đến lực thấp hơn tác động lên các dây neo và neo.

Ngoài ra, một nghiên cứu so sánh về tổn thất khối lượng cho các buồng lưới nylon và đồng hiện đang được tiến hành. Kết quả sơ bộ cho thấy các buồng lưới đồng giữ được hình dạng tốt hơn so với các mạng lưới nylon có kích thước tương tự do các hệ số kéo thấp hơn, và tăng độ cứng và trọng lượng.

Thử nghiệm đã chỉ ra rằng buồng lưới đồng giữ lại hình dạng của chúng tốt hơn so với lưới trụ nylon cỡ tương tự.

Thiết kế lồng

Phương pháp kỹ thuật để thiết kế các trang trại nuôi cá với lưới hợp kim đồng là khác nhau đáng kể so với các phương pháp được phát triển cho các hệ thống có lưới polyme. Để hỗ trợ việc tích hợp lưới đồng vào cơ sở hạ tầng nuôi trồng thủy sản hiện hữu, các quy trình chuẩn xây dựng, triển khai và phục hồi hệ thống nuôi trồng thủy sản cần được sửa đổi.

Những thách thức về công nghệ bao gồm tăng trọng lượng lưới, phương pháp gắn kết lưới phù hợp, khả năng tương thích vật liệu, hệ thống nổi và cơ sở hạ tầng xây dựng lồng bắt buộc. Khối lượng của lưới đồng đòi hỏi sức mạnh kết cấu cao hơn trong khung lồng. Để đảm bảo tuổi thọ đầy đủ, buồng lưới đồng phải được bảo đảm đúng cách vào khung lồng để hạn chế lượng lớn chuyển động tương đối.

Tốc độ mất vật liệu tăng tốc có thể xảy ra nếu các vật liệu khác nhau như thép và đồng tiếp xúc với nước biển. Ngoài ra, có thêm một khó khăn trong việc xử lý các thành phần trong quá trình chế tạo và triển khai lồng.

Để giải quyết những thách thức này, các hướng dẫn kỹ thuật thích hợp đã được phát triển và thử nghiệm thông qua việc triển khai thực địa các hệ thống lưới đồng ở Bắc Đại Tây Dương, Nam Thái Bình Dương và Biển Địa Trung Hải. Hiện tại chúng đang được các cơ quan chứng nhận của Na Uy xem xét.