深海带具有低温、高压、高盐、无光等特点, 其独特的环境条件造就了特殊的物质循环模式和生物基因特性^[1]。研究者在深海的热液喷口、底层沉积物等各种不同的位置均发现了独特的生物群落。因此, 对深海微生物的采样和研究不仅有助于了解海洋生命的起源过程, 还能在许多不同的领域造福人类。

对于微生物等悬浮体的取样可分为在实验室对海水进行过滤以及深海原位过滤两种方法。对于前一种方法, 通常需要使用采水器获取所需层位的海水。HPSS(High-pressure Serial Sampler)采样器^[2]是20世纪90年代由法国研究团队基于Sea-Bird公司的SBE32采水器改良研制的一种保压采水装置^[3]。HPSS采水器包括多个容积为500 mL的高压采样瓶, 携带有压力传感器和温盐深仪。它的最大设计工作深度为3 500 m, 在850 ~2 000 m的水深下进行了多次作业。该采样器可以获取不同深度的保压和不保压的海水, 且研究人员基于所获得的样品在实验室中的微生物培养中发现减小培养釜压力会抑制其生长。PRS(Pressure-retaining Sampler)采样器是克里普斯海洋研究所设计研制的一种全海深保压采样器, 呈圆简形, 从上至下分为3段^[4]。通过置换的方式使前两段水进入后两段, 最终在第一段中充满原位海水, 最后一段中的高压水-气混合物可以进行压力补偿。PRS采样器作为一种深渊微生物采样器在马里亚纳海沟的海中分离得到了丰富的黄杆菌科微生物。

对于悬浮体原位过滤取样的方法, SUPR (Suspended Particle Rosette Multi sampler)采样器作为一款用于调查分析海底热液羽流的综合采样器, 主要用于采集其中的地球化学样品和微生物样品^[5]。SUPR采样器搭载在ROV上进行作业, 最大工作深度为5 000 m, 每次作业最多可以过滤收集24组独立样品。SUPR-V2作为SUPR的改进型采样器不仅能够采集水中的悬浮微粒, 还能保存过滤材料、未过滤的原位水样和滤液, 形成14个系统样本^[6]。下水前加入去离子水, 采样后加入保存液, 从而获得低污染高保真度的微粒样品。SyPRID (Sentry Precision Robotic Impeller Driven Sampler)采样器是美国研发的一种大型采样器, 外观上呈圆管形, 用于采集海床以上50 m范围内的浮游生物, 最大工作深度为6 000 m^[7]。采用一台大功率轴流泵来提供抽吸动力, 当海水被抽进圆管中时, 其中的浮游生物会被滤网截留保存下来。浙江大学研制的深渊微生物原位多级过滤及保存装置最大作业深度为10 931 m。装置搭载于深渊着陆器上进行布放, 在海底连续工作了1 h以上, 着陆器回收后获得了马里亚纳海沟两种不同孔径的滤膜样品及少量的原位滤液样品^[8]。针对动态的深海特殊生境(热液、冷泉等)和人为扰动环境(深海采矿、天然气水合物开采)中的微生物与生物地球化学等研究, 需要采集深海长周期时间序列悬浮体样品, 这对采样器的样品数量和保存模式提出了更高的要求。本文提出一种基于卷筒缠放的多滤膜深海悬浮体低污染抽滤采样装置, 并设计了滤膜盖层、滤膜以及滤膜固定层的多层滤膜结构来降低非采样位置和样品保存位置的污染。

1 采样装置设计 1.1 设计原理

图 1展示了采样装置的工作原理以及各部件之间的逻辑关系, 主要分为电源模块、控制模块、感知模块、执行模块。各模块在电源模块的供能下工作, 控制模块基于感知模块的数据对执行模块进行驱动。

具体工作过程如下: 采样装置下放时, 压力传感器实时测量水压判断是否到达目标水深。当采样装置下潜至工作深度时, 控制电路板向主动滚轮电机发出启动信号。主动滚轮在电机的驱动下输送滤膜, 同时, 滤膜带通过齿轮驱动磁铁旋转。当磁开关感应到磁体时给出反馈信号, 表示滤膜已送至过滤腔室, 控制板停止驱动滚轮电机工作。丝杆电机延迟500 ms后启动, 将过滤腔室出口推向过滤腔室进口。进口与出口通过挤压两者之间的密封圈将滤膜密封, 并形成过滤腔室。齿轮泵电机延迟500 ms后启动吸滤, 工作时长根据需要过滤的海水量提前设定。经过500 ms的延迟后, 丝杠电机反方向启动, 使过滤腔室出口远离进口, 解除对滤膜的约束。滚轮电机再次启动, 将下一个滤膜输送到过滤腔室。

重复上述工作流程, 完成360个滤膜的抽滤。此外, 可通过记录磁开关每次感应的时间, 生成时间序列样本。进一步结合着陆器上其他传感器的数据(CTD、溶解氧、叶绿素、二氧化碳等), 实现对样品背景环境的立体观测。

1.2 机械结构设计

图 2为深海悬浮体原位采样装置示意图, 其主要参数如表 1所示。悬浮体采样装置包括滤膜缠放系统、抽吸过滤系统以及滤膜位置反馈系统, 其通过滚轮将360张滤膜间断输送至过滤腔室, 在齿轮泵提供的负压下实现悬浮体的过滤。主体框架采用POM、尼龙、PC材料的轻量化防腐蚀设计, 电机密封舱体采用充油设计, 电子舱由钛合金加工。

图 3a所示为滤膜缠放系统, 主要包括充油电机、蜗轮蜗杆减速器、主动滚轮、被动滚轮、导轮机构。使用PU软管将充油电机上充油接口与皮囊补偿器相连来使电机在深海外压下保持内外压平衡。如图 3b所示, 蜗轮蜗杆减速器与电机输出轴之间通过梅花联轴器相连, 该联轴器中间弹性体可吸收振动、补偿径向、角向和轴偏差。蜗轮蜗杆机构驱动主动滚轮将滤膜覆盖层及粘接在固定层上的滤膜分别从两个被动滚轮上释放, 并将滤膜输送到过滤腔室进行过滤。装置内部设置多种类型的导轮机构来防止滤膜扭缠, 包括扭簧压紧导轮、导向轮、带齿导轮。

图 3c为多层滤膜结构, 其总厚度不超过0.7 mm, 包括滤膜盖层, 滤膜以及滤膜固定层。其中滤膜通过3M胶粘接至滤膜固定层上, 相邻滤膜的间距为125 mm, 滤膜带总长为45 m。滤膜盖层可防止主动滚轮上滤膜采集的悬浮体样品被污染。选用不同孔径(0.22, 0.45, 1 μm)的滤膜组合来对不同尺度的悬浮体进行过滤采样。滤膜固定层上啮合孔与带齿导轮上的齿一一啮合。当滤膜被传送时, 带齿滚轮也同步旋转。

图 4所示为海水抽滤系统, 主要包括齿轮泵系统、抽滤腔室机构。使用PU管将齿轮泵的进口、过滤装置壳体上的出口以及过滤腔室出水口连通。齿轮泵旋转在过滤腔室出口内部形成负压来提供悬浮体过滤的动力。由于过滤要保证滤膜两侧腔室的不连通, 故采用丝杆电机使过滤腔室出口往复直线运动, 使得腔室出口挤压腔室进口并通过端面密封圈与滤膜建立密封, 为过滤时提供建立足够的负压。

图 5为滤膜位置反馈系统, 主要包括带齿导轮及磁感应开关。滤膜固定层上等间距的孔(图 3c)与带齿滚轮上的齿一一啮合使带齿滚轮与转盘同轴同步转动。带齿滚轮的周长设计为相邻滤膜的距离, 则可通过磁开关感应转盘的圈数来判断滤膜是否达到过滤腔室正下方。且磁感应开关探测到磁铁的时刻可以作为每个滤膜采样开始的时间, 即生成时间序列化的样品。

由于滤膜缠放系统需要在滚轮电机的驱动下将45 m长的多层滤膜带缠绕至滚轮上, 故电机的扭矩至关重要。所设计的多层滤膜带为塑料材质, 其力学参数不够明确, 故本文假设多层滤膜带为钢带对电机的扭矩进行保守设计。钢带厚度为0.2 mm, 宽度为120 mm, 材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢, 其抗拉强度${\sigma _b}$= 520 MPa。多层滤膜钢带缠放在滚轮上时可将钢带简化成弹簧片弯曲来考虑, 根据《机械设计手册》第六版第三卷第十二篇第十章片弹簧中表 12-10-3中的公式可得:

$ F = \frac{{b{h^2}{\sigma _b}}}{{2R}} = \frac{{120 \times {{0.2}^2} \times {{10}^{ - 9}} \times 520 \times {{10}^6}}}{{12R}}, $

(1)

式中, F为弹簧片弯曲后端部的拉力, b与h分别为弹簧片宽度与厚度, R为弹簧片弯曲半径。

故弹簧片的弯矩扭矩为:

$ {T_1} = F \times 2R = 0.416\;{\text{N}} \cdot {\text{m}}. $

(2)

由于多层滤膜结构包含3层钢带, 故缠放一层多层滤膜结构需要的扭矩为:

$ {T'_1} = 3{T_1} = 1.248\;{\text{N}} \cdot {\text{m}}. $

(3)

45 m长的滤膜带在直径为300 mm的滚轮上的缠绕层数大致为87层, 可知缠放所有的钢带需要提供的扭矩为:

$ {{T}^{\prime }}_{总}=87\times {{T}^{\prime }}_{1}=108.576\text{N}\cdot \text{m} . $

(4)

通过上面计算所得到的需要提供的总扭矩是保守的结果, 因为钢带缠放到滚轮上后, 相邻两层滤膜之间会存在摩擦力的作用, 即在第二层多层滤膜缠放完成后缠放第三层多层滤膜时, 第一层多层滤膜在第二层提供的压力与摩擦力的作用下反扭矩会减小。

缠放滚轮和蜗轮轴之间端面键的传递效率查《机械设计手册》为0.9, 蜗轮蜗杆减速机的传递效率查《机械设计手册》为0.9。初选蜗轮蜗杆的传动比为25, 故总的电机应该提供的扭矩为:

$ {T}_{电需}={T}_{总}/0.9/0.9/25=5.36\text{N}\cdot \text{m} . $

(5)

电机选用鸣志电机有限公司的伺服电机, 初选AM-PI45115AN伺服电机, 其额定扭矩为65 mN·m。根据产品手册推荐, 另加装配套的AM-52GP系列的减速箱, 其速比为353/1。

故电机能够提供的扭矩为:

$ {T}_{电提}=65\times {10}^{-3}\times 353=22.945\text{N}\cdot \text{m} . $

(6)

根据$ {T}_{电提} $电提远远大于$ {T}_{电需} $, 故选用AM-PI45115AN系列电机与AM-52GP系列(速比为353∶1)减速箱符合要求, 最终滚轮缠绕的速度大致为0.9 r/min。

2 滤膜过滤试验

所设计的采样装置的采样原理是通过在海底原位过滤海水来获取微生物。海水经过滤膜的前提是需要在滤膜两侧形成一定的压差。本装置通过齿轮泵在滤膜一侧的腔室进行抽吸形成压差来产生驱替海水的动力。因此, 在相同的压差下, 过水性能好的滤膜能够在单位时间内通过更多的海水, 即获取更多的微生物, 能够减轻齿轮泵的负担。对于需要在海底工作长达6个月的本装置来说, 电机的寿命以及耗电量在设计时是需要重点考虑的。因此, 选择滤膜性能更好的滤膜能够降低能耗延长寿命。

故本节采用实验测试的方式对3种材质滤膜的过水性能进行了研究。滤膜分别为亲水型聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚砜(PES)、尼龙, 其孔径分别0.22、0.45、1 μm。所搭建的实验平台如图 6所示, 通过蠕动泵(DIPump550, Kamoer, China)在滤膜一侧增压, 并在膜两侧通过压力传感器(量程0.16 MPa, 精度0.000 1 MPa)测量压力, 通过压差反馈滤膜的过水性能。试验中的水源采用去离子超纯水来避免液体中的杂质堵住滤膜孔从而造成误差^[9]。过滤膜两侧设有密封圈, 保证去离子水全部通过过滤膜。试验过程中的数据通过采集板上传到上位机中显示并保存, 采用间隔为200 ms。

对每张滤膜进行5组试验后的结果如图 7所示, 一个共同的结论可以得出, 滤膜两侧压差随着流速的增大呈增大的趋势, 且压差增加速率也是如此。相同流量下, 压差随着滤膜孔径的减小而增大, 这是由于孔径小的滤膜对流体阻碍更明显^[10], 故通过滤膜两侧压差来研究滤膜过水性能的方案是有效的。对于0.22的孔径, 3种材质的滤膜在流量为88 mL/min时都达到了压力传感器的量程0.16 MPa。当流量低于48 mL/min时, PES滤膜要表现出更好的过水性, 而当流量超过48 mL/min时, PTFE滤膜表现出更好的过水性能。对于0.45及1 μm的孔径, PES的过水性能都明显优于其他两种滤膜, 特别是PTFE滤膜。

虽然PES强度低于PTFE滤膜, 但是其过水性最好, 且过滤腔室内部的网筛支撑结构可进一步增加滤膜的承压能力。故最终选择PES(0.45, 1 μm)以及PET(0.2 mm)的组合。

3 高压舱试验

基于可模拟深海高压环境的试验舱开展了采样装置在高压环境下的各项功能的测试。如图 8a所示, 将取样装置、摄像头和LED灯安装在托架上。如图 8b所示, 使用实验室内的行吊将设备吊放到高压舱中。如图 8c所示, 使用水密缆将高压舱内的装置与舱外的电脑及电源连通, 设备的各项动作均通过上位机完成, 并通过摄像头观察其执行情况。高压舱的压力按图 8d所示曲线加压, 增压速度为0.5 MPa/min。在各个压力维持阶段对设备的各项功能进行测试, 且高压舱最终在45 MPa的压力下保持4 h。

图 9为45 MPa高压舱内采样装置的监控画面。比较图 9a与图 9b中的红色矩形标记可以发现滚轮电机在高压下工作正常。由于摄像头视野受限, 我们在丝杆电机上固定了一个塑料件来反映其是否工作。比较图 9b与图 9c中的红色圆形标记可以发现丝杆电机在高压下工作正常。高压舱内的调式结果说明采样装置的电子舱能够满足高压下的密封及耐压, 充油电机设计能够在高压下正常工作。

图 9d为在高压舱内完成过滤的滤膜, 滤膜进水一侧有淡黄色的滤渣, 说明滤膜在过滤腔室负压的作用下完成了对高压舱中水体的过滤。该试验说明了滤膜缠放系统能够准确地将滤膜输送至过滤腔室、过滤腔室有较好的密封性、齿轮泵能够提供滤水过程中的负压。

4 海试

如图 10所示, 为验证采样装置应用的可行性, 于2023年3月份与2024年12月进行了两次海试, 在南海6个不同站点进行采样装置的采样作业动作测试。海试站点的经纬度如表 2所示。如图 10所示, 由于搭载ROV进行水下作业的时间没有搭载着陆器作业的时间长, 所以海试中只过滤了6片滤膜。

如图 11所示, 为了方便从摄像头画面中判断采样装置正常工作, 一些标记物被粘贴到装置表面。图 11a所示为装置的初始状态, 过滤腔室在丝杆电机的作用下闭合并与滤膜形成密封。如图 11b所示, 过滤腔室在丝杆电机的作用下打开, 并解除对滤膜的约束。如图 11c所示, 主动滚轮启动将下一个滤膜输运到过滤腔室。如图 11d所示, 过滤腔室在丝杆电机的作用下再次闭合。随后, 齿轮泵启动在过滤腔室形成负压, 海水在负压的作用下被滤膜过滤, 6次下潜作业采样装置均正常运行。

对海试站点6采集的两个滤膜进行样品收集后, 使用浙江大学海洋学院的EA-IRMS元素分析仪-稳定同位素质谱联用系统对样品进行了分析。通过研究甲烷渗漏区附近的颗粒碳或微生物的同位素, 可推断其主要来源。表 3列出了样品同位素分析结果。利用甲烷${{\text{δ }}^{13}}{\text{C}}$和${\text{δ D}}$可以推断所获取的样品均属于热成气体区^[11], 证实了采样装置所获取的样品确实在甲烷渗漏区域内。进一步说明了该采样装置可以为研究海底甲烷生态系统中碳的固定、传输和埋藏过程, 以及环境影响监提供有效的样品。

5 结论

本文提出一种基于滚轮缠放的深海悬浮体多层滤膜结构低污染原位采样装置, 该装置通过卷筒缠放360张有效直径60 mm的滤膜, 每张滤膜过滤的海水可根据海水悬浮体浓度设定过滤时长。并提出滤膜盖层、滤膜以及滤膜固定层的多层滤膜结构来降低非采样位置的海水对样品的污染, 其中滤膜可采用不同孔径的组合来获取不同尺度的采样对象。

滤膜过滤试验表明, 最终选择PET(0.2 mm)- PES(0.45, 1 μm)及PET(0.2 mm)-PTFE(0.22 μm)的多层滤膜结构既能保证较好的过水性能也能拥有较好的加工性能。高压舱内的调试说明了采样装置能够满足深海高压环境工作的要求, 所设计的齿轮泵及过滤腔室具有较好的密封性能, 能够完成对水体的过滤。最后, 装置在南海1 500海域成功完成了6次下潜作业任务, 各机构与系统均工作正常, 且成功获取了甲烷渗漏区的悬浮体, 进一步说明了采样装置可以为海底甲烷生态系统中碳的固定、传输和埋藏过程的研究提供技术支撑。