基于可持续设计理念的海面石油清洁产品设计

罗苏文 湖北大学艺术学院

0 前言

海洋是人类生存和发展的重要资源和空间，当今世界人口膨胀、资源短缺与环境恶化使沿海国家普遍以新的视角关注海洋，人类进入了大规模开发利用海洋的时期[1]。随着海洋石油储量的开发和开采，服务于海运业的船舶数量正在迅速增加，海面油轮事故引发的溢油灾害频发，溢油污染对海洋生态造成了严重的影响，海洋石油污染已成为我国海洋安全的主要威胁之一。基于海面石油污染日益严重的背景，通过本次研究设计提出能实现海面石油清洁的产品方案，清洁海面石油以及回收利用的功能，能够及时处理海面漏油事故，达到改善区域水质环境的目的。目前相关产品领域的发展较为缓慢，国内成型的种类相对较少。因此，文章将结合可持续设计视角，着重探讨海面石油清洁产品设计的研究思路，为海面石油溢出问题提供方案。

1 概述

“可持续设计”源于“可持续发展”理念，它体现为一种整体的设计观[2]。可持续设计理念是设计界对人类发展与环境问题之间关系的深刻思考和不断寻求变革的实践历程，其理念演进大致分为4 个阶段，从绿色设计、生态设计、产品服务系统设计到可持续设计[3]。

2 海面石油清洁产品现状分析

2.1 市场现状

目前，国内有关海面石油收集产品，主要分为以下2 类，见表1。一类是基于船舶机舱现有的设备配合泵改装的装置，附加于大型船舶的应急处理设备，是大型船舶交通工具的附属器械；另一类是大型海洋垃圾收集器，主要功能是收集海面漂浮垃圾，其他功能为辅。根据有关文献收集总结，在《海上溢油收集装置概念设计》一文中写到了在针对各类海上溢油事故中，对现有技术进行了突破和创新，提出了3 套新的概念方案，分别是热气球浮油收集装置、海上铲车浮油收集器以及下潜式浮油处理器[4]，以上几种概念方案的提出在之前的基础上提供了具体的可行性实施方案。

表1 目前大型海面清洁产品

国外相关研究根据学者薛栋生在《国外浮油回收装置》一文中总结出了7 种不同的方案，其中最具代表性的有：1）可调坝型流入式溢油回收船。2）涡轮式浮游回收装置。3）滚筒式浮油回收装置[5]。此外还有美国研制的双体水面浮油回收船；英国研制的港区垃圾清扫船等。国外相比国内而言，发展研究起步早、成型快，目前市场上国外的有关研究趋于成熟化，大量运用投入生产实践中。

根据以上相关产品收集研究，当前市场上针对海面石油清洁的产品存在一定空白；有关产品存在造型复杂化，多为大型船舶的附属衍生，成本较高等问题，同质化严重、缺少人工智能化、在产品功能结构上也趋向于单一。

此次研究主体功能主要针对海洋油类物质污染，并结合石油污染物的特质分析，采用安全无污染的物理清洁与收集方式，展开了详细应对的解决方案。

2.2 现有方法

水污染一般可分为物理性污染、化学性污染和生物性污染物。生物性污染物包括细菌、病毒和寄生虫。物理性污染物包括悬浮物、热污染和放射性污染。化学性污染物包括有机和无机化合物[6]。海洋石油污染主要由以下3种形式存在，分别是漂浮在海面上的油膜、溶解分散形态以及凝聚态的残余物。本文主要针对海面的浮油清洁收集展开，海洋石油不易快速分解，且极易通过洋流循环而散布到各大洋流，循环中也会推向贴近海岸，因而会污染海滩等海滨娱乐场所，严重影响海滨城市形象[7]。

物理处理法、化学处理法、生物法是目前应对处理海上漏油的主要方法，见表2。物理法是目前处理泄漏石油的有效措施。

表2 现有处理海上漏油方法

3 可持续设计分析

“可持续设计”这一全新的设计观对人们产生了潜移默化的影响，让人们将可持续的思想渗透入产品的使用周期。可持续设计强调人和环境、经济与社会的和谐发展，在产品设计阶段需要考虑经济、生态和社会价值3个方面协同发展[8]。

为满足产品、环境与资源和谐共生，海面石油清洁产品的可持续设计内容将从生态保护、社会保障、经济效益这3个维度展开。1）经济效益维度：其指向为经济可持续设计，旨在让产品的成本与产品附加产业链之间关联，与国家政策，市场主体企业相结合，最大化创造绿色价值。从绿色环保以及资源循环利用2方面进行设计，为海面石油清洁产品的实现提供理论支撑。2）生态保护维度：其指向为生态可持续设计，产品在材料与工艺上参考可降解可持续的材料，力求在产品的生产链中，找到与环境的最优解。3）社会保障维度：从社会以及人文角度出发，可持续发展不仅是当代人的福祉，还需要顾及到后代的社会平衡，在考虑经济和社会持久性并造福经济的同时，也需要引导人们的观念，创造消费者的价值观可持续，产生对现有生活环境习惯的价值引导。

4 设计策略

鉴于目前海面石油的泄漏时常发生，常用的方法无法在石油泄漏时采取紧急措施，常用的化学物质会对海面环境造成一定影响，在此基础上本产品需满足以下创新点：1）收集海面石油；2）监测海面区域水质状况；3）智能化工作。海面石油清洁产品设计的创新点在于能够收集处理海面溢出石油以及对所工作海域的实时监测和智能化工作管理。方案评估是从产品的形式、材料和功能这3个方面进行。

4.1 造型设计

评价产品造型结构是否合理，要充分考量海面运行过程中的能耗问题，以空气动力学的流线型去减少运行过程中的不必要能耗，完成工作效益最大化，见图1。海面石油清洁产品设计在造型上呈现一体化结构、外形流畅，产品色彩以白色为主，同时为了使结构空间满足使用需求，对所收集的海面石油进行最大化的储存，对内部造型进行造型优化，在能够有效利用外型抵抗外部环境影响的同时，让产品的造型与功能相结合。

4.2 材质设计

产品设计过程中不可忽视产品所处的使用环境条件。在设计结构系统时，应该明确结构所处的产品使用环境，产品的使用环境条件与结构的强度和刚度有关，也同时与材料的腐蚀、磨损和变质有关。

海面石油清洁产品设计主要由收集器、离心机和涡轮增压这3个大板块组成，其材质主要采用铝合金与热固性玻璃钢。铝作为材料可以降低产品重量，减少能量损耗，具有坚硬美观、轻巧耐用的特点，有利于延长产品生命周期。热固性玻璃则有较高的比强度，良好的电绝缘性、绝热性和稳定性，产品材质的优劣根据结构性能与结构重量的比值，若结构自身的重量轻，则运输及运载的效率就高，有利于助力器在海洋中行驶，减少不必要能耗，符合可持续设计原则。

4.3 功能设计

通过文献搜集，总结出在清除海面和海岸溢油时采用物理方法和机械装置是最有效的，故在海面石油清洁产品的工作原理上采用离心机这一油水分离的物理方式，此方式安全性能高，能够在所工作海域进行稳定作业，具有可行性，见图2。

图2 离心机产品工作原理转化

此款产品功能设计中，一方面，能够日常帮助检测所工作海域水质与样本检测；另一方面，在发生海面石油溢出状况时，通过物理法离心机，对所泄漏海面区域石油进行收集，储存于收集器中，从而起到收集海面溢出石油并且二次利用的功能，收集完成后返回指定区域。海面石油清洁产品通过对海面漏油区域进行石油清洁，收集海面浮油，从而达到调节其工作海面，改善区域生态环境的功能，减少石油污染危险，增加经济附加值。

根据产品本身条件，结合远程操控的功能管理所工作区域海域，设置了以下产品功能使用流程，产品使用模式分为以下2 种，即日常模式和紧急模式（发生石油泄漏时），见图3。

图3 产品功能

海面石油清洁产品在保证各个部件安装位置准确的前提下，减轻整机质量，提高工作效率，设计出一款能针对海面石油清洁收集的产品造型设计，具有通过离心机进行油水分离的功能，能在工作时间内对区域海面石油进行有效收集，改善帮助调节区域海面环境的同时收集泄漏的石油，大大减少了经济损失。

5 结束语

地球对陆地资源的开发已达饱和状态，对海洋的开发将是未来发展的主力，而海面开采业与运输业的高速发展，也导致海面石油泄漏事故频频发生，因此，本文通过可持续的设计思想对海面石油污染清洁回收再利用的行为，以产品设计为媒介，提出了一种设计构想，针对特殊环境的使用人群进行分析，以及在产品工作原理上寻找最优方案，同时在产品CFM 意义及其所使用的环境中找到一种尽可能的平衡与协调，以期能为相关研究者带来更多可能性以及产品附加值的参考。