MGPS-anode til havneterminaler

I miljøer, der konstant er nedsænket i havvand, står havne- og terminalkølesystemer, cirkulerende vandrør, undersøiske sluser, kajfundamenter og diverse marint udstyr over for alvorlige udfordringer fra marin biofouling - rurer, skaldyr, alger og andre marine organismer klæber konstant til overfladerne af udstyr og rørenes indvendige vægge og danner et lag af biofouling, der er vanskeligt at fjerne.

System til forebyggelse af marin vækst (MGPS) er en kerneteknologi til løsning af problemer med biofouling og korrosion i havne- og terminalfaciliteter. Gennem et videnskabeligt elektrolyseprincip opnår den dobbelt beskyttelse mod både fouling og korrosion og er blevet et essentielt system til konstruktion, drift og vedligeholdelse af moderne havne- og terminalinfrastruktur.

Typer af MGPS-systemer

Baseret på havneterminalernes havmiljø (f.eks. havvandstemperatur, biologisk aktivitet), udstyrsmaterialer (stål, aluminium osv.) og beskyttelseskrav er MGPS-systemer primært opdelt i to kernetyper. Hver type adskiller sig betydeligt i elektrodematerialer, driftstilstande og anvendelige scenarier, hvilket kræver præcist valg baseret på de faktiske behov.

(I) Elektrolytisk metaliontype MGPS

Den elektrolytiske metaliontype er i øjeblikket den mest anvendte MGPS-type i havne og tegner sig for over 70 % af markedsandelen inden for havnebeskyttelse. Dens kernefordele ligger i dens enkle struktur, stabile drift, brede beskyttelsesområde og samtidige antifouling- og antikorrosionsfunktioner. Denne type system bruger kobber, aluminium og jern som kerneelektrodematerialer, der driver en elektrolytisk reaktion gennem en jævnstrømsforsyning for at frigive metalioner og hydroxidflokkulenter og danne et dobbelt beskyttende lag.

Kernekomponenter: Omfatter primært en kobber anode, aluminium/jernanode, DC-styreenhed, strømovervågningsmodul og monteringsbeslag. Elektroder installeres typisk ved havvandsindløb, undersøiske porte eller rørledningsspidser for at sikre, at metalioner hurtigt kan diffundere gennem systemet med havvandet.

Anvendelige scenarier: Havne og kajer i tempererede og subtropiske havområder med lav til medium biologisk aktivitet, især velegnede til stålkonstruerede havvandskølerør, cirkulerende vandsystemer og beskyttelse af kajpælefundamenter. For eksempel bruger havne og kajer i Øst- og Nordkina ofte denne type system på grund af den moderate havvandstemperatur og den langsomme vækstrate for marine organismer.

Vigtige udvælgelseskriterier: Elektrodematerialet skal passe til udstyrets substrat – Hvis portrørene er lavet af stål, foretrækkes aluminiumanoder (der genererer flokkulenter af aluminiumhydroxid, hvilket giver bedre beskyttelse); hvis rørene er lavet af aluminium eller kobber, skal der anvendes jernanoder for at undgå elektrokemiske reaktioner mellem elektroden og substratet, hvilket kan forværre korrosionen.

(II) Type af havvandselektrolyse

MGPS Havvandselektrolysetype MGPS, også kendt som "klorelektrolysetype", fungerer ved at elektrolysere havvand for at generere et stærkt oxidationsmiddel, der direkte dræber marine larver og sporer, hvilket resulterer i højere antifouling-effektivitet og egnethed til meget biologisk aktive havområder. Denne type system stiller højere krav til elektrodematerialer, da de skal være modstandsdygtige over for stærk korrosion og have høj elektrolyseeffektivitet.

Kernekomponenter: Består af platinbelagte titanelektroder (eller specialdesignede korrosionsbestandige elektroder), en elektrolytisk reaktionstank, en jævnstrømsforsyning og et overvågningsmodul til oxidantkoncentration. Reaktionstanken er kernekomponenten, der sikrer fuldstændig elektrolyse af havvand for at generere en stabil koncentration af oxidant.

Driftsegenskaber: Elektrolyse af havvand producerer stærke oxidanter såsom klor (Cl₂) og hypochlorsyrling (HClO). Disse stoffer har stærke bakteriedræbende egenskaber, der er i stand til at dræbe alger og skaldyrslarver på kort tid og opnår en antifouling-effektivitet på over 95%. Der kræves ingen periodisk genopfyldning af metalelektroderne (kun vedligeholdelse af platinbelægningslaget er nødvendig).

Relevante scenarier: Havne og kajer i tropiske, meget bioaktive have, såsom dem i Sydkina, Sydøstasien og Mellemøsten. På grund af høje vandtemperaturer, rigeligt sollys og kraftig vækst af havliv forekommer biofouling hurtigt, hvilket nødvendiggør, at denne type system opfylder kravene til højintensiv antifouling.

Forholdsregler: Oxidantkoncentrationen skal overvåges i realtid for at undgå for høje koncentrationer, der kan korrodere udstyr eller forurene havmiljøet efter udledning. Nogle lande har fastsat klare standarder for oxidantkoncentrationer i udledninger fra havvandselektrolyse af typen MGPS (f.eks. en enkeltudledningskoncentration, der ikke overstiger 0.5 mg/L).

(III) Sammensatte MGPS

Komposit-MGPS er et opgraderet produkt, der kombinerer fordelene ved de to ovennævnte typer. Gennem en dobbelt funktion med "elektrolyse af metalioner + elektrolyse af havvand" kan den både hæmme marin biologisk vækst og forbedre udstyrets korrosionsbestandighed. Den er velegnet til store havneterminaler med store udsving i biologisk aktivitet og komplekse udstyrstyper.

Kernefordele: Driftstilstanden kan justeres i henhold til sæsonbestemte ændringer og marin biologisk aktivitet - skift til havvandselektrolysetilstand om sommeren, når den biologiske vækst er kraftig, for at forbedre steriliseringseffektiviteten; skift til metalionelektrolysetilstand om vinteren, når den biologiske vækst er langsom, for at reducere energiforbruget og forlænge elektrodens levetid.

Anvendelsesscenarier: Store globale knudepunkter i havnene, såsom havnene i Singapore og havnen i Dubai, anvender ofte komposit MGPS-systemer for at opnå beskyttelse i alle scenarier og hele sæsonen på grund af de forskellige typer havneudstyr (herunder kølesystemer, afsaltning af havvand og containerterminaludstyr) og de betydelige sæsonbestemte udsving i den marine biologiske aktivitet.

Funktionsprincip for MGPS-systemer

Det centrale arbejdsprincip i MGPS-systemer er "elektrolyse". En stabil jævnstrøm påføres elektroderne, hvor havvand bruges som elektrolyt, hvilket forårsager en redoxreaktion, der genererer stoffer med antifouling- og antikorrosionsfunktioner. Forskellige typer MGPS-systemer har forskellige elektrolyseprocesser, som beskrevet nedenfor:

(I) Funktionsprincip for elektrolytisk metaliontype MGPS

Denne type system opnår beskyttelse gennem en dobbelt mekanisme af "metalion-antifouling + hydroxidflokkulerende antikorrosion." Reaktionsprocessen kan opdeles i tre kernetrin:

Kobberanodeoxidationsreaktion (kernen i bundmaling): Under påvirkning af en jævnstrømsforsyning gennemgår kobberanoden en oxidationsreaktion. Kobberatomer mister elektroner og opløses i havvand, hvilket genererer kobberioner (Cu²⁺). Reaktionsformlen er: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Når koncentrationen af ​​kobberioner i havvand når 2 μg/L (2 mg/m³), kan den effektivt hæmme celledeling og vækst af alger og skaldyrslarver og forhindre dem i at klæbe til rørenes indvendige vægge eller overfladen af ​​udstyr, hvilket afskærer dannelsesvejen for biobegroning ved kilden. Kobberioner udviser målrettet toksicitet, kun effektiv mod marine larver, med minimal indvirkning på det marine økosystem og opfylder dermed grønne beskyttelseskrav.

Aluminium/jern-anodiseringsreaktion (kernen i korrosionsforebyggelse): Aluminiumanoden (eller jernanoden) gennemgår en oxidationsreaktion samtidigt, hvor aluminiumatomer mister elektroner for at danne aluminiumioner (Al³⁺). Reaktionsformlen er: Al → Al³⁺ + 3e⁻. Disse aluminiumioner kombineres med hydroxidioner (OH⁻) i havvand for at danne aluminiumhydroxid (Al(OH)₃) flokkulenter. Disse flokkulenter er meget viskøse og klæber til de indre vægge af rør, undervandsporte og pælefundamenter med strømmen af ​​havvand og danner en tæt beskyttende film, der er cirka 0.1-0.3 mm tyk.

Katodisk reduktionsreaktion: Jernkatoden i systemet fungerer som katode og gennemgår en reduktionsreaktion. Vandmolekyler optager elektroner på katodeoverfladen, hvilket genererer hydrogengas (H₂) og hydroxidioner (OH⁻). Reaktionsligningen er: 3H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Denne reaktion opretholder ikke kun den stabile drift af elektrolysekredsløbet, men reducerer også, gennem katodisk beskyttelsesprincippet, potentialet i det omgivende metaludstyr, øger elektrontætheden på udstyrets overflade og hæmmer yderligere havvandskorrosion af udstyret, hvilket opnår en synergistisk effekt af "anti-fouling + anti-korrosion".

(II) Funktionsprincip for havvandselektrolyse af type MGPS

Kernen i denne type system er "elektrolyse af havvand for at generere en stærk oxidant, der dræber marine organismer." Reaktionsprocessen er koncentreret i elektrolysereaktionstanken, hvilket giver større kontrollerbarhed:

Havvandselektrolysereaktion: Drevet af en jævnstrømsforsyning danner en platinbelagt titanelektrode (anode) og katode et elektrolysekredsløb. Havvand (indeholdende natriumklorid) gennemgår en elektrolysereaktion på elektrodeoverfladen. Klorgas (Cl₂) genereres ved anoden med reaktionsformlen: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑; hydrogengas (H₂) og hydroxidioner (OH⁻) genereres ved katoden med reaktionsformlen: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Oxidantgenerering: Klorgas, der genereres ved anoden, reagerer med havvand for yderligere at producere hypochlorsyrling (HClO) og natriumhypochlorit (NaClO) med følgende reaktionsligninger: Cl₂ + H₂O → HClO + HCl, Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O. Både hypochlorsyrling og natriumhypochlorit er stærke oxidanter, der kan ødelægge cellemembranerne i marine larver og hæmme deres respirationsenzymaktivitet, hvilket dræber alge- og skaldyrslarver inden for 10-20 sekunder. Denne antifoulinghastighed er langt hurtigere end for elektrolytiske metalionsystemer.

Koncentrationskontrol: DC-styreenheden justerer automatisk elektrolysestrømmen baseret på havvandsstrøm og biologiske aktivitetsdata for at sikre, at oxidantkoncentrationen holdes inden for et sikkert område på 0.2-0.5 mg/L. En for lav koncentration vil ikke opnå den ønskede antifouling-effekt, mens en for høj koncentration vil korrodere metalsubstratet på rørets indervæg og også kan føre til havforurening efter udledning af havvand.

MGPS-systemets kerneapplikationer

Anvendelsesscenarierne for MGPS-systemer i havneterminaler dækker hele kæden af ​​"havvandsbehandling - udstyrsbeskyttelse - økologisk overholdelse". Kernen i disse systemer drejer sig om tre hovedkategorier: havvandskølesystemer, undervandsinfrastruktur og specialdriftsudstyr.

(I) Beskyttelse af havvandskølesystemet

Havvandskølesystemer er centralt energiforbrugende udstyr i havneterminaler, primært brugt til køling af containerkraner, generatorsæt og kølecontainere. MGPS-systemer er den centrale beskyttelsesmetoden i dette scenarie og tegner sig for 45% af det samlede MGPS-forbrug i havne.

Installationssted: Elektroder installeres ved indløbsrøret eller forenden af ​​køletårnet i havvandskølesystemet, hvilket sikrer, at metalioner eller oxidanter kan trænge ind i kølerørene og varmevekslerne sammen med havvandet og dække hele kølekredsløbet.

Systemkonfiguration: Elektrolytisk metaliontype (kobber + aluminiumanode) anvendes til tempererede havne, og elektrolytisk havvandstype (platinbelagte titanelektroder) anvendes til tropiske havne. Til store kølesystemer (f.eks. køling af generatorsæt) kræves flere sæt elektroder for at sikre fuld dækning af beskyttelsesområdet.

(II) Beskyttelse af undersøiske sluser og rørledninger

Undersøiske sluser (bruges til at kontrollere tilstrømning og udstrømning af havvand) og havvandsrørledninger ved havneterminaler er store områder med biofouling. Skaldyr og alger, der klæber til sprækker i sluserne og rørledningernes indvendige vægge, kan forårsage vanskeligheder med at åbne og lukke sluserne og blokere rørledningen. I alvorlige tilfælde kan dette føre til tilbagestrømning af havvand, hvilket påvirker den normale havnedrift.

Installationsmetode: Elektroder til ubådssluser installeres på begge sider og i bunden af ​​sluserne ved hjælp af en indlejret installationsmetode for at undgå at forstyrre åbning og lukning af sluserne. Elektroder til havvandsrørledninger installeres ved rørledningens indløb i en ringformet anordning for at sikre ensartet diffusion af metalioner til rørledningens indvendige væg.

Vigtige beskyttelsespunkter: Ud over bundmaling skal korrosionsbeskyttelsen styrkes. Ubådssluser er for det meste lavet af stål og er meget modtagelige for korrosion på grund af langvarig nedsænkning i havvand (indeholdende salt- og kloridioner). Derfor skal der anvendes aluminiumanoder. De genererede aluminiumhydroxidflokkulenter kan danne en tæt beskyttende film på sluseoverfladen. Kombineret med katodisk beskyttelse reducerer dette korrosionshastigheden.

(III) Beskyttelse af kajpladspæl

Fundamenter og kajkonstruktioner Kajpælefundamenter og kajfendere i havneterminaler er konstant nedsænket i havvand og udsættes ikke kun for biofouling, men også for forringelse af den strukturelle styrke på grund af havvandskorrosion og tidevandserosion, hvilket påvirker kajsikkerheden. MGPS-systemet forlænger levetiden for pælefundamenter og kajkonstruktioner gennem dobbelt beskyttelse af "antifouling + antikorrosion".

Systemkonfiguration: Ved hjælp af elektrolytisk metalion-type MGPS anvendes kobberanoder til bundmaling og aluminiumanoder til korrosionsbeskyttende egenskaber. Elektroder installeres i bunden og midten af ​​pælefundamentet (i det tidevandspåvirkede område) for at sikre beskyttende dækning af kritiske korrosionsbelastede områder.

Beskyttende effekt: Efter installation af MGPS-systemet kan biofouling-raten på pælefundamentets overflade kontrolleres til under 10 %, korrosionsraten falder fra 0.2 mm/år til under 0.05 mm/år, og pælefundamentets levetid forlænges fra 20 år til 30-35 år. For eksempel forekom der ingen betydelig korrosion eller biofouling inden for 10 år i containerkajpælefundamenterne i Dubai Havn efter installation af MGPS-systemet, og den strukturelle styrke forblev god.

Vedligeholdelsesvigtige punkter: Kontroller regelmæssigt elektrodens slid. Kobberanoders levetid er cirka 3-5 år, og aluminiumanoders levetid er cirka 2-3 år. Elektroder med et slid på over 70 % bør udskiftes omgående for at sikre stabil beskyttelse.

(IV) Beskyttelse af afsaltning af havvand

Nogle store havneterminaler er udstyret med afsaltningsanlæg til havvand (til rengøring af husholdningsvand og udstyr i havne), samt brandbekæmpelsessystemer til havvand og vandinjektionsrørledninger til oliefelter (i havneindustrielle områder). Disse anordninger har høje krav til vandkvaliteten, og biofouling kan føre til udstyrsfejl og forringelse af vandkvaliteten, hvilket kræver målrettet beskyttelse fra MGPS-systemet.

Havvandsafsaltningsenhed: En elektrolytisk havvandstype MGPS udvælges og installeres i afsaltningsenhedens forbehandlingsfase for havvand. Den genererer et stærkt oxidationsmiddel, der dræber marine organismer og forhindrer dem i at trænge ind i omvendt osmosemembranen og forårsage membranblokering og -skade (udskiftningsomkostningerne for omvendt osmosemembraner er ekstremt høje og når op på millioner af yuan pr. udskiftning).

Brandbekæmpelsessystem til havvand: Der anvendes en elektrolytisk metalion-type MGPS. Elektroder er installeret ved indløbet til brandbekæmpelsestanken til havvand for at sikre, at der ikke sker biologisk vedhæftning på tankens indvendige væg, hvilket forhindrer normal tilførsel af brandbekæmpelsesvand på grund af blokering af rørledningen under en brand.

Vandindsprøjtningsrørledninger i Lingang Industrial Zone: Den passende systemtype vælges baseret på den marine biologiske aktivitet med fokus på at beskytte rørledningens indvendige væg for at forhindre biofouling, der kan reducere vandgennemstrømningen og påvirke produktionseffektiviteten på Lingang-fabrikkerne.