MGPS-Anode für Portanschlüsse

In Umgebungen, die ständig von Meerwasser umgeben sind, stehen Hafen- und Terminalkühlsysteme, Wasserleitungen, Unterwasserschleusen, Liegeplatzfundamente und verschiedene maritime Ausrüstungen vor großen Herausforderungen durch marinen Biofouling – Seepocken, Schalentiere, Algen und andere Meeresorganismen haften ständig an den Oberflächen der Ausrüstung und den Innenwänden der Rohre und bilden eine Biofouling-Schicht, die schwer zu entfernen ist.

System zur Verhinderung von Meeresbewuchs (MGPS) ist eine Kerntechnologie zur Lösung von Problemen wie Biofouling und Korrosion in Hafen- und Terminalanlagen. Durch ein wissenschaftliches Elektrolyseprinzip erzielt sie einen doppelten Schutz vor Bewuchs und Korrosion und hat sich zu einem unverzichtbaren System für den Bau, den Betrieb und die Instandhaltung moderner Hafen- und Terminalinfrastruktur entwickelt.

Arten von MGPS-Systemen

Aufgrund der Meeresumgebung von Hafenterminals (z. B. Meerwassertemperatur, biologische Aktivität), der verwendeten Werkstoffe (Stahl, Aluminium usw.) und der Schutzanforderungen werden MGPS-Systeme im Wesentlichen in zwei Haupttypen unterteilt. Jeder Typ unterscheidet sich deutlich hinsichtlich Elektrodenmaterialien, Betriebsarten und Anwendungsszenarien, weshalb eine präzise Auswahl anhand der tatsächlichen Bedürfnisse erforderlich ist.

(I) Elektrolytische Metallionen-Typ-MGPS

Die elektrolytische Metallionen-Abscheidung ist derzeit die am weitesten verbreitete Art von Metallionen-Schutzsystemen (MGPS) in Häfen und deckt über 70 % des Marktes für Hafenschutz ab. Ihre Hauptvorteile liegen in der einfachen Struktur, dem stabilen Betrieb, dem breiten Schutzbereich sowie der gleichzeitigen Antifouling- und Korrosionsschutzfunktion. Dieses System verwendet Kupfer, Aluminium und Eisen als Elektrodenmaterialien und treibt durch eine Gleichstromversorgung eine elektrolytische Reaktion an, bei der Metallionen und Hydroxid-Flockungsmittel freigesetzt werden, die eine doppelte Schutzschicht bilden.

Kernkomponenten: Umfasst hauptsächlich ein Kupferanode, AluminiumDie Elektroden bestehen aus einer Eisenanode, einer Gleichstrom-Steuereinheit, einem Stromüberwachungsmodul und einer Montagehalterung. Sie werden typischerweise an Meerwassereinlässen, Unterwasser-Schleusen oder Rohrleitungsenden installiert, um eine schnelle Diffusion der Metallionen durch das gesamte System mit dem Meerwasser zu gewährleisten.

Anwendungsbereiche: Häfen und Kais in gemäßigten und subtropischen Meeresgebieten mit geringer bis mittlerer biologischer Aktivität, insbesondere geeignet für Stahlkonstruktionen zur Meerwasserkühlung, Kreislaufwassersysteme und die Sicherung von Liegeplatzpfählen. Beispielsweise wird dieses System in Häfen und Kais in Ost- und Nordchina aufgrund der moderaten Meerwassertemperatur und des langsamen Wachstums von Meeresorganismen häufig eingesetzt.

Wichtigste Auswahlkriterien: Das Elektrodenmaterial muss zum Gerätesubstrat passen – Sind die Anschlussrohre aus Stahl, sind Aluminiumanoden vorzuziehen (da sie Aluminiumhydroxid-Flocken erzeugen und so einen besseren Schutz bieten); sind die Rohre aus Aluminium oder Kupfer, müssen Eisenanoden verwendet werden, um elektrochemische Reaktionen zwischen der Elektrode und dem Substrat zu vermeiden, die die Korrosion verschlimmern könnten.

(II) Meerwasserelektrolyse Typ

Das MGPS-Meerwasserelektrolyseverfahren, auch bekannt als „Chlorelektrolyse“, nutzt die Elektrolyse von Meerwasser zur Erzeugung eines starken Oxidationsmittels, das marine Larven und Sporen direkt abtötet. Dies führt zu einer höheren Antifouling-Wirksamkeit und eignet sich besonders für biologisch aktive Meeresgebiete. Dieses System stellt höhere Anforderungen an die Elektrodenmaterialien, die stark korrosionsbeständig sein und eine hohe Elektrolyseeffizienz aufweisen müssen.

Kernkomponenten: Bestehend aus platinbeschichteten Titanelektroden (oder speziell entwickelten korrosionsbeständigen Elektroden), einem Elektrolysebehälter, einem Gleichstromnetzteil und einem Modul zur Überwachung der Oxidationsmittelkonzentration. Der Reaktionsbehälter ist die Kernkomponente und gewährleistet die vollständige Elektrolyse des Meerwassers zur Erzeugung einer stabilen Oxidationsmittelkonzentration.

Funktionsweise: Bei der Elektrolyse von Meerwasser entstehen starke Oxidationsmittel wie Chlor (Cl₂) und Hypochlorige Säure (HClO). Diese Substanzen besitzen stark bakterizide Eigenschaften und töten Algen und Muschellarven innerhalb kurzer Zeit ab. Die Antifouling-Wirksamkeit liegt bei über 95 %. Ein regelmäßiges Nachfüllen der Metallelektroden ist nicht erforderlich (lediglich die Platinbeschichtung muss instand gehalten werden).

Anwendungsbereiche: Häfen und Kais in tropischen, bioaktiven Meeren, wie beispielsweise in Südchina, Südostasien und dem Nahen Osten. Aufgrund hoher Wassertemperaturen, starker Sonneneinstrahlung und üppigem Meeresorganismus kommt es dort schnell zu Biofouling, weshalb Systeme dieser Art hohen Anforderungen an den Bewuchsschutz genügen müssen.

Vorsichtsmaßnahmen: Die Oxidationsmittelkonzentration muss in Echtzeit überwacht werden, um übermäßige Konzentrationen zu vermeiden, die Anlagen korrodieren oder die Meeresumwelt nach der Einleitung verschmutzen könnten. Einige Länder haben klare Grenzwerte für die Oxidationsmittelkonzentrationen in Meerwasser-Elektrolyseanlagen (MGPS) festgelegt (z. B. eine maximale Konzentration von 0.5 mg/l bei Einzelableitungen).

(III) Komposit-MGPS

Das MGPS-Komposit ist ein verbessertes Produkt, das die Vorteile der beiden oben genannten Typen vereint. Durch einen dualen Prozess – „Elektrolyse von Metallionen + Elektrolyse von Meerwasser“ – hemmt es sowohl das Wachstum mariner Biomasse als auch verbessert die Korrosionsbeständigkeit der Anlagen. Es eignet sich für große Hafenterminals mit stark schwankender biologischer Aktivität und komplexen Anlagentypen.

Hauptvorteile: Der Betriebsmodus kann an saisonale Veränderungen und die biologische Aktivität im Meer angepasst werden – Umschaltung auf Meerwasserelektrolyse im Sommer, wenn das biologische Wachstum stark ist, um die Sterilisationseffizienz zu verbessern; Umschaltung auf Metallionenelektrolyse im Winter, wenn das biologische Wachstum langsam ist, um den Energieverbrauch zu reduzieren und die Lebensdauer der Elektroden zu verlängern.

Anwendungsbeispiele: Große globale Drehkreuzhäfen wie der Hafen von Singapur und der Hafen von Dubai setzen häufig kombinierte MGPS-Systeme ein, um einen Schutz für alle Szenarien und Jahreszeiten zu gewährleisten. Grund dafür sind die unterschiedlichen Arten von Hafenanlagen (einschließlich Kühlsystemen, Meerwasserentsalzungsanlagen und Containerterminalausrüstung) sowie die erheblichen saisonalen Schwankungen der marinen biologischen Aktivität.

Funktionsprinzip von MGPS-Systemen

Das grundlegende Funktionsprinzip von MGPS-Systemen ist die Elektrolyse. An die Elektroden wird ein stabiler Gleichstrom angelegt, wobei Meerwasser als Elektrolyt dient. Dies löst eine Redoxreaktion aus, die Substanzen mit Antifouling- und Korrosionsschutzwirkung erzeugt. Verschiedene MGPS-Systeme nutzen unterschiedliche Elektrolyseprozesse, die im Folgenden detailliert beschrieben werden:

(I) Funktionsprinzip von elektrolytischen Metallionen-MGPS

Dieses System erzielt Schutz durch einen dualen Mechanismus aus „Metallionen-Antifouling + Hydroxid-Flockungsmittel-Korrosionsschutz“. Der Reaktionsprozess lässt sich in drei Kernphasen unterteilen:

Kupferanodische Oxidationsreaktion (Kern des Antifouling-Effekts): Unter dem Einfluss einer Gleichstromquelle findet an der Kupferanode eine Oxidationsreaktion statt. Kupferatome geben Elektronen ab und lösen sich im Meerwasser, wodurch Kupferionen (Cu²⁺) entstehen. Die Reaktionsgleichung lautet: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Ab einer Kupferionenkonzentration von 2 μg/L (2 mg/m³) im Meerwasser wird die Zellteilung und das Wachstum von Algen und Muschellarven wirksam gehemmt. Dadurch wird verhindert, dass sich diese an den Innenwänden von Rohren oder an Oberflächen von Anlagen anhaften, und die Entstehung von Biofouling wird somit an der Wurzel unterbunden. Die Kupferionen wirken gezielt gegen Meereslarven und haben minimale Auswirkungen auf das marine Ökosystem, wodurch die Anforderungen an den Umweltschutz erfüllt werden.

Aluminium-/Eisen-Anodisierungsreaktion (Kern des Korrosionsschutzes): Die Aluminiumanode (bzw. Eisenanode) durchläuft gleichzeitig eine Oxidationsreaktion, bei der Aluminiumatome Elektronen abgeben und Aluminiumionen (Al³⁺) bilden. Die Reaktionsgleichung lautet: Al → Al³⁺ + 3e⁻. Diese Aluminiumionen verbinden sich mit Hydroxidionen (OH⁻) im Meerwasser zu Aluminiumhydroxid-Flocken (Al(OH)₃). Diese Flocken sind hochviskos und haften durch den Meerwasserstrom an den Innenwänden von Rohren, Unterwasser-Schleusen und Pfahlgründungen, wo sie einen dichten Schutzfilm von ca. 0.1–0.3 mm Dicke bilden.

Kathodische Reduktionsreaktion: Die Eisenkathode im System fungiert als Kathode und unterliegt einer Reduktionsreaktion. Wassermoleküle nehmen an der Kathodenoberfläche Elektronen auf, wodurch Wasserstoffgas (H₂) und Hydroxidionen (OH⁻) entstehen. Die Reaktionsgleichung lautet: 3H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Diese Reaktion gewährleistet nicht nur den stabilen Betrieb des Elektrolysekreislaufs, sondern reduziert durch das Prinzip des kathodischen Korrosionsschutzes auch das Potenzial umgebender Metallkomponenten, erhöht die Elektronendichte an deren Oberfläche und hemmt so die Korrosion der Komponenten durch Meerwasser. Dadurch wird ein synergistischer Effekt von „Antifouling + Antikorrosion“ erzielt.

(II) Funktionsprinzip der Meerwasserelektrolyse vom Typ MGPS

Kernstück dieses Systems ist die „Elektrolyse von Meerwasser zur Erzeugung eines starken Oxidationsmittels, das Meeresorganismen abtötet“. Der Reaktionsprozess findet im Elektrolysebehälter konzentriert statt, was eine bessere Kontrollierbarkeit ermöglicht.

Meerwasserelektrolyse: Angetrieben von einer Gleichstromquelle bilden eine platinbeschichtete Titanelektrode (Anode) und eine Kathode einen Elektrolysekreis. Meerwasser (das Natriumchlorid enthält) reagiert an der Elektrodenoberfläche elektrolytisch. An der Anode entsteht Chlorgas (Cl₂) gemäß der Reaktionsgleichung: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑; an der Kathode entstehen Wasserstoffgas (H₂) und Hydroxidionen (OH⁻) gemäß der Reaktionsgleichung: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Oxidationsmittelbildung: Das an der Anode erzeugte Chlorgas reagiert mit Meerwasser zu Hypochloriger Säure (HClO) und Natriumhypochlorit (NaClO). Die Reaktionsgleichungen lauten: Cl₂ + H₂O → HClO + HCl, Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O. Hypochlorige Säure und Natriumhypochlorit sind starke Oxidationsmittel, die die Zellmembranen von Meereslarven zerstören und deren Atmungsenzymaktivität hemmen. Dadurch sterben Algen und Muschellarven innerhalb von 10–20 Sekunden ab. Diese Antifouling-Wirkung ist deutlich schneller als die von elektrolytischen Metallionensystemen.

Konzentrationsregelung: Die Gleichstrom-Steuereinheit passt den Elektrolysestrom automatisch an die Meerwasserströmung und die Daten zur biologischen Aktivität an, um sicherzustellen, dass die Oxidationsmittelkonzentration in einem sicheren Bereich von 0.2–0.5 mg/l gehalten wird. Eine zu niedrige Konzentration erzielt nicht die gewünschte Antifouling-Wirkung, während eine zu hohe Konzentration die Metalloberfläche der Rohrinnenwand korrodiert und nach der Meerwasserableitung zu Meeresverschmutzung führen kann.

MGPS-Systemkernanwendungen

Die Anwendungsszenarien von MGPS-Systemen in Hafenterminals decken die gesamte Wertschöpfungskette von „Meerwasseraufbereitung über Anlagenschutz bis hin zur Einhaltung ökologischer Vorschriften“ ab. Ihr Kern besteht aus drei Hauptkategorien: Meerwasserkühlsysteme, Unterwasserinfrastruktur und spezielle Betriebsausrüstung.

(I) Schutz des Meerwasserkühlsystems

Meerwasserkühlsysteme gehören zu den energieintensivsten Anlagen in Hafenterminals und werden hauptsächlich zur Kühlung von Containerkränen, Stromaggregaten und Kühlcontainern eingesetzt. MGPS-Systeme (Massive Gas Protection Systems) stellen in diesem Zusammenhang die wichtigste Schutzmethode dar und decken 45 % des gesamten MGPS-Bedarfs in Häfen ab.

Einbauort: Die Elektroden werden am Einlassrohr oder am vorderen Ende des Kühlturms des Meerwasserkühlsystems installiert, um sicherzustellen, dass Metallionen oder Oxidationsmittel mit dem Meerwasser in die Kühlrohre und Wärmetauscher gelangen und den gesamten Kühlkreislauf abdecken.

Systemkonfiguration: Für Häfen in gemäßigten Klimazonen wird der Typ „Elektrolytische Metallionen“ (Kupfer + Aluminiumanode) verwendet, für tropische Häfen der Typ „Elektrolytisches Meerwasser“ (platinierte Titanelektroden). Bei großen Kühlsystemen (z. B. der Kühlung von Generatoraggregaten) sind mehrere Elektrodensätze erforderlich, um eine vollständige Abdeckung des Schutzbereichs zu gewährleisten.

(II) Schutz von U-Boot-Schleusen und Pipelines

Schleusen (zur Regulierung des Meerwasserzu- und -abflusses) und Meerwasserleitungen in Hafenterminals sind häufig von Biofouling betroffen. Muscheln und Algen, die sich in den Spalten der Schleusen und an den Innenwänden der Leitungen festsetzen, können zu Problemen beim Öffnen und Schließen der Schleusen sowie zu Verstopfungen der Leitungen führen. In schweren Fällen kann dies einen Meerwasserrückfluss verursachen und den normalen Hafenbetrieb beeinträchtigen.

Installationsverfahren: Elektroden für U-Boot-Schleusen werden an beiden Seiten und am Boden der Schleusen mittels einer Einbaumethode installiert, um das Öffnen und Schließen der Schleuse nicht zu beeinträchtigen. Elektroden für Meerwasserleitungen werden am Rohrleitungseinlass ringförmig angeordnet, um eine gleichmäßige Diffusion von Metallionen an die Innenwand der Rohrleitung zu gewährleisten.

Wichtige Schutzaspekte: Neben dem Antifouling muss der Korrosionsschutz verstärkt werden. U-Boot-Schleusen bestehen größtenteils aus Stahl und sind aufgrund des langfristigen Eintauchens in Meerwasser (das Salze und Chloridionen enthält) stark korrosionsanfällig. Daher müssen Aluminiumanoden verwendet werden. Die entstehenden Aluminiumhydroxid-Flocken bilden einen dichten Schutzfilm auf der Schleusenoberfläche. In Kombination mit kathodischem Korrosionsschutz wird die Korrosionsrate dadurch reduziert.

(III) Schutz der Liegeplatzpfähle

Fundamente und Kaianlagen: Pfahlgründungen und Kaianlagen in Hafenterminals sind ständig dem Meerwasser ausgesetzt und daher nicht nur von Bewuchs, sondern auch von Festigkeitsverlusten durch Meerwasserkorrosion und Gezeitenerosion betroffen, was die Kaisicherheit beeinträchtigt. Das MGPS-System verlängert die Lebensdauer von Pfahlgründungen und Kaianlagen durch doppelten Schutz vor Bewuchs und Korrosion.

Systemkonfiguration: Das System nutzt elektrolytische Metallionen-basierte MGPS (Metall-Photovoltaik-System). Kupferanoden dienen der Verhinderung von Bewuchs und Aluminiumanoden dem Korrosionsschutz. Die Elektroden sind am Fuß und in der Mitte der Pfahlgründung (im Gezeitenbereich) installiert, um einen Schutz der korrosionsgefährdeten Bereiche zu gewährleisten.

Schutzwirkung: Nach der Installation des MGPS-Systems kann die Biofouling-Rate auf der Pfahlgründungsoberfläche auf unter 10 % gesenkt werden, die Korrosionsrate sinkt von 0.2 mm/Jahr auf unter 0.05 mm/Jahr, und die Nutzungsdauer der Pfahlgründung verlängert sich von 20 auf 30–35 Jahre. Beispielsweise traten an den Pfahlgründungen der Containerliegeplätze im Hafen von Dubai nach der Installation des MGPS-Systems innerhalb von 10 Jahren keine nennenswerten Korrosions- oder Biofouling-Symptome auf, und die Tragfähigkeit blieb erhalten.

Wichtige Wartungshinweise: Überprüfen Sie regelmäßig den Elektrodenverschleiß. Die Lebensdauer von Kupferanoden beträgt ca. 3–5 Jahre, die von Aluminiumanoden ca. 2–3 Jahre. Elektroden mit einem Verschleiß von über 70 % sollten umgehend ausgetauscht werden, um einen zuverlässigen Schutz zu gewährleisten.

(IV) Schutz der Meerwasserentsalzung

Einige große Hafenterminals sind mit Meerwasserentsalzungsanlagen (für das Brauchwasser und die Anlagenreinigung) sowie mit Meerwasser-Feuerlöschanlagen und Wasserinjektionsleitungen für Ölfelder (in den Industriegebieten des Hafens) ausgestattet. Diese Anlagen stellen hohe Anforderungen an die Wasserqualität, und Biofouling kann zu Anlagenausfällen und einer Verschlechterung der Wasserqualität führen, weshalb ein gezielter Schutz durch das MGPS-System erforderlich ist.

Meerwasserentsalzungsanlage: In der Meerwasservorbehandlungsstufe der Entsalzungsanlage wird eine elektrolytische Meerwasserentsalzungsanlage (MGPS) eingesetzt. Diese erzeugt ein starkes Oxidationsmittel, um Meeresorganismen abzutöten und so deren Eindringen in die Umkehrosmosemembran sowie deren Verstopfung und Beschädigung zu verhindern (die Kosten für den Austausch von Umkehrosmosemembranen sind extrem hoch und erreichen Millionen von Yuan pro Austausch).

Meerwasser-Feuerlöschsystem: Es wird ein elektrolytisches Metallionen-Feuerlöschsystem (MGPS) verwendet. Am Einlauf des Meerwasser-Feuerlöschtanks sind Elektroden installiert, um eine biologische Anhaftung an der Tankinnenwand zu verhindern und so eine Unterbrechung der regulären Meerwasserzufuhr durch Verstopfung der Rohrleitung im Brandfall zu vermeiden.

Wassereinspritzleitungen im Industriegebiet Lingang: Der geeignete Systemtyp wird auf der Grundlage der marinen biologischen Aktivität ausgewählt, wobei der Schwerpunkt auf dem Schutz der Innenwand der Rohrleitung liegt, um Biofouling zu verhindern, das den Wasserdurchfluss verringern und die Produktionseffizienz der Lingang-Fabriken beeinträchtigen könnte.