Anode MGPS pour terminaux de port

Dans les environnements constamment immergés dans l'eau de mer, les systèmes de refroidissement portuaires et terminaux, les conduites d'eau en circuit fermé, les écluses sous-marines, les fondations des postes d'amarrage et divers équipements marins sont tous confrontés à de graves problèmes liés à la bio-encrassement marin : les balanes, les coquillages, les algues et autres organismes marins adhèrent continuellement aux surfaces des équipements et aux parois internes des tuyaux, formant une couche de bio-encrassement difficile à éliminer.

Système de prévention de la prolifération marine (MGPS) Cette technologie est essentielle pour résoudre les problèmes de biofouling et de corrosion dans les installations portuaires et terminalières. Grâce à un principe d'électrolyse scientifique, elle assure une double protection contre le biofouling et la corrosion et est devenue un système indispensable à la construction, à l'exploitation et à la maintenance des infrastructures portuaires et terminalières modernes.

Types de systèmes MGPS

En fonction de l'environnement marin des terminaux portuaires (température de l'eau, activité biologique, etc.), des matériaux des équipements (acier, aluminium, etc.) et des exigences de protection, les systèmes MGPS se répartissent principalement en deux grandes catégories. Chaque catégorie se distingue nettement par les matériaux des électrodes, les modes de fonctionnement et les cas d'utilisation, ce qui nécessite un choix précis en fonction des besoins spécifiques.

(I) MGPS de type électrolytique à ions métalliques

Le système de protection contre l'encrassement par électrolyse à ions métalliques est actuellement le plus répandu dans les ports, représentant plus de 70 % du marché. Ses principaux atouts résident dans sa structure simple, son fonctionnement stable, son large spectre de protection et ses fonctions simultanées d'anti-encrassement et d'anti-corrosion. Ce système utilise le cuivre, l'aluminium et le fer comme matériaux d'électrode, et une réaction électrolytique, alimentée en courant continu, libère des ions métalliques et des floculants d'hydroxyde, formant ainsi une double couche protectrice.

Composants principaux : Comprend principalement un anode en cuivre, aluminiumL'électrode comprend une anode en fer, une unité de commande CC, un module de surveillance du courant et un support de montage. Elle est généralement installée aux entrées d'eau de mer, aux vannes sous-marines ou aux extrémités des pipelines afin de garantir une diffusion rapide des ions métalliques dans tout le système avec l'eau de mer.

Scénarios d'application : Ports et quais des zones maritimes tempérées et subtropicales à faible ou moyenne activité biologique, particulièrement adaptés aux conduites de refroidissement d'eau de mer en acier, aux systèmes de circulation d'eau et à la protection des fondations sur pieux des quais. Par exemple, les ports et quais de l'est et du nord de la Chine utilisent fréquemment ce type de système en raison de la température modérée de l'eau de mer et du faible taux de croissance des organismes marins.

Critères de sélection clés : Le matériau de l’électrode doit correspondre au substrat de l’équipement – ​​Si les tuyaux du port sont en acier, les anodes en aluminium sont préférables (générant des flocons d’hydroxyde d’aluminium, offrant une meilleure protection) ; si les tuyaux sont en aluminium ou en cuivre, des anodes en fer doivent être utilisées pour éviter les réactions électrochimiques entre l’électrode et le substrat, qui pourraient aggraver la corrosion.

(II) Type d'électrolyse de l'eau de mer

Le système MGPS à électrolyse de l'eau de mer, également appelé « système à électrolyse du chlore », fonctionne par électrolyse de l'eau de mer pour générer un puissant oxydant qui détruit directement les larves et les spores marines. Il en résulte une efficacité antisalissure accrue et une meilleure adéquation aux zones marines à forte activité biologique. Ce type de système exige des matériaux d'électrodes plus performants, résistants à une forte corrosion et présentant un rendement d'électrolyse élevé.

Composants principaux : L’appareil est composé d’électrodes en titane platiné (ou d’électrodes résistantes à la corrosion spécialement conçues), d’une cuve de réaction électrolytique, d’une alimentation électrique CC et d’un module de contrôle de la concentration d’oxydant. La cuve de réaction, composant essentiel, assure l’électrolyse complète de l’eau de mer et la production d’une concentration stable d’oxydant.

Caractéristiques de fonctionnement : L’électrolyse de l’eau de mer produit de puissants oxydants tels que le chlore (Cl₂) et l’acide hypochloreux (HClO). Ces substances possèdent de fortes propriétés bactéricides, capables d’éliminer rapidement les algues et les larves de coquillages, assurant ainsi une efficacité antisalissure supérieure à 95 %. Aucun remplacement périodique des électrodes métalliques n’est nécessaire (seul l’entretien de la couche de platine est requis).

Scénarios d'application : Ports et quais situés dans des mers tropicales à forte activité biologique, comme celles du sud de la Chine, d'Asie du Sud-Est et du Moyen-Orient. En raison des températures élevées de l'eau, de l'ensoleillement abondant et de la prolifération rapide de la faune et de la flore marines, ce type de système nécessite une protection anti-salissure performante.

Précautions : La concentration d’oxydant doit être surveillée en temps réel afin d’éviter les concentrations excessives susceptibles de corroder les équipements ou de polluer le milieu marin après rejet. Certains pays ont établi des normes claires concernant les concentrations d’oxydant rejetées par les unités d’électrolyse de l’eau de mer de type MGPS (par exemple, une concentration de rejet unique ne dépassant pas 0.5 mg/L).

(III) MGPS composite

Le MGPS composite est un produit amélioré qui combine les avantages des deux types mentionnés précédemment. Grâce à un double mode de fonctionnement (« électrolyse des ions métalliques + électrolyse de l'eau de mer »), il permet à la fois d'inhiber la prolifération biologique marine et d'améliorer la résistance à la corrosion des équipements. Il est particulièrement adapté aux grands terminaux portuaires présentant d'importantes variations d'activité biologique et aux équipements complexes.

Principaux avantages : Le mode de fonctionnement peut être ajusté en fonction des variations saisonnières et de l’activité biologique marine : passage en mode d’électrolyse de l’eau de mer pendant l’été, lorsque la croissance biologique est vigoureuse, pour améliorer l’efficacité de la stérilisation ; passage en mode d’électrolyse des ions métalliques pendant l’hiver, lorsque la croissance biologique est lente, pour réduire la consommation d’énergie et prolonger la durée de vie des électrodes.

Cas d'application : Les principaux ports de transit mondiaux, tels que le port de Singapour et le port de Dubaï, utilisent souvent des systèmes MGPS composites pour assurer une protection en toutes circonstances et en toutes saisons en raison de la diversité des équipements portuaires (notamment les systèmes de refroidissement, les dispositifs de dessalement d'eau de mer et les équipements de terminaux à conteneurs) et des importantes fluctuations saisonnières de l'activité biologique marine.

Principe de fonctionnement des systèmes MGPS

Le principe de fonctionnement des systèmes MGPS repose sur l'électrolyse. Un courant continu stable est appliqué aux électrodes, l'eau de mer servant d'électrolyte. Cette réaction d'oxydoréduction génère des substances aux propriétés antisalissures et anticorrosion. Les différents types de systèmes MGPS utilisent des procédés d'électrolyse spécifiques, détaillés ci-dessous :

(I) Principe de fonctionnement d'un générateur électrolytique à ions métalliques MGPS

Ce type de système assure la protection grâce à un double mécanisme « anti-encrassement par ions métalliques + anticorrosion par floculation à base d'hydroxydes ». Le processus de réaction peut être divisé en trois étapes principales :

Réaction d'oxydation anodique du cuivre (élément central de l'antifouling) : Sous l'action d'une alimentation en courant continu, l'anode en cuivre subit une réaction d'oxydation. Les atomes de cuivre perdent des électrons et se dissolvent dans l'eau de mer, générant des ions cuivre (Cu²⁺). La formule de la réaction est : Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Lorsque la concentration d'ions cuivre dans l'eau de mer atteint 2 µg/L (2 mg/m³), elle inhibe efficacement la division cellulaire et la croissance des algues et des larves de crustacés, les empêchant d'adhérer aux parois internes des canalisations ou à la surface des équipements, et bloquant ainsi la formation de biofouling à la source. Les ions cuivre présentent une toxicité ciblée, efficace uniquement contre les larves marines, avec un impact minimal sur l'écosystème marin, répondant ainsi aux exigences de protection de l'environnement.

Réaction d'anodisation aluminium/fer (élément clé de la protection contre la corrosion) : L'anode en aluminium (ou en fer) subit une réaction d'oxydation simultanée, les atomes d'aluminium perdant des électrons pour former des ions aluminium (Al³⁺). La formule de la réaction est : Al → Al³⁺ + 3e⁻. Ces ions aluminium se combinent aux ions hydroxyde (OH⁻) présents dans l'eau de mer pour former des flocons d'hydroxyde d'aluminium (Al(OH)₃). Ces flocons, très visqueux, adhèrent aux parois internes des canalisations, des vannes sous-marines et des fondations sur pieux sous l'effet du courant marin, formant un film protecteur dense d'environ 0.1 à 0.3 mm d'épaisseur.

Réaction de réduction cathodique : La cathode en fer du système joue le rôle de cathode et subit une réaction de réduction. Les molécules d’eau captent des électrons à la surface de la cathode, générant du dihydrogène (H₂) et des ions hydroxyde (OH⁻). L’équation de la réaction est : 3H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Cette réaction assure non seulement le fonctionnement stable du circuit d’électrolyse, mais aussi, grâce au principe de protection cathodique, réduit le potentiel des équipements métalliques environnants, augmente la densité électronique à leur surface et inhibe la corrosion par l’eau de mer, assurant ainsi un effet synergique « anti-encrassement + anti-corrosion ».

(II) Principe de fonctionnement de l'électrolyseur d'eau de mer de type MGPS

Le principe de base de ce type de système est « l’électrolyse de l’eau de mer pour générer un puissant oxydant, tuant les organismes marins ». Le processus de réaction est concentré dans la cuve d’électrolyse, offrant ainsi un meilleur contrôle.

Électrolyse de l'eau de mer : alimentée par un courant continu, une électrode en titane platiné (anode) et une cathode forment un circuit d'électrolyse. L'eau de mer (contenant du chlorure de sodium) subit une réaction d'électrolyse à la surface des électrodes. Du chlore gazeux (Cl₂) est produit à l'anode, selon la réaction : 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑ ; du dihydrogène (H₂) et des ions hydroxyde (OH⁻) sont produits à la cathode, selon la réaction : 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Génération d'oxydants : Le chlore gazeux produit à l'anode réagit avec l'eau de mer pour former de l'acide hypochloreux (HClO) et de l'hypochlorite de sodium (NaClO), selon les équations de réaction suivantes : Cl₂ + H₂O → HClO + HCl, Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O. L'acide hypochloreux et l'hypochlorite de sodium sont de puissants oxydants capables de détruire les membranes cellulaires des larves marines et d'inhiber l'activité de leurs enzymes respiratoires, tuant ainsi les larves d'algues et de crustacés en 10 à 20 secondes. Cette action anti-salissure est beaucoup plus rapide que celle des systèmes électrolytiques à ions métalliques.

Contrôle de la concentration : L’unité de contrôle CC ajuste automatiquement le courant d’électrolyse en fonction du débit d’eau de mer et des données d’activité biologique afin de maintenir la concentration d’oxydant dans une plage de sécurité de 0.2 à 0.5 mg/L. Une concentration trop faible ne permettra pas d’obtenir l’effet antisalissure souhaité, tandis qu’une concentration trop élevée corrodera le substrat métallique de la paroi interne du tuyau et pourrait également entraîner une pollution marine après le rejet d’eau de mer.

Applications principales du système MGPS

Les scénarios d'application des systèmes MGPS dans les terminaux portuaires couvrent l'ensemble de la chaîne « traitement de l'eau de mer – protection des équipements – conformité environnementale ». Ils s'articulent autour de trois grandes catégories : les systèmes de refroidissement de l'eau de mer, les infrastructures sous-marines et les équipements d'opérations spéciales.

(I) Protection du système de refroidissement à l'eau de mer

Les systèmes de refroidissement à eau de mer constituent des équipements énergivores essentiels dans les terminaux portuaires, principalement utilisés pour refroidir les pont roulants, les groupes électrogènes et les conteneurs frigorifiques. Les systèmes MGPS représentent la principale méthode de protection dans ce contexte, couvrant 45 % de la demande totale en MGPS dans les ports.

Emplacement d'installation : Les électrodes sont installées sur le tuyau d'entrée ou à l'extrémité avant de la tour de refroidissement du système de refroidissement à l'eau de mer, garantissant ainsi que les ions métalliques ou les oxydants puissent pénétrer dans les tuyaux de refroidissement et les échangeurs de chaleur avec l'eau de mer, couvrant ainsi l'ensemble du circuit de refroidissement.

Configuration du système : Le type électrolytique à ions métalliques (anode en cuivre + aluminium) est utilisé pour les ports tempérés, et le type électrolytique à eau de mer (électrodes en titane platiné) est utilisé pour les ports tropicaux ; pour les grands systèmes de refroidissement (tels que le refroidissement des groupes électrogènes), plusieurs jeux d’électrodes sont nécessaires pour assurer une couverture complète de la zone de protection.

(II) Protection des écluses et des pipelines sous-marins

Les écluses sous-marines (utilisées pour contrôler les flux d'eau de mer entrants et sortants) et les canalisations d'eau de mer des terminaux portuaires constituent des zones importantes de biofouling. Les coquillages et les algues qui adhèrent aux interstices des écluses et aux parois internes des canalisations peuvent entraîner des difficultés d'ouverture et de fermeture des écluses, ainsi que des obstructions dans les canalisations. Dans les cas les plus graves, cela peut provoquer un reflux d'eau de mer, perturbant ainsi le fonctionnement normal du port.

Méthode d'installation : Les électrodes pour écluses de sous-marins sont installées de part et d'autre et au fond des écluses par encastrement afin de ne pas gêner leur ouverture et leur fermeture. Les électrodes pour canalisations d'eau de mer sont installées à l'entrée de la canalisation, disposées en anneau, pour assurer une diffusion uniforme des ions métalliques vers la paroi interne de la canalisation.

Points clés de protection : Outre l’antifouling, la protection contre la corrosion doit être renforcée. Les écluses de sous-marins, majoritairement en acier, sont très sensibles à la corrosion du fait de leur immersion prolongée dans l’eau de mer (contenant du sel et des ions chlorure). C’est pourquoi l’utilisation d’anodes en aluminium est indispensable. Les flocons d’hydroxyde d’aluminium ainsi formés constituent un film protecteur dense à la surface de l’écluse. Associée à une protection cathodique, cette technique permet de réduire la vitesse de corrosion.

(III) Protection des pieux de quai

Les fondations sur pieux et les défenses de quai des terminaux portuaires sont constamment immergées dans l'eau de mer, exposées non seulement à la bio-encrassement, mais aussi à la dégradation de leur résistance structurelle due à la corrosion marine et à l'érosion par les marées, ce qui compromet la sécurité des quais. Le système MGPS prolonge la durée de vie des fondations sur pieux et des structures de quai grâce à une double protection « anti-encrassement + anti-corrosion ».

Configuration du système : Ce système utilise un plasma de silice mésoporeux (MGPS) à ions métalliques électrolytiques. Des anodes en cuivre assurent la protection contre l’encrassement et des anodes en aluminium la protection contre la corrosion. Les électrodes sont installées à la base et au milieu de la fondation sur pieux (dans la zone soumise aux marées) afin de garantir une protection optimale des zones critiques exposées à la corrosion.

Effet protecteur : Après l’installation du système MGPS, le taux d’encrassement biologique à la surface des fondations sur pieux est maintenu en dessous de 10 %, le taux de corrosion diminue de 0.2 mm/an à moins de 0.05 mm/an et la durée de vie des fondations est prolongée de 20 à 30-35 ans. Par exemple, dans les fondations sur pieux des quais à conteneurs du port de Dubaï, après l’installation du système MGPS, aucune corrosion ni encrassement biologique significatif n’a été observé pendant 10 ans et la résistance structurelle est restée optimale.

Points clés de maintenance : Contrôlez régulièrement l’usure des électrodes. La durée de vie des anodes en cuivre est d’environ 3 à 5 ans, et celle des anodes en aluminium d’environ 2 à 3 ans. Les électrodes dont l’usure dépasse 70 % doivent être remplacées rapidement afin de garantir une protection optimale.

(IV) Protection du dessalement de l'eau de mer

Certains grands terminaux portuaires sont équipés d'unités de dessalement d'eau de mer (pour l'alimentation en eau potable et le nettoyage des équipements portuaires), ainsi que de systèmes d'eau de mer pour la lutte contre l'incendie et de canalisations d'injection d'eau pour les champs pétrolifères (dans les zones industrielles portuaires). Ces installations sont soumises à des exigences strictes en matière de qualité de l'eau, et la bio-encrassement peut entraîner des défaillances d'équipement et une dégradation de la qualité de l'eau, nécessitant une protection ciblée par le système MGPS.

Unité de dessalement d'eau de mer : Un système électrolytique MGPS de type eau de mer est sélectionné et installé à l'étape de prétraitement de l'eau de mer de l'unité de dessalement. Il génère un puissant oxydant pour détruire les organismes marins, les empêchant ainsi de pénétrer dans la membrane d'osmose inverse et de provoquer son colmatage et sa détérioration (le coût de remplacement des membranes d'osmose inverse est extrêmement élevé, atteignant plusieurs millions de yuans par remplacement).

Système d'eau de mer pour la lutte contre l'incendie : Un système MGPS de type électrolytique à ions métalliques est utilisé. Des électrodes sont installées à l'entrée du réservoir de stockage d'eau de mer pour la lutte contre l'incendie afin d'éviter toute adhésion biologique sur la paroi interne du réservoir, ce qui permettrait de prévenir l'obstruction de la canalisation et, par conséquent, l'arrêt de l'alimentation en eau de mer en cas d'incendie.

Canalisations d'injection d'eau dans la zone industrielle de Lingang : Le type de système approprié est sélectionné en fonction de l'activité biologique marine, en mettant l'accent sur la protection de la paroi intérieure de la canalisation afin d'éviter l'encrassement biologique qui pourrait réduire le débit d'eau et impacter l'efficacité de production des usines de Lingang.