Anodo MGPS per terminali di porta

Negli ambienti costantemente immersi nell'acqua di mare, i sistemi di raffreddamento dei porti e dei terminal, le condutture dell'acqua circolante, le chiuse sottomarine, le fondamenta degli ormeggi e varie attrezzature marine devono affrontare gravi sfide a causa del biofouling marino: cirripedi, molluschi, alghe e altri organismi marini aderiscono continuamente alle superfici delle attrezzature e alle pareti interne delle tubazioni, formando uno strato di biofouling difficile da rimuovere.

Sistema di prevenzione della crescita marina (MGPS) è una tecnologia fondamentale per risolvere i problemi di biofouling e corrosione nelle strutture portuali e dei terminal. Attraverso un principio scientifico di elettrolisi, garantisce una doppia protezione contro il fouling e la corrosione, ed è diventato un sistema essenziale per la costruzione, la gestione e la manutenzione delle moderne infrastrutture portuali e dei terminal.

Tipi di sistemi MGPS

In base all'ambiente marino dei terminal portuali (ad esempio, temperatura dell'acqua di mare, attività biologica), ai materiali delle apparecchiature (acciaio, alluminio, ecc.) e ai requisiti di protezione, i sistemi MGPS si dividono principalmente in due tipologie principali. Ogni tipologia differisce significativamente nei materiali degli elettrodi, nelle modalità operative e negli scenari applicabili, richiedendo una selezione precisa in base alle esigenze effettive.

(I) Ione metallico elettrolitico tipo MGPS

Il tipo elettrolitico a ioni metallici è attualmente il tipo MGPS più utilizzato nei porti, rappresentando oltre il 70% della quota di mercato della protezione portuale. I suoi principali vantaggi risiedono nella struttura semplice, nel funzionamento stabile, nell'ampio intervallo di protezione e nelle funzioni simultanee anti-incrostazione e anti-corrosione. Questo tipo di sistema utilizza rame, alluminio e ferro come materiali per l'elettrodo centrale, innescando una reazione elettrolitica tramite un alimentatore a corrente continua per rilasciare ioni metallici e flocculanti di idrossido, formando un doppio strato protettivo.

Componenti principali: include principalmente un anodo di rame, alluminio/anodo di ferro, unità di controllo CC, modulo di monitoraggio della corrente e staffa di montaggio. Gli elettrodi vengono solitamente installati in corrispondenza delle prese d'acqua di mare, delle paratoie sottomarine o delle estremità delle condotte per garantire che gli ioni metallici possano diffondersi rapidamente nel sistema con l'acqua di mare.

Scenari applicabili: Porti e banchine in zone marine temperate e subtropicali con attività biologica da bassa a media, particolarmente adatti per tubazioni di raffreddamento dell'acqua di mare in acciaio, sistemi di circolazione dell'acqua e protezione delle fondazioni dei pali di ormeggio. Ad esempio, porti e banchine nella Cina orientale e settentrionale utilizzano spesso questo tipo di sistema a causa della temperatura moderata dell'acqua di mare e del lento tasso di crescita degli organismi marini.

Criteri chiave di selezione: il materiale dell'elettrodo deve corrispondere al substrato dell'apparecchiatura. Se i tubi delle porte sono in acciaio, sono preferibili gli anodi in alluminio (che generano flocculanti di idrossido di alluminio, garantendo una migliore protezione); se i tubi sono in alluminio o rame, devono essere utilizzati anodi in ferro per evitare reazioni elettrochimiche tra l'elettrodo e il substrato, che potrebbero esacerbare la corrosione.

(II) Tipo di elettrolisi dell'acqua di mare

Elettrolisi dell'acqua di mare MGPS Il sistema MGPS, noto anche come "elettrolisi del cloro", funziona elettrolizzando l'acqua di mare per generare un potente ossidante che uccide direttamente larve e spore marine, con conseguente maggiore efficienza antifouling e idoneità per aree marine altamente biologicamente attive. Questo tipo di sistema richiede materiali per gli elettrodi più resistenti alla corrosione e con un'elevata efficienza di elettrolisi.

Componenti principali: Composto da elettrodi in titanio placcati in platino (o elettrodi resistenti alla corrosione appositamente progettati), un serbatoio di reazione elettrolitica, un alimentatore CC e un modulo di monitoraggio della concentrazione dell'ossidante. Il serbatoio di reazione è il componente principale, che garantisce l'elettrolisi completa dell'acqua di mare per generare una concentrazione stabile di ossidante.

Caratteristiche operative: l'elettrolisi dell'acqua di mare produce forti ossidanti come il cloro (Cl₂) e l'acido ipocloroso (HClO). Queste sostanze hanno forti proprietà battericide, in grado di uccidere alghe e larve di molluschi in breve tempo, raggiungendo un'efficienza antifouling superiore al 95%. Non è necessario alcun rabbocco periodico degli elettrodi metallici (è richiesta solo la manutenzione dello strato di placcatura in platino).

Scenari applicabili: Porti e banchine in mari tropicali altamente bioattivi, come quelli della Cina meridionale, del Sud-est asiatico e del Medio Oriente. A causa delle elevate temperature dell'acqua, dell'abbondante luce solare e della vigorosa crescita della vita marina, il biofouling si verifica rapidamente, rendendo necessario questo tipo di sistema per soddisfare i requisiti antifouling ad alta intensità.

Precauzioni: la concentrazione di ossidante deve essere monitorata in tempo reale per evitare concentrazioni eccessive che potrebbero corrodere le apparecchiature o inquinare l'ambiente marino dopo lo scarico. Alcuni paesi hanno stabilito standard chiari per le concentrazioni di ossidante nello scarico di MGPS di tipo elettrolisi dell'acqua di mare (ad esempio, concentrazione di scarico singolo non superiore a 0.5 mg/L).

(III) MGPS composito

Il MGPS composito è un prodotto migliorato che combina i vantaggi dei due tipi sopra menzionati. Attraverso una duplice modalità di "elettrolisi degli ioni metallici + elettrolisi dell'acqua di mare", può inibire la crescita biologica marina e migliorare la resistenza alla corrosione delle apparecchiature. È adatto per grandi terminal portuali con ampie fluttuazioni dell'attività biologica e tipologie di apparecchiature complesse.

Vantaggi principali: la modalità operativa può essere regolata in base ai cambiamenti stagionali e all'attività biologica marina: passando alla modalità di elettrolisi dell'acqua di mare durante l'estate, quando la crescita biologica è vigorosa, per migliorare l'efficienza della sterilizzazione; passando alla modalità di elettrolisi degli ioni metallici durante l'inverno, quando la crescita biologica è lenta, per ridurre il consumo di energia e prolungare la durata degli elettrodi.

Casi applicativi: i principali porti hub globali, come il porto di Singapore e il porto di Dubai, spesso impiegano sistemi MGPS compositi per ottenere una protezione in tutti gli scenari e in tutte le stagioni, a causa dei diversi tipi di attrezzature portuali (tra cui sistemi di raffreddamento, dispositivi di desalinizzazione dell'acqua di mare e attrezzature del terminal container) e delle significative fluttuazioni stagionali nell'attività biologica marina.

Principio di funzionamento dei sistemi MGPS

Il principio di funzionamento fondamentale dei sistemi MGPS è l'"elettrolisi". Una corrente continua stabile viene applicata agli elettrodi, utilizzando l'acqua di mare come elettrolita, innescando una reazione redox che genera sostanze con funzioni anti-incrostazioni e anti-corrosione. I diversi tipi di sistemi MGPS presentano processi di elettrolisi diversi, come descritto di seguito:

(I) Principio di funzionamento del tipo MGPS a ioni metallici elettrolitici

Questo tipo di sistema garantisce la protezione attraverso un duplice meccanismo: "antivegetativo a ioni metallici + anticorrosione flocculante a base di idrossido". Il processo di reazione può essere suddiviso in tre fasi principali:

Reazione di ossidazione anodica del rame (nucleo dell'antivegetativa): sotto l'azione di un alimentatore a corrente continua, l'anodo di rame subisce una reazione di ossidazione. Gli atomi di rame perdono elettroni e si dissolvono nell'acqua di mare, generando ioni rame (Cu²⁺). La formula della reazione è: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Quando la concentrazione di ioni rame nell'acqua di mare raggiunge i 2 μg/L (2 mg/m³), può inibire efficacemente la divisione cellulare e la crescita di larve di alghe e molluschi, impedendo loro di aderire alla parete interna delle tubazioni o alla superficie delle apparecchiature, interrompendo così la formazione di biofouling alla fonte. Gli ioni rame mostrano una tossicità mirata, efficace solo contro le larve marine, con un impatto minimo sull'ecosistema marino, soddisfacendo così i requisiti di protezione ambientale.

Reazione di anodizzazione alluminio/ferro (nucleo della prevenzione della corrosione): l'anodo di alluminio (o anodo di ferro) subisce simultaneamente una reazione di ossidazione, con gli atomi di alluminio che perdono elettroni per generare ioni alluminio (Al³⁺). La formula di reazione è: Al → Al³⁺ + 3e⁻. Questi ioni di alluminio si combinano con gli ioni idrossido (OH⁻) presenti nell'acqua di mare per formare flocculanti di idrossido di alluminio (Al(OH)₃). Questi flocculanti sono altamente viscosi e aderiscono alle pareti interne di tubi, paratoie sottomarine e fondazioni su pali con il flusso dell'acqua di mare, formando una densa pellicola protettiva di circa 0.1-0.3 mm di spessore.

Reazione di riduzione catodica: il catodo di ferro nel sistema funge da catodo, subendo una reazione di riduzione. Le molecole d'acqua acquisiscono elettroni sulla superficie del catodo, generando idrogeno gassoso (H₂) e ioni idrossido (OH⁻). L'equazione di reazione è: 3H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Questa reazione non solo mantiene stabile il funzionamento del circuito di elettrolisi, ma, attraverso il principio di protezione catodica, riduce anche il potenziale delle apparecchiature metalliche circostanti, aumenta la densità elettronica sulla superficie delle apparecchiature e inibisce ulteriormente la corrosione delle apparecchiature da parte dell'acqua di mare, ottenendo un effetto sinergico di "anti-fouling + anticorrosione".

(II) Principio di funzionamento dell'elettrolisi dell'acqua di mare tipo MGPS

Il fulcro di questo tipo di sistema è "l'elettrolisi dell'acqua di mare per generare un potente ossidante, che uccide gli organismi marini". Il processo di reazione è concentrato all'interno della vasca di reazione dell'elettrolisi, offrendo una maggiore controllabilità:

Reazione di elettrolisi dell'acqua di mare: alimentati da un alimentatore a corrente continua, un elettrodo in titanio placcato in platino (anodo) e un catodo formano un circuito di elettrolisi. L'acqua di mare (contenente cloruro di sodio) subisce una reazione di elettrolisi sulla superficie dell'elettrodo. All'anodo viene generato cloro gassoso (Cl₂), con la formula di reazione: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑; al catodo vengono generati idrogeno gassoso (H₂) e ioni idrossido (OH⁻), con la formula di reazione: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Generazione di ossidanti: il cloro gassoso generato all'anodo reagisce con l'acqua di mare per produrre acido ipocloroso (HClO) e ipoclorito di sodio (NaClO), con le seguenti equazioni di reazione: Cl₂ + H₂O → HClO + HCl, Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O. Sia l'acido ipocloroso che l'ipoclorito di sodio sono forti ossidanti in grado di distruggere le membrane cellulari delle larve marine e inibire la loro attività enzimatica respiratoria, uccidendo alghe e larve di molluschi entro 10-20 secondi. Questa velocità di azione antifouling è molto più rapida di quella dei sistemi elettrolitici a ioni metallici.

Controllo della concentrazione: l'unità di controllo CC regola automaticamente la corrente di elettrolisi in base al flusso dell'acqua di mare e ai dati sull'attività biologica per garantire che la concentrazione dell'ossidante sia mantenuta entro un intervallo sicuro di 0.2-0.5 mg/L. Una concentrazione troppo bassa non otterrà l'effetto antivegetativo desiderato, mentre una concentrazione troppo alta corroderà il substrato metallico della parete interna del tubo e potrebbe anche causare inquinamento marino dopo lo scarico in acqua di mare.

Applicazioni principali del sistema MGPS

Gli scenari applicativi dei sistemi MGPS nei terminal portuali coprono l'intera filiera "trattamento dell'acqua di mare - protezione delle apparecchiature - conformità ecologica". Il loro nucleo ruota attorno a tre categorie principali: sistemi di raffreddamento ad acqua di mare, infrastrutture sottomarine e apparecchiature per operazioni speciali.

(I) Protezione del sistema di raffreddamento dell'acqua di mare

I sistemi di raffreddamento ad acqua di mare sono apparecchiature essenziali per il consumo energetico nei terminal portuali, utilizzate principalmente per il raffreddamento di gru per container, gruppi elettrogeni e container refrigerati. In questo scenario, i sistemi MGPS rappresentano il principale metodo di protezione, rappresentando il 45% della domanda totale di MGPS nei porti.

Posizione di installazione: gli elettrodi vengono installati sul tubo di ingresso o sull'estremità anteriore della torre di raffreddamento del sistema di raffreddamento ad acqua di mare, assicurando che gli ioni metallici o gli ossidanti possano entrare nei tubi di raffreddamento e negli scambiatori di calore con l'acqua di mare, coprendo l'intero circuito di raffreddamento.

Configurazione del sistema: per le porte temperate viene utilizzato il tipo a ioni metallici elettrolitici (anodo di rame + alluminio), mentre per le porte tropicali viene utilizzato il tipo ad acqua di mare elettrolitica (elettrodi di titanio rivestiti in platino); per i grandi sistemi di raffreddamento (come il raffreddamento di gruppi elettrogeni), sono necessari più set di elettrodi per garantire la copertura completa dell'intervallo di protezione.

(II) Protezione delle chiuse sottomarine e delle condotte

Le chiuse sottomarine (utilizzate per controllare l'afflusso e il deflusso dell'acqua di mare) e le condotte di acqua di mare nei terminal portuali sono aree di notevole contaminazione biologica. Molluschi e alghe che aderiscono alle fessure delle chiuse e alle pareti interne delle condotte possono causare difficoltà di apertura e chiusura delle chiuse e ostruzioni delle condotte. Nei casi più gravi, ciò può causare il riflusso dell'acqua di mare, compromettendo le normali operazioni portuali.

Metodo di installazione: gli elettrodi per le chiuse sottomarine vengono installati su entrambi i lati e sul fondo delle chiuse utilizzando un metodo di installazione incorporato per evitare interferenze con l'apertura e la chiusura della chiusa. Gli elettrodi per le condotte di acqua di mare vengono installati all'ingresso della condotta in una disposizione ad anello per garantire una diffusione uniforme degli ioni metallici sulla parete interna della condotta.

Punti chiave di protezione: oltre all'antivegetativa, è necessario rafforzare la protezione dalla corrosione. Le chiuse sottomarine sono per lo più realizzate in acciaio e sono altamente suscettibili alla corrosione a causa dell'immersione prolungata in acqua di mare (contenente ioni sale e cloruro). Pertanto, è necessario utilizzare anodi di alluminio. I flocculanti di idrossido di alluminio generati possono formare una densa pellicola protettiva sulla superficie della chiusa. In combinazione con la protezione catodica, questo riduce il tasso di corrosione.

(III) Protezione del palo di ormeggio

Fondazioni e strutture di banchina Le fondazioni su pali di ormeggio e i parabordi dei terminal portuali sono costantemente immersi nell'acqua di mare, dove non solo sono esposti al biofouling, ma anche al degrado della resistenza strutturale dovuto alla corrosione marina e all'erosione delle maree, compromettendo la sicurezza della banchina. Il sistema MGPS prolunga la durata delle fondazioni su pali e delle strutture di banchina grazie alla doppia protezione "antifouling + anticorrosione".

Configurazione del sistema: utilizzando MGPS elettrolitici a ioni metallici, gli anodi di rame vengono utilizzati per l'antivegetativa e gli anodi di alluminio per l'anticorrosione. Gli elettrodi sono installati alla base e al centro della fondazione su pali (nell'area interessata dalle maree) per garantire la protezione delle aree critiche soggette a corrosione.

Effetto protettivo: dopo l'installazione del sistema MGPS, il tasso di biofouling sulla superficie delle fondazioni su pali può essere controllato al di sotto del 10%, il tasso di corrosione diminuisce da 0.2 mm/anno a meno di 0.05 mm/anno e la durata utile delle fondazioni su pali viene estesa da 20 a 30-35 anni. Ad esempio, nelle fondazioni su pali per attracco container del porto di Dubai, dopo l'installazione del sistema MGPS, non si sono verificati fenomeni significativi di corrosione o biofouling entro 10 anni e la resistenza strutturale è rimasta buona.

Punti chiave per la manutenzione: controllare regolarmente l'usura degli elettrodi. La durata degli anodi in rame è di circa 3-5 anni, mentre quella degli anodi in alluminio è di circa 2-3 anni. Gli elettrodi con usura superiore al 70% devono essere sostituiti tempestivamente per garantire una protezione stabile.

(IV) Protezione della desalinizzazione dell'acqua di mare

Alcuni grandi terminal portuali sono dotati di unità di dissalazione dell'acqua di mare (per la pulizia dell'acqua domestica e delle attrezzature portuali), nonché di sistemi antincendio per l'acqua di mare e di condotte di iniezione dell'acqua per i giacimenti petroliferi (nelle aree industriali portuali). Questi dispositivi hanno elevati requisiti di qualità dell'acqua e il biofouling può causare guasti alle apparecchiature e degradare la qualità dell'acqua, richiedendo una protezione mirata da parte del sistema MGPS.

Unità di desalinizzazione dell'acqua di mare: un MGPS elettrolitico per acqua di mare viene selezionato e installato nella fase di pretrattamento dell'acqua di mare dell'unità di desalinizzazione. Genera un potente ossidante che uccide gli organismi marini, impedendo loro di entrare nella membrana a osmosi inversa e causandone il blocco e il danneggiamento (i costi di sostituzione delle membrane a osmosi inversa sono estremamente elevati, raggiungendo milioni di yuan per sostituzione).

Sistema antincendio ad acqua di mare: viene utilizzato un MGPS elettrolitico a ioni metallici. Gli elettrodi sono installati all'ingresso del serbatoio di stoccaggio dell'acqua di mare antincendio per garantire che non vi sia adesione biologica sulla parete interna del serbatoio, impedendo il normale apporto di acqua di mare antincendio a causa di un'ostruzione delle tubazioni durante un incendio.

Condotte di iniezione dell'acqua nella zona industriale di Lingang: il tipo di sistema appropriato viene selezionato in base all'attività biologica marina, con particolare attenzione alla protezione della parete interna della condotta per prevenire la formazione di incrostazioni biologiche che potrebbero ridurre il flusso dell'acqua e influire sull'efficienza produttiva degli stabilimenti di Lingang.