Ânodo MGPS para terminais portuários

Em ambientes constantemente imersos em água do mar, os sistemas de refrigeração portuária e de terminais, tubulações de água de circulação, eclusas submarinas, fundações de cais e diversos equipamentos marítimos enfrentam sérios desafios devido à bioincrustação marinha — cracas, moluscos, algas e outros organismos marinhos aderem continuamente às superfícies dos equipamentos e às paredes internas das tubulações, formando uma camada de bioincrustação difícil de remover.

Sistema de Prevenção do Crescimento Marinho (MGPS) É uma tecnologia fundamental para solucionar os problemas de bioincrustação e corrosão em instalações portuárias e terminais. Através de um princípio científico de eletrólise, ela proporciona dupla proteção contra incrustações e corrosão, tornando-se um sistema essencial para a construção, operação e manutenção da infraestrutura portuária e de terminais modernos.

Tipos de sistemas MGPS

Com base no ambiente marinho dos terminais portuários (por exemplo, temperatura da água do mar, atividade biológica), nos materiais dos equipamentos (aço, alumínio, etc.) e nos requisitos de proteção, os sistemas MGPS são divididos principalmente em dois tipos principais. Cada tipo difere significativamente em termos de materiais dos eletrodos, modos de operação e cenários de aplicação, exigindo uma seleção precisa com base nas necessidades reais.

(I) MGPS eletrolítico do tipo íon metálico

O sistema eletrolítico de íons metálicos é atualmente o tipo de MGPS (Sistema de Proteção de Metais Metálicos) mais utilizado em portos, representando mais de 70% do mercado de proteção portuária. Suas principais vantagens residem na estrutura simples, operação estável, ampla faixa de proteção e funções simultâneas de proteção contra incrustações e corrosão. Este tipo de sistema utiliza cobre, alumínio e ferro como materiais de eletrodo, promovendo uma reação eletrolítica através de uma fonte de alimentação CC para liberar íons metálicos e floculantes de hidróxido, formando uma dupla camada protetora.

Componentes principais: Inclui principalmente um ânodo de cobre, alumínio/ânodo de ferro, unidade de controle CC, módulo de monitoramento de corrente e suporte de montagem. Os eletrodos são normalmente instalados em entradas de água do mar, comportas submarinas ou extremidades de dutos para garantir que os íons metálicos possam se difundir rapidamente por todo o sistema com a água do mar.

Cenários de aplicação: Portos e cais em áreas marítimas temperadas e subtropicais com atividade biológica baixa a média, especialmente adequados para tubulações de resfriamento de água do mar construídas em aço, sistemas de circulação de água e proteção de fundações de estacas de atracação. Por exemplo, portos e cais no leste e norte da China frequentemente utilizam esse tipo de sistema devido à temperatura moderada da água do mar e à baixa taxa de crescimento de organismos marinhos.

Critérios de seleção principais: O material do eletrodo deve ser compatível com o substrato do equipamento – Se os tubos do porto forem de aço, os ânodos de alumínio são preferíveis (gerando floculantes de hidróxido de alumínio, proporcionando melhor proteção); se os tubos forem de alumínio ou cobre, devem ser usados ​​ânodos de ferro para evitar reações eletroquímicas entre o eletrodo e o substrato, o que poderia agravar a corrosão.

(II) Tipo de eletrólise da água do mar

O sistema MGPS de eletrólise da água do mar, também conhecido como "eletrólise de cloro", funciona por meio da eletrólise da água do mar para gerar um forte oxidante que mata diretamente larvas e esporos marinhos, resultando em maior eficiência anti-incrustante e sendo adequado para áreas marinhas com alta atividade biológica. Este tipo de sistema exige materiais de eletrodo mais resistentes, que devem ser altamente resistentes à corrosão e apresentar alta eficiência de eletrólise.

Componentes principais: Composto por eletrodos de titânio revestidos com platina (ou eletrodos resistentes à corrosão especialmente projetados), um tanque de reação eletrolítica, uma fonte de alimentação CC e um módulo de monitoramento da concentração de oxidante. O tanque de reação é o componente principal, garantindo a eletrólise completa da água do mar para gerar uma concentração estável de oxidante.

Características de funcionamento: A eletrólise da água do mar produz oxidantes fortes como cloro (Cl₂) e ácido hipocloroso (HClO). Essas substâncias possuem fortes propriedades bactericidas, capazes de eliminar algas e larvas de crustáceos em pouco tempo, atingindo uma eficiência anti-incrustante superior a 95%. Não é necessária a substituição periódica dos eletrodos metálicos (apenas a manutenção da camada de platina).

Cenários aplicáveis: Portos e cais em mares tropicais com alta bioatividade, como os do sul da China, sudeste da Ásia e Oriente Médio. Devido às altas temperaturas da água, à abundante luz solar e ao intenso crescimento da vida marinha, a bioincrustação ocorre rapidamente, tornando necessário este tipo de sistema para atender aos requisitos de alta intensidade de proteção contra incrustações.

Precauções: A concentração do oxidante deve ser monitorada em tempo real para evitar concentrações excessivas que possam corroer o equipamento ou poluir o ambiente marinho após a descarga. Alguns países estabeleceram padrões claros para as concentrações de oxidante na descarga de eletrólise da água do mar do tipo MGPS (por exemplo, concentração de descarga única não superior a 0.5 mg/L).

(III) MGPS composto

O MGPS composto é um produto aprimorado que combina as vantagens dos dois tipos mencionados anteriormente. Através de um modo duplo de “eletrólise de íons metálicos + eletrólise da água do mar”, ele pode inibir o crescimento biológico marinho e aumentar a resistência à corrosão dos equipamentos. É adequado para grandes terminais portuários com grandes flutuações na atividade biológica e equipamentos de tipos complexos.

Principais vantagens: O modo de operação pode ser ajustado de acordo com as mudanças sazonais e a atividade biológica marinha — alternando para o modo de eletrólise da água do mar durante o verão, quando o crescimento biológico é intenso, para melhorar a eficiência da esterilização; alternando para o modo de eletrólise de íons metálicos durante o inverno, quando o crescimento biológico é lento, para reduzir o consumo de energia e prolongar a vida útil do eletrodo.

Casos de aplicação: Os principais portos globais, como o Porto de Singapura e o Porto de Dubai, frequentemente empregam sistemas MGPS compostos para obter proteção em todos os cenários e em todas as estações do ano, devido aos diversos tipos de equipamentos portuários (incluindo sistemas de refrigeração, dispositivos de dessalinização de água do mar e equipamentos de terminais de contêineres) e às significativas flutuações sazonais na atividade biológica marinha.

Princípio de funcionamento dos sistemas MGPS

O princípio fundamental de funcionamento dos sistemas MGPS é a “eletrólise”. Uma corrente contínua estável é aplicada aos eletrodos, utilizando água do mar como eletrólito, provocando uma reação de oxirredução que gera substâncias com propriedades anti-incrustantes e anticorrosivas. Diferentes tipos de sistemas MGPS possuem processos de eletrólise distintos, conforme detalhado a seguir:

(I) Princípio de funcionamento do MGPS eletrolítico do tipo íon metálico

Esse tipo de sistema proporciona proteção por meio de um mecanismo duplo de “antifouling por íons metálicos + anticorrosão por floculante de hidróxido”. O processo de reação pode ser dividido em três etapas principais:

Reação de Oxidação Anódica do Cobre (Núcleo do Antifouling): Sob a ação de uma fonte de corrente contínua, o ânodo de cobre sofre uma reação de oxidação. Os átomos de cobre perdem elétrons e se dissolvem na água do mar, gerando íons de cobre (Cu²⁺). A fórmula da reação é: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Quando a concentração de íons de cobre na água do mar atinge 2 μg/L (2 mg/m³), ela pode inibir eficazmente a divisão celular e o crescimento de algas e larvas de crustáceos, impedindo sua adesão às paredes internas de tubulações ou à superfície de equipamentos, interrompendo assim a formação de bioincrustações em sua origem. Os íons de cobre apresentam toxicidade direcionada, sendo eficazes apenas contra larvas marinhas, com impacto mínimo no ecossistema marinho, atendendo, portanto, aos requisitos de proteção ambiental.

Reação de anodização de alumínio/ferro (núcleo da prevenção da corrosão): O ânodo de alumínio (ou de ferro) sofre uma reação de oxidação simultânea, na qual os átomos de alumínio perdem elétrons para gerar íons de alumínio (Al³⁺). A fórmula da reação é: Al → Al³⁺ + 3e⁻. Esses íons de alumínio combinam-se com íons hidróxido (OH⁻) na água do mar para formar floculantes de hidróxido de alumínio (Al(OH)₃). Esses floculantes são altamente viscosos e aderem às paredes internas de tubulações, comportas submarinas e fundações de estacas com o fluxo da água do mar, formando uma película protetora densa com aproximadamente 0.1 a 0.3 mm de espessura.

Reação de redução catódica: O cátodo de ferro no sistema atua como o cátodo, sofrendo uma reação de redução. As moléculas de água ganham elétrons na superfície do cátodo, gerando gás hidrogênio (H₂) e íons hidróxido (OH⁻). A equação da reação é: 3H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Essa reação não só mantém a operação estável do circuito de eletrólise, como também, através do princípio da proteção catódica, reduz o potencial dos equipamentos metálicos circundantes, aumenta a densidade eletrônica na superfície dos equipamentos e inibe ainda mais a corrosão por água do mar, alcançando um efeito sinérgico de “anti-incrustação + anticorrosão”.

(II) Princípio de funcionamento da eletrólise da água do mar do tipo MGPS

O princípio fundamental desse tipo de sistema é a “eletrólise da água do mar para gerar um forte oxidante, capaz de matar organismos marinhos”. O processo de reação se concentra dentro do tanque de eletrólise, proporcionando maior controle.

Reação de eletrólise da água do mar: Alimentado por uma fonte de alimentação CC, um eletrodo de titânio revestido com platina (ânodo) e um cátodo formam um circuito de eletrólise. A água do mar (contendo cloreto de sódio) sofre uma reação de eletrólise na superfície do eletrodo. O gás cloro (Cl₂) é gerado no ânodo, com a fórmula da reação: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑; o gás hidrogênio (H₂) e íons hidróxido (OH⁻) são gerados no cátodo, com a fórmula da reação: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Geração de Oxidantes: O gás cloro gerado no ânodo reage com a água do mar para produzir ácido hipocloroso (HClO) e hipoclorito de sódio (NaClO), conforme as seguintes equações de reação: Cl₂ + H₂O → HClO + HCl, Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O. Tanto o ácido hipocloroso quanto o hipoclorito de sódio são fortes oxidantes que podem destruir as membranas celulares de larvas marinhas e inibir a atividade de suas enzimas respiratórias, matando algas e larvas de moluscos em 10 a 20 segundos. Essa velocidade de ação anti-incrustante é muito superior à dos sistemas eletrolíticos de íons metálicos.

Controle de Concentração: A unidade de controle CC ajusta automaticamente a corrente de eletrólise com base no fluxo de água do mar e nos dados de atividade biológica para garantir que a concentração do oxidante seja mantida dentro de uma faixa segura de 0.2 a 0.5 mg/L. Uma concentração muito baixa não atingirá o efeito anti-incrustante desejado, enquanto uma concentração muito alta corroerá o substrato metálico da parede interna do tubo e poderá também levar à poluição marinha após o descarte na água do mar.

Aplicações principais do sistema MGPS

Os cenários de aplicação dos sistemas MGPS em terminais portuários abrangem toda a cadeia de "tratamento de água do mar – proteção de equipamentos – conformidade ambiental". Seu núcleo gira em torno de três categorias principais: sistemas de resfriamento de água do mar, infraestrutura submarina e equipamentos para operações especiais.

(I) Proteção do sistema de refrigeração por água do mar

Os sistemas de refrigeração com água do mar são equipamentos essenciais para o consumo de energia em terminais portuários, utilizados principalmente para o resfriamento de guindastes de contêineres, grupos geradores e contêineres refrigerados. Os sistemas MGPS são o principal método de proteção nesse cenário, representando 45% da demanda total de MGPS em portos.

Local de instalação: Os eletrodos são instalados no tubo de entrada ou na extremidade frontal da torre de resfriamento do sistema de resfriamento de água do mar, garantindo que os íons metálicos ou oxidantes possam entrar nos tubos de resfriamento e trocadores de calor com a água do mar, cobrindo todo o circuito de resfriamento.

Configuração do sistema: O sistema eletrolítico de íons metálicos (ânodo de cobre + alumínio) é utilizado em portos de clima temperado, enquanto o sistema eletrolítico para água do mar (eletrodos de titânio revestidos com platina) é utilizado em portos tropicais; para grandes sistemas de refrigeração (como o resfriamento de grupos geradores), são necessários múltiplos conjuntos de eletrodos para garantir a cobertura completa da área de proteção.

(II) Proteção de eclusas e oleodutos submarinos

Eclusas submarinas (usadas para controlar a entrada e saída de água do mar) e tubulações de água do mar em terminais portuários são áreas importantes de bioincrustação. Moluscos e algas aderidos às frestas das eclusas e às paredes internas das tubulações podem causar dificuldades na abertura e fechamento das eclusas e bloqueios nas tubulações. Em casos graves, isso pode levar ao refluxo da água do mar, afetando as operações normais do porto.

Método de instalação: Os eletrodos para eclusas submarinas são instalados em ambos os lados e no fundo das eclusas, utilizando um método de instalação embutido para evitar interferências na abertura e fechamento da eclusa. Os eletrodos para dutos de água do mar são instalados na entrada do duto, em um arranjo anelar, para garantir a difusão uniforme de íons metálicos para a parede interna do duto.

Pontos-chave de proteção: Além da proteção anti-incrustante, a proteção contra corrosão precisa ser reforçada. As eclusas de submarinos são geralmente feitas de aço e são altamente suscetíveis à corrosão devido à imersão prolongada em água do mar (contendo íons de sal e cloreto). Portanto, ânodos de alumínio devem ser utilizados. Os floculantes de hidróxido de alumínio gerados podem formar uma película protetora densa na superfície da eclusa. Combinado com a proteção catódica, isso reduz a taxa de corrosão.

(III) Proteção da estaca de atracação

Fundações e estruturas de cais: As fundações de estacas de atracação e as defensas de cais em terminais portuários estão constantemente imersas em água do mar, sujeitas não apenas à bioincrustação, mas também à degradação da resistência estrutural devido à corrosão pela água do mar e à erosão das marés, afetando a segurança do cais. O sistema MGPS prolonga a vida útil das fundações de estacas e das estruturas de cais através da dupla proteção “anti-incrustação + anticorrosão”.

Configuração do sistema: Utilizando MGPS eletrolítico do tipo íon metálico, ânodos de cobre são usados ​​para proteção contra incrustações e ânodos de alumínio para proteção contra corrosão. Os eletrodos são instalados na base e no meio da fundação de estacas (na área afetada pelas marés) para garantir a cobertura protetora de áreas críticas propensas à corrosão.

Efeito protetor: Após a instalação do sistema MGPS, a taxa de bioincrustação na superfície da fundação de estacas pode ser controlada para menos de 10%, a taxa de corrosão diminui de 0.2 mm/ano para menos de 0.05 mm/ano e a vida útil da fundação de estacas é estendida de 20 anos para 30-35 anos. Por exemplo, nas fundações de estacas do cais de contêineres do Porto de Dubai, após a instalação do sistema MGPS, não ocorreram corrosão ou bioincrustação significativas em 10 anos, e a resistência estrutural permaneceu boa.

Pontos-chave de manutenção: Verifique regularmente o desgaste dos eletrodos. A vida útil dos ânodos de cobre é de aproximadamente 3 a 5 anos, e a dos ânodos de alumínio, de aproximadamente 2 a 3 anos. Eletrodos com desgaste superior a 70% devem ser substituídos imediatamente para garantir uma proteção estável.

(IV) Proteção da dessalinização da água do mar

Alguns grandes terminais portuários estão equipados com unidades de dessalinização de água do mar (para água potável e limpeza de equipamentos), além de sistemas de combate a incêndio com água do mar e dutos de injeção de água para campos petrolíferos (em áreas industriais portuárias). Esses dispositivos têm altos requisitos de qualidade da água, e a bioincrustação pode levar à falha dos equipamentos e à degradação da qualidade da água, exigindo proteção específica do sistema MGPS.

Unidade de Dessalinização de Água do Mar: Um sistema eletrolítico de dessalinização de água do mar (MGPS) foi selecionado e instalado na etapa de pré-tratamento da água do mar da unidade de dessalinização. Ele gera um forte oxidante para matar organismos marinhos, impedindo que entrem na membrana de osmose reversa e causem bloqueio e danos à membrana (os custos de substituição das membranas de osmose reversa são extremamente altos, chegando a milhões de yuans por substituição).

Sistema de água do mar para combate a incêndios: Utiliza-se um sistema eletrolítico de íons metálicos (MGPS). Eletrodos são instalados na entrada do tanque de armazenamento de água do mar para combate a incêndios, garantindo que não haja adesão biológica na parede interna do tanque, o que impediria o fornecimento normal de água do mar para combate a incêndios devido ao bloqueio da tubulação durante um incêndio.

Tubulações de injeção de água na Zona Industrial de Lingang: O tipo de sistema apropriado é selecionado com base na atividade biológica marinha, com foco na proteção da parede interna da tubulação para evitar a bioincrustação que poderia reduzir o fluxo de água e afetar a eficiência da produção das fábricas de Lingang.