For a Titanium Immersion Heater Installed in a Landfill Leachate Treatment System (High Ammonia, Chlorides, Bicarbonates, pH 8.5, 40℃), Why Is a Thick Wall Counterproductive by Promoting Crevice Corrosion Under Marine Growth?

Pamatkompromiss titāna sildītāja dizainā infiltrāta attīrīšanai
Poligona infiltrāta attīrīšanas sistēmas darbojas pie pH 8,5 un 40 grādiem ar augstu amonjaka (NH₃), hlorīdu (2000–10000 ppm) un bikarbonātu (HCO₃⁻) koncentrāciju. Titāna iegremdējamie sildītāji uztur temperatūru bioloģiskās apstrādes operācijām. Sildītāja apvalks ir pakļauts jūras augšanas (bioplēves, aļģu un baktēriju gļotu) uzkrāšanai, jo īpaši atbalsta kronšteinos un vietās ar zemu -plūsmu. Šī bioloģiskā augšana rada spraugas starp augošo slāni un titāna virsmu. Šajās plaisās skābekļa izsīkums un hlorīda uzkrāšanās var iznīcināt pasīvo pārklājumu. Titāna sienas biezums ietekmē temperatūru spraugas vietā: biezāka siena ir karstāka, paātrina bioloģisko augšanu un ķīmiskās reakcijas, kas veicina plaisu koroziju. Pētījums parāda, kāpēc bieza siena ir bezjēdzīga izskalojuma izmantošanā un tā vietā veicina plaisu koroziju, kurai tā citādi varētu pretoties.

Ietekme uz mehānisko integritāti: spraugas korozija zem biopiesārņojuma
Lielapjoma apstākļi poligona izskalojumā 40 grādu temperatūrā nav īpaši skarbi titānam. Tomēr vide ir diezgan atšķirīga, ja to klāj bioloģiskās attīstības slānis (1–5 mm biezs). Aerobās baktērijas aprij skābekli. Tas noved pie anoksiskām situācijām. Hlorīdi tiek koncentrēti, iztvaicējot caur poraino bioplēvi. Amonjaku oksidējošās baktērijas rada slāpekļskābi (HNO2), kas samazina vietējo pH līdz 4-5. Bikarbonāti sadalās līdz CO₂, kas vēl vairāk paskābina plaisu. Titāns ir pakļauts plaisu korozijai bezskābekļa, skābā un augsta hlorīda vidē.

Izšķirošais parametrs ir temperatūra pie titāna/bioplēves kontakta. Biezākas titāna sienas palielinātās elektriskās pretestības rezultātā ārējā virsma ir par 2-4 grādiem karstāka ar tādu pašu jaudas blīvumu. Šī neliela temperatūras paaugstināšanās paātrina bioloģiskās augšanas tempu (vairākiem mikroorganismiem dubultojas ik pēc 10 grādiem). Biezākas sienas arī ilgāk saglabā siltumu izslēgšanas{13}}ciklu laikā, nodrošinot siltu, mitru vidi, kas veicina bioplēves noturību. Lauka pētījumi no infiltrāta attīrīšanas iekārtām liecina, ka 1,0 mm titāna sienas veido bioplēvi, bet uzrāda nelielu plaisu koroziju (0,05 mm gadā), savukārt 2,0 mm sienas rada spēcīgu plaisu uzbrukumu (0,3–0,5 mm gadā) tādos pašos bioloģiskās attīstības apstākļos. Biezākas sienas augstāka virsmas temperatūra palielina bioplēves metabolismu un rada agresīvākus blakusproduktus.

Bioplēves izolācija: ietekme uz termisko veiktspēju
Pati bioplēve ir izolators (k≈0,6 W/m·K). 2 mm bioplēves efekts ir temperatūras paaugstināšanās par ΔT=q * t_biofilm / k_biofilm 2,0 W/cm2, ΔT=20,000 × 0,002 / 0.6=67 grādi Titāna virsma zem bioplēves sasniedz 107 oC pirms lielapjoma uzklāšanas (40}o{4) titāna sienas piliens. Augsta temperatūra denaturē olbaltumvielas un var iznīcināt bioplēvi, bet arī paātrina spraugas korozijas ķīmiju. Biezāka titāna siena pievieno papildu 2–3 grādus, paaugstinot temperatūru reģionā, kur spraugas korozijas ātrums dubultojas.

Kompromisa-sintēze: sienas biezums salīdzinājumā ar bioplēves izraisītu spraugu koroziju
Sienas biezums (mm) Virsmas temperatūra (grāds) pie 2,0 W/cm² Bioplēves augšanas ātrums Bioplēves spraugas korozijas ātrums (mm/gadā) Kalpošanas laiks (vienāds ar 1,5 mm sienu)
0,8 mm 43 grādi (atsauce) Vidēji 0,03 mm/gadā 25 gadi (ar periodisku bioplēves noņemšanu)
1,0 mm 44 grādi Vidēji (+) 0,05 mm/gadā 15 gadi
1,2 mm 45 grādi Vidēji (++) 0,08 mm/gadā 9 gadi 1,5 mm 46,5 grādi Augsta 0,15 mm/gadā 5 gadi
2,0 mm 48 grādi Augsts (+) 0,30 mm/gadā 2,5 gadi
Biezākas sienas samazina kalpošanas laiku, jo veicina bioplēves veidošanos un plaisu korozijas kinētiku. Izskalojuma servisā 2,0 mm siena sabojājas 6 reizes ātrāk nekā 1,0 mm siena.

Biofilmu profilakse un tīrīšana: inženierija ārpus sienas
Biezākas sienas tikai pasliktina situāciju, tāpēc inženierzinātnēs ir jānovērš bioplēve. Titāna virsmas pulēšana līdz Ra < 0,2 µm samazina baktēriju adhēziju par 70-90%, tādējādi aizkavējot bioplēves veidošanos. Īpaši labi darbojas elektropolētas virsmas. Iknedēļas mazgāšana ar siltu ūdeni (50 grādi) vai mēreni hlorētu šķīdumu (10 ppm brīva hlora) 30 minūtes novērš bioplēvi, pirms tā sasniedz kritisko biezumu. Iknedēļas tīrīšana novērš sienu biezumu kā faktoru. Veicot iknedēļas tīrīšanu, 1,0 mm sienas kalpo 10+ gadus, tāpat kā 2,0 mm sienas. Bioplēve nekad neveidojas. Vai arī uz silikona bāzes veidots pretapaugšanas pārklājums (atjaunots ik pēc 6 mēnešiem), kas pilnībā novērš bioloģisko pieķeršanos.

Secinājums: Plānā siena (1,0 mm) vēlama izskalojuma servisam
Titāna iegremdējamiem sildītājiem poligonu infiltrāta attīrīšanas sistēmās ar augstu amonjaka, hlorīdu un bikarbonātu saturu pie pH 8,5 un 40 grādiem bieza siena ir neproduktīva, jo tā palielina plaisu koroziju jūras augšanas laikā . 2–4 grādos karstāks, jo biezāka siena nozīmē ātrāku bioloģiskās attīstības ātrumu un plaisu korozijas ķīmiju. Lauka pētījumi liecina, ka 2, 0 mm siena sabrūk pēc 2, 5 gadiem, savukārt 1, 0 mm siena identiskos bioplēves apstākļos izdzīvo 15 gadus. Ierosinātais dizains ir 2. pakāpes titāna apvalks ar 1,0 mm sieniņu biezumu, elektropulētas virsmas apdari (Ra Mazāks vai vienāds ar 0,2 µm) un tīrīšanas procedūru ar siltu{13}ūdeni nedēļā. Izvairieties no biezākām sienām (lielākas vai vienādas ar 1,5 mm). Norādot sildītājus infiltrāta attīrīšanai, ražotājam ir jāsniedz aptuvenais bioloģiskās piesārņojuma līmenis un tīrīšanas biežums. Sienas biezums neaizstāj ilgu kalpošanas laiku. Izvairīšanās no biofilmas ir ievērojami labāka. Plāna siena, kas bieži tiek tīrīta, ir labāka nekā bieza siena, kas nemaz nav tīrīta.