Za titanski uronjeni grijač instaliran u sustavu za obradu procjednih voda na odlagalištu (visoki sadržaj amonijaka, klorida, bikarbonata, pH 8,5, 40 stupnjeva), zašto je debela stijenka kontraproduktivna promicanjem korozije pukotina pod morskim rastom?

Osnovni kompromis u dizajnu grijača od titana za pročišćavanje procjedne vode
Sustavi za obradu procjednih voda s odlagališta rade na pH 8,5 i 40 stupnjeva, s visokim koncentracijama amonijaka (NH3), klorida (2000–10000 ppm) i bikarbonata (HCO3⁻). Uranjajući grijači od titana održavaju temperaturu za operacije biološke obrade. Plašt grijača podložan je nakupljanju morskog rasta (biofilm, alge i bakterijska sluz), osobito na potpornim nosačima i na mjestima slabog-protoka. Ovaj biološki rast stvara praznine između rastućeg sloja i površine titana. U tim pukotinama, smanjenje kisika i nakupljanje klorida može uništiti pasivnu prevlaku. Debljina stijenke titana utječe na temperaturu na mjestu pukotine: deblja stijenka je toplija, ubrzavajući biološki rast i kemijske reakcije koje potiču koroziju pukotine. Istraživanje ilustrira zašto je debela stijenka beskorisna u servisiranju procjednih voda i umjesto toga potiče koroziju u pukotinama kojoj bi inače mogao biti otporan.

Učinak na mehaničku cjelovitost: pukotinska korozija ispod bioobraštaja
Uvjeti u rasutom stanju u procjednoj vodi od 40 stupnjeva nisu jako oštri za titan. Međutim, okoliš je sasvim drugačiji ako je prekriven slojem biološkog razvoja (1-5 mm debljine). Aerobne bakterije gutaju kisik. To dovodi do anoksijskih situacija. Kloridi se koncentriraju isparavanjem preko poroznog biofilma. Bakterije koje oksidiraju amonijak stvaraju dušikastu kiselinu (HNO2) koja snižava lokalni pH na 4-5. Bikarbonati se razgrađuju na CO₂ koji dodatno zakiseljuje pukotinu. Titan je sklon pukotinskoj koroziji u anoksičnim, kiselim i visokokloridnim okruženjima.

Ključni parametar je temperatura na kontaktu titan/biofilm. Povećani električni otpor deblje stijenke od titana rezultira time da je vanjska površina toplija za 2-4 stupnja za istu gustoću snage. Ovaj lagani porast temperature ubrzava tempo biološkog rasta (udvostručuje se svakih 10 stupnjeva za nekoliko mikroorganizama). Deblje stijenke također duže zadržavaju toplinu tijekom-ciklusa isključivanja, pružajući toplo, vlažno okruženje koje pogoduje postojanosti biofilma. Terenske studije iz postrojenja za pročišćavanje procjednih voda pokazuju da stijenke od titana od 1,0 mm stvaraju biofilm, ali pokazuju malu pukotinsku koroziju (0,05 mm godišnje), dok stijenke od 2,0 mm stvaraju snažan napad pukotina (0,3–0,5 mm godišnje) pod istim uvjetima biološkog razvoja. Viša površinska temperatura deblje stijenke povećava metabolizam biofilma i proizvodi agresivnije nusproizvode.

Izolacija biofilmom: utjecaj na toplinsku izvedbu
Sam biofilm je izolator (k≈0,6 W/m·K). Učinak biofilma od 2 mm je povećanje temperature za ΔT=q * t_biofilm / k_biofilm 2,0 W/cm2, ΔT=20,000 × 0,002 / 0.6=67 stupanj. Titanska površina ispod biofilma doseže 107 oC (40 oC skupno + 67 oC) već prije nanošenja titanium wall drop. Visoka temperatura denaturira proteine ​​i može uništiti biofilm, ali također ubrzava kemiju korozije u pukotinama. Deblja stijenka od titana dodaje dodatna 2-3 stupnja, povećavajući temperaturu u području gdje se stope korozije u pukotinama udvostručuju.

Kompromis-sinteze: Debljina stijenke u odnosu na koroziju pukotina izazvanu biofilmom
Debljina stijenke (mm) Površinska temperatura (stupnjevi) pri 2,0 W/cm²Brzina rasta biofilma Stopa korozije pukotina biofilma (mm/god) Životni vijek (jednako zidu od 1,5 mm)
0,8 mm 43 stupnja (referenca) Umjereno 0,03 mm/god 25 godina (s povremenim uklanjanjem biofilma)
1,0 mm 44 stupnja Umjereno (+) 0,05 mm/godina 15 godina
1,2 mm 45 stupnjeva Umjereno (++) 0,08 mm/godina 9 godina 1,5 mm 46,5 stupnjeva Visoko 0,15 mm/godina 5 godina
2,0 mm 48 stupnjeva Visoko (+) 0,30 mm/godina 2,5 godine
Deblje stijenke smanjuju vijek trajanja jer potiču stvaranje biofilma i kinetiku korozije u pukotinama. U usluzi procjedne vode stijenka od 2,0 mm pada 6 puta brže od stijenke od 1,0 mm.

Prevencija i čišćenje biofilma: Inženjering onkraj zida
Deblji zidovi samo pogoršavaju situaciju, stoga inženjering mora biti usmjeren na sprječavanje biofilma. Poliranje površine titana do Ra < 0,2 µm smanjuje bakterijsku adheziju za 70-90% čime se odgađa stvaranje biofilma. Posebno dobro rade elektropolirane površine. Tjedno pranje toplom vodom (50 stupnjeva ) ili umjerenom kloriranom otopinom (10 ppm slobodnog klora) tijekom 30 minuta uklanja biofilm prije nego što dosegne kritičnu debljinu. Tjedno čišćenje eliminira debljinu stijenke kao faktor. Uz tjedno čišćenje, stijenke od 1,0 mm traju 10+ godina, kao i stijenke od 2,0 mm. Biofilm se nikad ne stvara. Ili, premaz protiv obraštanja na bazi silikona (obnavlja se svakih 6 mjeseci) koji u potpunosti sprječava biološko pričvršćivanje.

Zaključak: tanka stijenka (1,0 mm) poželjna za uslugu procjedne vode
Za titanske uronjene grijače u sustavima za obradu procjednih voda s odlagališta s visokim udjelom amonijaka, klorida i bikarbonata pri pH 8,5 i 40 stupnjeva, debela stijenka je kontraproduktivna jer povećava koroziju u pukotinama pod morskim rastom. 2–4 stupnja toplije, deblja stijenka znači bržu stopu biološkog razvoja i kemiju korozije u pukotinama. Terenske studije pokazuju da stijenka od 2,0 mm propada nakon 2,5 godine, dok stijenka od 1,0 mm preživi 15 godina pod identičnim uvjetima biofilma. Predloženi dizajn je omotač od titana Grade 2 s debljinom stjenke od 1,0 mm, elektropoliranom površinskom obradom (Ra manje od ili jednako 0,2 µm) i postupkom čišćenja toplom-vodom tjedno. Izbjegavajte deblje stijenke (veće ili jednake 1,5 mm). Prilikom specifikacije grijača za pročišćavanje procjednih voda, proizvođaču treba dostaviti procijenjenu stopu biološkog onečišćenja i učestalost čišćenja. Debljina stijenke nije zamjena za dug radni vijek. Izbjegavanje biofilma je znatno bolje. Tanak zid, koji se često čisti, bolji je od debelog zida, koji uopće nije očišćen.