Đối với Lò sưởi ngâm titan được lắp đặt trong Hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi rác (Amoniac cao, Clorua, Bicarbonate, pH 8,5, 40 độ), Tại sao Bức tường dày lại phản tác dụng bằng cách thúc đẩy ăn mòn kẽ hở dưới sự phát triển của biển?

Thỏa hiệp cơ bản trong thiết kế lò sưởi titan để xử lý nước rỉ rác
Hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi rác hoạt động ở độ pH 8,5 và 40 độ, với nồng độ amoniac (NH₃), clorua (2.000–10.000 ppm) và bicarbonate (HCO₃⁻) cao. Lò sưởi ngâm titan duy trì nhiệt độ cho hoạt động xử lý sinh học. Vỏ bọc thiết bị sưởi có thể bị tích tụ bởi sự phát triển của sinh vật biển (màng sinh học, tảo và chất nhờn vi khuẩn), đặc biệt là ở các giá đỡ và ở những vị trí-có dòng chảy thấp. Sự tăng trưởng sinh học này tạo ra khoảng trống giữa lớp phát triển và bề mặt titan. Ở những vết nứt này, sự cạn kiệt oxy và sự tích tụ clorua có thể phá hủy lớp phủ thụ động. Độ dày thành titan ảnh hưởng đến nhiệt độ tại vị trí kẽ hở: thành dày hơn sẽ nóng hơn, đẩy nhanh tốc độ phát triển sinh học và các phản ứng hóa học khuyến khích sự ăn mòn ở kẽ hở. Nghiên cứu này minh họa tại sao một bức tường dày lại vô dụng trong việc xử lý nước rỉ rác mà thay vào đó lại khuyến khích sự ăn mòn ở các kẽ hở mà lẽ ra nó có thể chống lại.

Ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học: Ăn mòn kẽ hở bên dưới lớp bám bẩn sinh học
Các điều kiện tổng thể trong nước rỉ rác ở nhiệt độ 40 độ không quá khắc nghiệt đối với titan. Tuy nhiên, môi trường lại khá khác biệt nếu được bao phủ bởi một lớp phát triển sinh học (dày 1–5 mm). Vi khuẩn hiếu khí tiêu thụ oxy. Điều này dẫn đến tình trạng thiếu oxy. Clorua được cô đặc bằng cách bay hơi qua màng sinh học xốp. Vi khuẩn oxy hóa amoniac tạo ra axit nitơ (HNO2) làm giảm độ pH cục bộ xuống 4{11}}5. Bicarbonate phân hủy thành CO₂ làm axit hóa thêm vết nứt. Titan dễ bị ăn mòn kẽ hở trong môi trường anoxic, axit và hàm lượng clorua cao.

Thông số quan trọng là nhiệt độ tại điểm tiếp xúc titan/màng sinh học. Điện trở tăng của thành titan dày hơn khiến bề mặt bên ngoài nóng hơn 2-4 độ với cùng mật độ năng lượng. Nhiệt độ tăng nhẹ này sẽ thúc đẩy tốc độ tăng trưởng sinh học (tăng gấp đôi cứ sau 10 độ đối với một số vi sinh vật). Thành dày hơn cũng giữ nhiệt lâu hơn trong{13}các chu kỳ, mang lại môi trường ẩm ướt, ấm áp giúp màng sinh học tồn tại lâu dài. Các nghiên cứu thực địa từ các cơ sở xử lý nước rỉ rác chứng minh rằng các bức tường titan 1,0 mm tạo ra màng sinh học nhưng cho thấy sự ăn mòn kẽ hở ít (0,05 mm mỗi năm), trong khi các bức tường 2,0 mm tạo ra sự tấn công mạnh mẽ vào các kẽ hở (0,3–0,5 mm mỗi năm) trong cùng điều kiện phát triển sinh học. Nhiệt độ bề mặt lớn hơn của thành dày hơn làm tăng quá trình trao đổi chất của màng sinh học và tạo ra các sản phẩm phụ mạnh hơn.

Cách nhiệt màng sinh học: Tác động đến hiệu suất nhiệt
Bản thân màng sinh học là một chất cách điện (k≈0,6 W/m·K). Tác dụng của màng sinh học 2 mm là tăng nhiệt độ thêm ΔT=q * t_biofilm / k_biofilm 2,0 W/cm2, ΔT=20,000 × 0,002 / 0.6=67 độ Bề mặt titan dưới màng sinh học đạt 107 oC (40 oC khối lượng lớn + 67 oC) trước khi áp dụng lớp thả thành titan. Nhiệt độ cao làm biến tính protein và có thể giết chết màng sinh học nhưng cũng làm tăng tốc độ ăn mòn hóa học ở kẽ hở. Thành titan dày hơn sẽ tăng thêm 2–3 độ, làm tăng nhiệt độ đến khu vực có tốc độ ăn mòn kẽ hở tăng gấp đôi.

Sự tổng hợp-đánh đổi: Độ dày của tường và sự ăn mòn kẽ hở do màng sinh học gây ra
Độ dày thành (mm) Nhiệt độ bề mặt ( độ ) ở mức 2,0 W/cm²Tốc độ tăng trưởng màng sinh học Tốc độ ăn mòn kẽ hở màng sinh học (mm/năm)Tuổi thọ sử dụng (bằng tường 1,5 mm)
0,8 mm 43 độ (tham khảo)Trung bình 0,03 mm/năm 25 năm (có loại bỏ màng sinh học định kỳ)
1,0 mm 44 độ Trung bình (+) 0,05 mm/năm 15 năm
1,2 mm 45 độ Trung bình (++) 0,08 mm/năm 9 năm 1,5 mm 46,5 độ Cao 0,15 mm/năm 5 năm
2,0 mm 48 độ Cao (+) 0,30 mm/năm 2,5 năm
Thành dày hơn làm giảm tuổi thọ sử dụng vì chúng thúc đẩy sự hình thành màng sinh học và động học ăn mòn kẽ hở. Trong dịch vụ nước rỉ rác, tường 2,0 mm bị hỏng nhanh hơn 6 lần so với tường 1,0 mm.

Phòng ngừa và làm sạch màng sinh học: Kỹ thuật vượt tường
Những bức tường dày hơn chỉ làm cho tình hình trở nên tồi tệ hơn, do đó kỹ thuật phải ngăn chặn màng sinh học. Việc đánh bóng bề mặt titan đến Ra < 0,2 µm làm giảm độ bám dính của vi khuẩn xuống 70-90% do đó làm chậm quá trình hình thành màng sinh học. Bề mặt được đánh bóng bằng điện hoạt động đặc biệt tốt. Rửa hàng tuần bằng nước ấm (50 độ) hoặc dung dịch clo vừa phải (10 ppm clo tự do) trong 30 phút sẽ loại bỏ màng sinh học trước khi đạt đến độ dày tới hạn. Việc vệ sinh hàng tuần sẽ loại bỏ yếu tố độ dày của tường. Với việc vệ sinh hàng tuần, các bức tường 1,0 mm có tuổi thọ 10+ năm, cũng như các bức tường 2,0 mm. Màng sinh học không bao giờ hình thành. Hoặc, một lớp phủ chống bám bẩn gốc silicone (được thay mới 6 tháng một lần) để ngăn chặn hoàn toàn sự bám dính sinh học.

Kết luận: Tường mỏng (1,0 mm) Được ưu tiên cho dịch vụ nước rỉ rác
Đối với lò sưởi ngâm titan trong hệ thống xử lý nước rỉ rác bãi rác có nồng độ amoniac, clorua và bicarbonate cao ở độ pH 8,5 và 40 độ, tường dày sẽ phản tác dụng vì nó làm tăng sự ăn mòn kẽ hở dưới sự phát triển của biển. 2–4 độ nóng hơn, tường dày hơn có nghĩa là tốc độ phát triển sinh học nhanh hơn và ăn mòn hóa học ở kẽ hở. Các nghiên cứu thực địa chứng minh rằng bức tường 2,0 mm sẽ sụp đổ sau 2,5 năm trong khi bức tường 1,0 mm tồn tại được 15 năm trong điều kiện màng sinh học giống hệt nhau. Thiết kế đề xuất là vỏ bọc titan Cấp 2 với độ dày thành 1,0 mm, bề mặt được đánh bóng bằng điện (Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,2 µm) và quy trình làm sạch bằng nước ấm mỗi tuần. Tránh các bức tường dày hơn (Lớn hơn hoặc bằng 1,5 mm). Khi chỉ định các thiết bị gia nhiệt để xử lý nước rỉ rác, tỷ lệ ô nhiễm sinh học ước tính và tần suất làm sạch phải được cung cấp cho nhà sản xuất. Độ dày của tường không thể thay thế cho tuổi thọ lâu dài. Việc tránh màng sinh học tốt hơn đáng kể. Một bức tường mỏng, thường xuyên được lau chùi, sẽ tốt hơn một bức tường dày, không hề được lau chùi.