DE69634604T2

DE69634604T2 - Vorrichtung und verfahren zur detektion von mikrobiologischer verschmutzung in wässrigen systemen

Info

Publication number: DE69634604T2
Application number: DE69634604T
Authority: DE
Inventors: S. Edward BEARDWOOD
Original assignee: Ashland Inc
Current assignee: Ineos Composites IP LLC
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: AU7375796A; CA2233455C; WO1997014034A1; EP0852722A4; EP0852722A1; CA2233455A1; ATE293248T1; DE69634604D1; EP0852722B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung von Fluiden, um eine mikrobiologische Verschmutzung zu detektieren, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung für die In-Situ-Untersuchung und Erzeugung von Daten, die eine mikrobiologische Verschmutzung anzeigen, und ein Verfahren zur Verarbeitung dieser Daten, um festzustellen, ob eine mikrobiologische Verschmutzung vorhanden ist, und um das Ausmaß zu bestimmen, in der sie vorhanden ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Detektion und Kontrolle mikrobiologischer Verschmutzung.
Hintergrund der Erfindung
Mikrobiologische Verschmutzung ist seit langem ein Problem bei industriellen wässerigen Systemen. Wässerige industrielle Systeme, in denen eine mikrobiologische Verschmutzung ein Problem sein kann, umfassen insbesondere industrielle Kühlwassersysteme. Jedoch kann mikrobiologische Verschmutzung in irgendeinem wasserenthaltenden System vorhanden sein und Probleme verursachen.
Mikrobiologische Verschmutzung kann vom Vorhandensein irgendwelcher einer Reihe von Organismen in einem wässerigen System herrühren. Unter den Organismen, die bei einer mikrobiologischen Verschmutzung wichtig sind, befinden sich eine Reihe von Algen, Pilzen, Schimmelpilzen und eine Reihe von Planktonbakterienorganismen. Solche Organismen können in wässerige industrielle Systeme und Einlaufwasser, das im System verwendet wird, aus der Umgebung, wie aus der Luft, oder aus anderen Prozeßleckluft-Verunreinigungsquellen eingeführt werden, die zum Beispiel eine Einleitung einer Komponente einer Fremdverbindung in das System oder die Einführung einer verunreinigten Anlage in ein System einschließen könnten.
Bakterien bilden eine Hauptkomponente mikrobiologischer Verschmutzung in wässerigen Systemen. Bakterien können in fast jeder Umgebung wachsen. Bakterien werden locker gemäß der Umgebung klassifiziert, in der sie typischerweise wachsen. Bakterien, die typischerweise mit mikrobiologischer Verschmutzung verbunden sind, schließen anaerobe, fakultativ anaerobe und aerobe Bakterien ein. Anaerobe Bakterien sind bei mikrobiologischer Verschmutzung besonders bedeutsam.
Die Erzeugung eines mikrobiologischen Verschmutzungsfilms auf einer Oberfläche in einem Kühlsystem beginnt typischerweise mit der Adsorption einer organischen oder anorganischen Schicht auf einer Oberfläche des wässerigen Systems. Typischerweise hat die organische oder anorganische Schicht einen gewissen nahrhaften Wert für Mikroorganismen, die potentiell einen Verschmutzungsfilm auf der Oberfläche bilden. Die Schicht kann den Mikroorganismen als Nahrung dienen als auch ihre Bindung erleichtern.
Das Vorhandensein eines physikalischen Bindungspunkts als auch einer Nahrungsquelle stellt eine bevorzugte Stelle für die Mikroorganismen bereit, um eine Kolonie zu bilden. Typischerweise werden weniger effizient freibewegliche Organismen zuerst aus dem Wasser ausfallen, um sich selbst an Oberflächen zu binden, die mit der nahrhaften Schicht versehen sind. Wenn die Oberfläche vorher kolonisiert worden ist und Überreste früherer Kolonien auf der Oberfläche bleiben, kann die Bindung neuer Organismen an eine Schicht einer Oberfläche eines Kühlsystems in nicht weniger als fünfzehn Minuten erfolgen.
Bei der Bindung beginnen die festsitzenden Mikroorganismen typischerweise Polysaccharide oder Glykokalyx zu erzeugen, das hilft, ihre Bindung an die nahrhafte Schicht und die Oberfläche zu sichern, an der die Schicht gebunden ist. Viele Mikroorganismen erzeugen auch Glykokalyx, das hilft, Nährstoffe und Schmutzstoffe einzufangen. Ein solches Glykokalyx kann das Überleben in nährstoffarmen Fluiden unterstützen und außerdem die Widerstandsfähigkeit von Mikroorganismen gegen einen Mikrobizidangriff erhöhen.
Häufig wird auf einer Oberfläche, wie einer Metalloberfläche eines Wärmeaustauschers, des wässerigen Systems zuerst eine obere Schicht aus aeroben Bakterien hergestellt. Die Schicht aus aeroben Bakterien stellt typischerweise eine schützende, Nährstoff-, pH- und temperaturreiche Umgebung bereit, um es weniger sauerstofftoleranten Bakterien zu erlauben zu wachsen. Anaerobe Bakterien können in das wässerige System als Sporen transportiert werden und dann während der Adhäsionsphase der Schicht aerober Bakterien in eine Schicht des Biofilms eingekapselt werden.
Eine mikrobiologische Verschmutzungsschicht kann eine Anzahl von Bakterien enthalten, die in einer Kolonie angeordnet sind, die eine komplexe Struktur aufweist. Eine solche Kolonie kann eine symbiotische Matrix der säureproduzierenden, fermentierenden, eisenoxidierenden und sulfatreduzierenden Bakterien enthalten. Diese Bakterien können durch eine Deckschicht aus Glykokalyx/schleimproduzierenden Bakterien geschützt untergebracht sein. Die Glykokalyx/Schleimschicht kann den Strom von organischen, anorganischen Stoffen und gelöstem Gas zwischen den wässerigen und gelatineartigen Phasen der Kolonie vermitteln. Jedoch kann die Bakterienschicht jede Form annehmen und jede Art von Bakterien enthalten.
Die Ablagerung, Bindung und das Anfangswachstum einer Mikroorganismusschicht ist häufig in etwa drei bis etwa fünf Tagen vollendet. Eine reife Kolonie von Mikroorganismen, die typischerweise mindestens acht bis zehn Zellen dick ist, kann in etwa zehn bis etwa vierzehn Tagen gebildet werden. Eine Mikrobenschicht dieser Dicke kann ausreichend sein, um den Sauerstoff im Biofilm abzureichern. Bei einer Sauerstoffverarmung werden die Bedingungen im Biofilm für das Wachstum von anaeroben Mikroorganismen, typischerweise Bakterien, günstig um zu wachsen und zu gedeihen.
In typischen industriellen Systemen kann ein Biofilm aus Mikroorganismen bis zu etwa 200 Zellen Dicke weiterwachsen, der in etwa 3,5 bis etwa 4 Wochen eine maximale Abdeckung enthält. Solche Filme können eine Dicke von etwa 300 bis zu etwa 500 Mikrometern aufweisen. Sogar dickere Filme sind ebenfalls berichtet worden. Die Dicke des Films kann abhängig von der Menge an Schmutzstoffen, die in den Film eingeschlossen sind, und auch von der Geschwindigkeit des Wassers im System erhöht werden. Solche Filme enthalten typischerweise etwa 80–98% Wasser. Es ist gezeigt worden, daß ein Biofilm von nur etwa 0,01 cm (0,004 Inch) Dicke etwa ein Viertel der Wärmeleitfähigkeit von Kalziumkarbonatkesselstein äquivalenter Dicke aufweist. Folglich kann erkannt werden, wie schädlich ein Biofilm in Relation zur Funktion eines wässerigen Systems sein kann.
Unter den Problemen, die mit mikrobiologischer Verschmutzung verbunden sind, befinden sich ein Verlust an Effizienz, eine Korrosion von Teilen wässeriger Systeme, eine Zunahme der Reibung des Wassers, das durch das System fließt und eine sich ergebende Abnahme der Effizienz und eine Zunahme der erforderlichen Energie, um das Wasser durch das System zu bewegen, ebenso wie eine Zunahme des Schleims und einer anorganischen Ablagerung. Eine Zunahme des Materials im wässerigen System kann ebenfalls die Effizienz des System vermindern und das System verstopfen, indem es Volumen innerhalb des Systems einnimmt.
Außerdem kann sogar die erste Schicht Bakterien oder anderer Mikroorganismen die elektrochemische Kinetik der Sauerstoffreduktion beeinflussen. Sei es in den Anfangsstadien der Entwicklung oder weiter entwickelt, eine mikrobiologische Verschmutzungsschicht kann eine Abnahme des Wärmeübertragungskoeffizienten oder mit anderen Worten eine Reduzierung der Effizienz eines Wärmeaustauschers in einem wässerigen Kühlsystem verursachen. Mikrobiologische Filme können außerdem lokale Zunahmen der Korrosivität bewirken, die zu einem vorzeitigen Ausfall von Komponenten eines Kühlsystems oder irgendeines anderen wässerigen Systems führen können.
Bakterien können auch anorganischen und/oder organischen Stickstoff und Phosphatbasehemmstoffe verbrauchen. Zusätzlich können die Bakterien eine Korrosion bewirken, indem sie anorganische oder organische Stoffe verstoffwechseln und entweder durch Respiration oder Fermentation entsprechende Säuren erzeugen. Eine Bildung von Konzentrationszellen durch den Einschluß von korrodierenden Ionen und eine Biofilmaufnahme durch Bakterien kann ebenfalls die Korrosion beeinflussen.
Zusätzlich zu den obigen Problemen können Bakterien auch die Korrosion der Oberfläche in wässerigen Systemen durch anodische Depolarisation durch Edelmetallablagerung beeinflussen. Bakterien können die anodische Depolarisation auch durch Chelationsaufnahme des korrodierten Metalls durch Exopolymere im Biofilm beeinflussen. Ferner können die Bakterien ein korrodierendes anaerobes Bakterienwachstum durch Sauerstoffverarmung unterstützen. Säureerzeugende Bakterien können selektiv Zink, Magnesium und Kalzium auflösen, was zu einem Kontrollverlust über die kathodische Korrosion führt.
Wie oben festgestellt, können andere Mikrooorganismen an der mikrobiologischen Verschmutzung beteiligt sein. Zum Beispiel kann auch eine kathodische Depolarisation infolge einer Freisetzung von Sauerstoff am Tag durch Algen stattfinden. Außerdem können Pilze Schutzbeschichtungen auf Oberflächen in wässerigen Systemen auflösen. Folglich kann in Hinblick auf das Vorhergehende erkannt werden, daß Bakterien nur eine Quelle von Problemen hinsichtlich der mikrobiologischen Verschmutzung in wässerigen Systemen sind und daß andere Organismen eine bedeutende Rolle bei einer solchen Verschmutzung spielen können.
Die Detektion und Kontrolle von Mikroorganismen ist mit den Jahren gut verstanden und praktiziert worden. Jedoch bleibt die Verschmutzung und die Korrosion, die mit Mikrobenwachstum verbunden ist, ein Gebiet von Bedeutung. Gemäß der normalen industriellen Praxis wird eine Verschmutzung infolge eines Mikroorganismuswachstums bis weit nachdem eine Reduzierung der Wärmeübertragungseffizienz in Kühlsystemen aufgetreten ist, nicht detektiert. Jedoch hat zu dieser Zeit ein typisches Kühlsystem für eine lange Zeit ineffizient gearbeitet, und das Mikrobenwachstum ist weit fortgeschritten.
Gemäß einem Verfahren zur Detektion mikrobiologischer Verschmutzung, wie in US-A-5 281 537 offenbart, ist die Messung einer Abnahme des gelösten Sauerstoffs an einer Sondenmembran, wenn ein Nährzucker eingespritzt wird, kennzeichnend für eine mikrobiologische Verschmutzungsaktivität, vorausgesetzt, daß bei nachfolgenden Nährstoffeinspritzungen eine weitere Sauerstoffabnahme auftritt. Wenn keine weitere Sauerstoffabnahme auftritt, dann kann die Verschmutzung ein nicht lebensfähiger chemischer Typ sein.
Ein anderes bekanntes Verfahren zur Detektion mikrobiologischer Verschmutzung ist ein elektrochemisches Verfahren, das eine Sonde nutzt, die für eine kurze Zeitspanne jeden Tag ka thodisch polarisiert wird. Jedoch bleiben bei diesem Verfahren Messungen des erzeugten Stroms vor der Polarisation flach, ohne Zunahmen, wenn keine Biofilme vorhanden sind. Ferner werden gemäß diesem bekannten Verfahren Messungen des angelegten Stroms vor dem Ende der kathodischen Polarisation nicht mit der Zeit zunehmen, wenn keine Biofilme vorhanden sind. Jedoch wird das Vorhandensein von Biofilmen durch eine Zunahme sowohl der angelegten als auch der erzeugten Ströme bezüglich der Zeit von einem Grundlinienwert gezeigt. Beim Einsatz dieses Verfahrens haben die Detektionszeiten von etwa 12 Tagen bei Laborversuchen bis etwa 14 bis etwa 50 Tagen bei Einsatzversuchen variiert, mit einer Verzögerungszeit der Detektion von etwa 2,5 Stunden. Dieses Verfahren liefert keine Information hinsichtlich einer Einbuße der Wärmeaustauschleistung.
Ein anderes elektrochemisches Verfahren (siehe US-Patent 4,288,544) setzt lediglich die Messung des Kathodenstroms ein, und setzt voraus, daß die Zunahme des Kathodenstroms auf Mikrobenaktivität zurückzuführen ist. Obwohl mindestens eine gewisse Korrelation zwischen einer Zunahme des Kathodenstroms und der Mikrobenaktivität vorhanden ist, erfordert es jedes Maß an Sicherheit, daß die Änderung des Stroms einer Bioverschmutzung entspricht, daß ein Spitzenstrom erreicht wird und dann eine Abnahme des Stroms auftreten muß.
Diese Stromänderungen sind auch manuell mit einem Biofilmaufbau korreliert worden. Die Zugabe eines Mikrobizids zeigte eine Reduzierung des Kathodenstroms, was bewies, daß der Kathodenstrom von einer mikrobiologischen Aktivität herrührte. Leider existierte keine kontinuierliche Echtzeit-Verschmutzungserfassung- und/oder Verfolgungsfähigkeit, die eine Interpretation und/oder Differenzierung des gebildeten Films und ob er tatsächlich mikrobiologisch erlangt wurde erlaubte.
Sobald eine Verschmutzungsschicht detektiert wird und festgestellt wird, daß sie in ihrer Beschaffenheit mikrobiologisch ist, werden Verfahren verwendet, um die Organismen zu kontrollieren und zu beseitigen, die für die Verschmutzung verantwortlich sind. Es kann eine Vielfalt von Verfahren verwendet werden, um das Mikrobenwachstum zu kontrollieren. Solche Verfahren können Änderungen an den Bedingungen im wässerigen System und/oder die Verwendung von Verbindungen einschließen, die eine keimtötende Wirkung haben.
Änderungen an der Umgebung in einem wässerigen System können jede Änderung einschließen, die eine Umgebung schafft, die für die Existenz von Mikroorganismen ungünstig ist. Zum Beispiel ist es wohlbekannt, daß mikrobiologische Organismen in wässerigen Systemen durch Temperaturwechsel im System kontrolliert werden können.
Typischerweise wird die verwendete Behandlung auf die Mikrobe(n) zugeschnitten, die in die Verschmutzung verwickelt ist. Die spezifischen Organismen, die an der mikrobiologischen Verschmutzung in irgendeinem System beteiligt sind, können gezüchtet werden, wobei typische Züchtungsverfahren verwendet werden. Zum Beispiel können Wasserproben genommen werden, und Kulturen aus dem Wasser gezüchtet werden. Oberflächen im System können betupft und die Abstriche gezüchtet werden. Es können Tests durchgeführt werden, um die Wirksamkeit verschiedener Mikrobizide auf die gezüchteten Organismen zu bestimmen. Es kann dann ein Behandlungsplan ausgearbeitet werden, der ein oder mehrere Mikrobizide verwendet.
Gemäß einem Behandlungsprotokoll werden die Organismen, die eine mikrobiologische Verschmutzung von wässerigen Systemen verursachen, unter Verwendung einer Vielfalt von Mikrobiziden kontrolliert. Zum Beispiel können Mikrobizide, wie Chlor oder andere bekannte Biozide in das System eingespritzt werden, um das Wachstum der mikrobiologischen Organismen zu kontrollieren. Die spezifischen Mikroben, die eine Kontrolle erfordern, beeinflussen die Auswahl und das Verfahren der Anwendung der verwendeten Mikrobizide.
Es können mehrere Mikrobizide gleichzeitig verwendet werden, um einen additiven oder synergistischen Effekt zu erhalten. Mehrere Mikrobizide können auch verwendet werden, um vorteilhafte Ergebnisse zu erhalten, insbesondere beim Gebrauch von mehreren Mikrobiziden, die unterschiedliche Wirkungsweisen auf die Mikroben haben, die beteiligt sind.
Zuniga P.O. u.a., Chem. Processing, April 1990, 34–38, offenbart eine Kombination eines Korossionsraten-Meßgeräts und einer Verschmutzungsüberwachungsvorrichtung. Eine gleichzeitige Messung der Korrosionsrate und des Verschmutzungsfaktors wird außerdem in US-A-4 762 168 und US-RE-33468 offenbart. Manchmal wurde die Korrosionsrate bezüglich der Zeit integriert, um einen Summenmassenverlust zu ergeben, siehe US-A-4 238 298 und US-A-4 780 664.
Obwohl Verfahren zur Detektion von mikrobiologischer Verschmutzung bekannt sind, leiden diese Verfahren unter Nachteilen, wie Ineffizienz, Langsamkeit und Unzuverlässigkeit. Es können irreversible Korrosionsschäden und Betriebsprobleme aus der Verzögerung bei der Detektion einer mikrobiologischen Verschmutzung herrühren. Eine Verzögerung bei der Detektion des Problems kann unter anderem zur Verarbeitungsverzögerung im Verfahren, das durch das betroffene wässerige System ausgeführt wird, Ineffizienz im wässerigen System, Ineffektivität des Systems und zum Verlust an Zeit, Geld und Energie führen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Hinblick auf das Obige ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Analyse von Daten bereitzustellen, die aus wässerigen Systemen überwacht oder hergeleitet werden, um eine Detektion von mikrobiologischen Verschmutzungsproblemen bereitzustellen, lange bevor Änderungen der Hauptmasse des umlaufenden Wassers den Bediener von einem Problem alarmieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Überwachung verschiedener Eigenschaften wässeriger Systeme bereitzustellen, um eine mikrobiologische Verschmutzung zu detektieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im wesentlichen gleichzeitige Implementierung eines antibiologischen Schmutzstoffsprotokolls mit der Detektion einer mikrobiologischen Verschmutzung bereitzustellen, um die mikrobiologische Verschmutzung schnell zu reduzieren und/oder zu beseitigen.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur funktionellen Differenzierung zwischen einer mikrobiologischen Verschmutzung und einer anorganischen und organischen Verschmutzung bereitzustellen.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die ein Verfahren zur Detektion von mikrobiologischer Verschmutzung in einem wässerigen System ist, wie im Anspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Festellen, ob eine Verschmutzung in ihrer Beschaffenheit mikrobiologisch ist, und zum Ausführen eines Behandlungsprotokolls, um die Quelle der mikrobiologischen Verschmutzung zu beseitigen, wie im Anspruch 9 definiert.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens der Erfindung, wie im Anspruch 15 definiert.
Zusätzliche Merkmale werden in den anderen Ansprüchen angegeben.
Noch andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung ohne weiteres deutlich werden, wobei nur die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung durch eine Veranschaulichung der erwogenen besten Art der Ausführung der Erfindung gezeigt und beschrieben werden. Wie erkannt werden wird, ist die Erfindung zu anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen imstande, und ihre verschiedenen Details sind in offensichtlich verschiedener Hinsicht zu Modifikationen imstande, ohne die Erfindung zu verlassen, wie sie in den Ansprüchen definiert wird. Folglich sind die Zeichnungen und die Beschreibung in ihrer Natur als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine verallgemeinerte graphische Darstellung des Verschmutzungsfaktors und der Korrosion bezüglich der Zeit dar;
2 stellt eine graphische Darstellung dar, die den Verschmutzungsfaktor und die Korrosionsrate bezüglich der Zeit zeigt;
3 stellt eine graphische Darstellung dar, die den Verschmutzungsfaktor und die Korrosion bezüglich der Zeit und die Auswirkungen einer Biodispersionsmittelzugabe zeigt;
4 stellt eine graphische Darstellung dar, die die Strömung über den geheizten Prüfabschnitt bezüglich der Zeit zeigt, wenn eine biologische Verschmutzung auftritt;
5 und 6 stellen ein schematisches Diagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Detektion und Kontrolle einer mikrobiologischen Verschmutzung dar;
7 stellt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Vorrichtung dar, die Messungen ausführen kann, die in erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden;
8a stellt ein schematisches Diagramm eines Temperaturprofils eines sauberen Rohrs dar; und
8b stellt ein schematisches Diagramm eines Temperaturprofils eines durch Ablagerungen verschmutzten Rohrs dar.
Detaillierte Beschreibung von verschiedenen und bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung stellt eine Detektion, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Feststellen eines mikrobiologisch Filmwachstums des Stands der Technik bereit. Die Anzeige des linearen Polarisationswiderstands oder sein Wert wird entweder durch eine Reduktion des gelösten Sauerstoffs oder eine elektrochemische Detektion einer Sauerstoffreduktion an der Kathode beeinflußt. Beide Verfahren zum Feststellen, ob eine mikrobiologische Verschmutzung stattfindet, betreffen Verschmutzung (Filmbildung), da sie eher mit einer mikrobiologischen Aktivität als mit einer anorganischen Verschmutzung zusammenhängt. Vorzugsweise kann die vorliegende Erfindung im Gegensatz zu bekannten Verfahren und Vorrichtungen eine praktisch augenblickliche Detektion einer mikrobiologischen Verschmutzung zulassen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein System gemäß dem erneut ausgegebenen US-Patent (engl. reissue patent) 33,468 von Brindak enthalten, erteilt am 4. Dezember 1990, für „Process and Apparatus for Testing Fluids for a Fouling and Anti-fouling Protocol". Alternativ kann die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung gemäß dem erneut ausgegebenen US-Patent (engl. reissue patent) 33,346 von Knudsen u.a. enthalten, erteilt am 5. September 1990, für „Process and Apparatus for Testing Fluids for a Fouling". Beispiele solcher Systeme schließen einen P.U.L.S.E. Analyzer^® oder einen ONGUARD CFM 1100 Monitor^® ein, die beide Rohrback Casasco CORRATOR-Korrosionsüberwachungsvorrichtungen enthalten, die von Ashland Chemical Company, Drew Industrial Division of Boonton, New Jersey hergestellt und vertrieben werden. Zur Behandlung des wässerigen Systems, um das Wachstum von Mikroorganismen zu kontrollieren, die an der mikrobiologischen Verschmutzung beteiligt sind, kann ein Onguard Control System verwendet werden, das durch Ashland Chemical Company, Drew Divisions of Boonton, New Jersey, hergestellt und vertrieben wird.
Eine Anwendung einer Vorrichtung nach einem dieser beiden Patente läßt eine kontinuierliche Detektion der Verschmutzung und eine Differenzierung zwischen einer nicht lebensfähigen chemischen Verschmutzung und einer mikrobiologischen Verschmutzung zu. Die Systeme können mindestens ein Elektrodenpaar und eine Vorrichtung zum Anlegen eines Stroms an die Elektroden und zur Messung des Stromflusses enthalten, um Korrosionsraten zu berechnen. Die Systeme können auch einen Heizstab und eine Vorrichtung zur Messung von Verschmutzungsfaktoren enthalten, wie im US-Patent 4,339,945 definiert, das als erneut ausgegebenes US-Patent (engl. reissue patent) 33,346 an Knudsen u.a. neu erteilt wurde. Das System kann außerdem eine Einrichtung zur Messung des Redoxpotentials (ORP) enthalten, abhängig davon, ob die Vorrichtung und das Verfahren nur die Detektion ausführen oder sie auch automatisch eine detektierte mikrobiologische Verschmutzung lindern.
Vorzugsweise weist eine Vorrichtung, die erfindungsgemäß eingesetzt wird, einen Prozessor zur Datenverarbeitung auf. Wie hierin beschrieben wird, können die Daten gemessene Korrosions raten, Verschmutzungsfaktoren und Strömung unter anderen Parametern enthalten. Vorzugsweise werden mit einem manuellen Verfahren bei der Nutzung dieses Verfahrens die Daten vollständig nutzbar gemacht. Der Einbau eines Verfahrens zur Messung der oben aufgeführten Variablen in ein Steuersystem, wie eines der oben aufgeführten kommerziellen Modelle, kann eine schnellere Antwort auf die Entwicklung von Daten zulassen, die für eine mikrobiologische Verschmutzung kennzeichnend sind. Der Einbau des Verfahrens in das Steuersystem schließt vorzugsweise die Nutzung eines wissensbasierten integrierten Nachrichtenbetriebssystems bzw. intelligenten Betriebssystems ein. Ein integriertes Nachrichtensystem bzw. intelligentes System besitzt die Fähigkeit, kontinuierlich differentielle Änderungen des Verschmutzungsfaktors und der Korrosionsrate zu analysieren. Eine erfolgreiche Behandlung eines Systems, eines wässerigen oder eines anderen, kann durch die Änderung des Verschmutzungsfaktors (ΔFF) als Funktion von Änderungen der in ΔMilli-Inch pro Jahr (mpy) gemessenen Korrosionsrate bestätigt werden. Die erfolgreiche Behandlung kann außerdem ferner durch Änderungen des Redoxpotentials bestätigt werden, was folglich eine sekundäre Prüfung zur Beendigung der Behandlung zuläßt. Die Vorrichtung weist außerdem typischerweise einen Wärmeübertragungs- oder Heizstababschnitt auf.
Zusätzlich kombiniert eine Vorrichtung zur Ausführung der Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Messung des linearen Polarisationswiderstands (LPR) mit einem Wechselstromverfahren zur Widerstandskompensation, um ein genaueres Maß des Korrosionsstroms bereitzustellen. Die Arbeit einer solchen Vorrichtung beruht mindestens teilweise auf der Erkenntnis, daß die Korrosionsrate direkt proportional zur Korrosionsstromdichte ist.
Wenn eine Metallprobe einer korrodierenden Umgebung ausgesetzt wird, finden auf der Oberfläche des Metalls sowohl Oxidations- als auch Reduktionsprozesse statt. Typischerweise wird das Metall oxidiert (Korrosion) und entweder das Lösungsmittel oder Sauerstoff werden reduziert. Wenn es möglich wäre, den Elektronenfluß infolge der Metalloxidation zu messen, dann könnten der Korrosionsstrom und daher die Korrosionsrate direkt bestimmt werden. Jedoch kann nur der äußere Nettostrom gemessen werden. Zusätzlich finden beim offenen Stromkreis, mit anderen Worten unter normalen Bedingungen, die Oxidations- und Reduktionsreaktionen mit derselben Geschwindigkeit statt. Das bedeutet, daß der Nettoelektronentransfer und daher der äußere Nettostrom null sind.
Der Polarisationswiderstand R_p einer Korrosionselektrode ist als die Steigung des Potentials E als Funktion der Stromdichte i definiert, die beim Korrosionspotential E_corr aufgetragen ist, wie durch die folgende Gleichung definiert: Rp = δ(ΔE)/δi, wenn E -> 0. (1)
In dieser Gleichung ist ΔE = E – E_corr die Polarisation aus dem Korrosionspotential und δi ist die Stromdichte, die einem bestimmten Wert entspricht. M. Stern und A.C. Geary zeigten 1957, daß für ein korrodierendes System die folgende Gleichung gilt: δ(ΔE)/δi = Rp = babc/2,3icorr(ba + bc) (2).
In dieser Gleichung repräsentieren b_a und b_c die elektrochemischen anodischen bzw. kathodischen Tafelsteigungen in Einheiten von Volt. Die Gleichung kann vereinfacht werden, indem die Konstanten kombiniert werden, was zu der folgenden Gleichung führt: Rp = B/icorr (3)
In dieser kombinierten Gleichung gilt B = b_ab_c/2,3 (b_a + b_c).
Für die meisten Konstruktionsmetalle in korrodierenden Wasserlösungen weist B einen Wert von annährend 0,0275 Volt auf. Wenn daher R_p gemessen werden kann, kann i_corr durch Verwendung der obigen Gleichung (3) berechnet werden.
Die Korrosionsstromdichte i_corr steht mit der Korrosionsrate durch das Faraday-Gesetz in Beziehung. Die Beziehung ist wie folgt: Cr = K × (AW)/FnD × icorr (4)
Gemäß dieser Beziehung ist K die Konstante, die durch die ausgewählten Maßeinheiten bestimmt wird, (AW) ist die Atommasse des Metalls, F ist die Faraday-Konstante von 9,6485309·10⁴ C/mol (96,494 coul./eq. mole), n ist die Anzahl der Elektronen, die durch jedes Metallatom freigesetzt werden, wenn es oxidiert, manchmal als Valenzänderung bezeichnet, und D ist die Metalldichte.
In der Praxis beinhaltet das LPR-Verfahren die Messung des Polarisationswiderstands einer Metallelektrode, die dem Material der Konstruktion sehr nahe kommt, wie einem Rohr oder einem Kessel, für das die Korrosionsrateninformation gewünscht wird. Da keine Einzelelektrodenpotentiale gemessen werden können, ist eine zweite Elektrode erforderlich, um den Meßstromkreis zu vervollständigen. Da die beiden Elektroden so ausgewählt werden, daß sie im Grunde genommen identisch sind, kann angenommen werden, daß die Polarisationswiderstände an den Metall-Flüssigkeitsgrenzflächen der beiden Elektroden nahezu gleich sind.
In der Implementierung des Polarisationswiderstand-Verfahrens führt der Lösungswiderstand der Umgebung einen meßbaren Fehler ein, wenn seine Größe verglichen mit dem Polarisationswiderstand merklich ist. Kürzlich entwickelten Haruyama und Tsuru eine Wechselstromtechnik, um die Effekte dieses Lösungswiderstands automatisch zu korrigieren.
Ein vereinfachtes Diagramm einer Zweielektroden-Sonde, die in eine fließende Wasserlösung eingetaucht ist, wird in 7 gezeigt. In 7 repräsentieren EL1 und EL2 Elektroden, S repräsentiert eine Lösung, R_p repräsentiert den Polarisationswiderstand, C_dl repräsentiert die Kapazität einer Doppelschicht, die an einer Grenzfläche zwischen den Metallelektroden EL1 und EL2 und der Lösung S vorhanden ist, R_s repräsentiert den Elektrolytwiderstand der Lösung zwischen den Elektroden, und I repräsentiert das Instrumentarium in der Vorrichtung zum Abfühlen, Messen, Analysieren, Berechnen und andere Funktionen.
In einer typischen Vorrichtung zur Ausführung von Verfahren der Erfindung wird der Wert von R_p bestimmt, indem zwei elektrische Messungen vorgenommen werden: (1) eine Niederfrequenzmessung, wobei die C_dl-Impedanz verglichen mit R_p sehr groß ist; und (2) eine Hochfrequenzmessung, wobei die C_dl-Impedanz verglichen mit R_p sehr klein ist. Bei der Niederfrequenzmessung ist Rlf = [δ(ΔElf)]/(δilf) = 2Rp + Rs. (5)
Bei der Hochfrequenzmessung ist Rhf = [δ(ΔEhf)]/(δihf) = Rs. (6)
Durch Subtraktion der beiden Messungen folgt Rlf – Rhf = 2Rp + Rs – Rs = 2Rp. (7)
Eine Umstellung der Gleichung (3) und ihre Kombination mit der Gleichung (7) ergibt das folgende: icorr = B/Rp = 2B/(Rlf – Rhf) (8)
Für eine Eisenelektrode mit einer Elektrodenfläche von 5cm² wird unter der Voraussetzung von B = 0,0275 Volt und unter Verwendung der Gleichungen (4) und (8) die Korrosionsrate als Funktion der gemessenen Widerstände pro Einheitsfläche (Ohm/cm²) ausgedrückt als: Cr [mpy] = 25,000/(Rlf – Rhf) (9)
Die Gleichung (9) kann verwendet werden, um die Korrosionsrate von Eisenlegierungen zu berechnen, wenn die Korrosionsrate in Milli-Inch pro Jahr (mpy) ausgedrückt wird. Wenn eine Ablesung von mm/Jahr gewählt wird, wird der durch die Gleichung (9) berechnete C_r-Wert mit 0,0254 multipliziert. Wenn Elektroden aus anderen Elementen oder Legierungen verwendet werden, wird der C_r-Wert in mpy, der unter Verwendung von Gleichung (9) berechnet wird, mit einem Multiplikationsfaktor multipliziert, der als ein auf dem Bedienfeld auswählbarer Multiplikator implementiert sein kann.
Für weitere Einzelheiten hinsichtlich der Berechnung und/oder Definition irgendeiner der oben definierten Gleichungen und/oder Variablen, siehe den Abschnitt Variablen und Gleichungen unten.
Die vorliegende Erfindung schließt außerdem Verfahren zur Detektion einer mikrobiologischen Verschmutzung in einem wässerigen System ein. Sobald die Verschmutzung detektiert ist und festgestellt wird, daß sie mikrobiologisch ist, kann die vorliegende Erfindung außerdem ein Verfahren zur Festlegung eines Behandlungsprotokolls einschließen, das verwendet werden soll, um die Verschmutzung zu kontrollieren und die Behandlung auszuführen.
Gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die Detektion einer mikrobiologischen Verschmutzung durch eine gemeinsame Integration des linearen Polarisationswiderstands (LPR) oder des Kathodenstroms und der Verschmutzungsfaktoren bezüglich der Zeit erhalten werden. Es wird aus der dynamischen bzw. on-line/Echtzeit-Überwachung eines arbeitenden Systems erkannt werden, daß Ergebnisse erhalten werden können die sich Laborversuchen stark annähern. Die dauernde Überwachung stellt eine Detektion wie folgt bereit.
Zuerst werden Korrosionsratenwerte aus dem CORRATOR (mpy, Milli-Inch (1/1000 von 0,0254 m) (1/1000 eines Inch) Metallverlust pro Jahr) bezüglich der Zeit über ein Intervall von etwa i bis etwa m integriert, wobei i gleich der Grundlinienkorrosionsrate zur Zeit i ist, und m gleich der maximalen Korrosionsratenzunahme zur Zeit m ist. Dieser integrierte Wert wird als Integral 1 bezeichnet.
Danach wird der Verschmutzungsfaktor bezüglich der Zeit über ein Intervall von etwa i bis etwa f integriert, wobei i gleich einem Grundlinienverschmutzungsfaktor zur Zeit i ist, und f gleich der Verschmutzungsfaktorzunahme über die Grundlinie um etwa 20 bis etwa 50 Einheiten zur Zeit f ist. Dieser integrierte Wert wird als Integral 2 bezeichnet. Der Verschmutzungsfaktor ist ein Wert mit den Einheiten 0,093°C·m²/W·10^–5 (HR°F(ft)²/BTU × 10^–5) (Stunden Grad Fahrenheit Quadratfuß pro englische Kalorie oder das Inverse der Leitfähigkeit). Der Abschnitt Variablen und Gleichungen unten stellt die Berechnung des Verschmutzungsfaktors detailliert dar. In den Gleichungen ist der Verschmutzungsfaktor (FF) durch die Formel definiert: FF = [1/UF – 1/UC].
In dieser Formel ist U_F ein Koeffizient für die Wärmeübertragung bei einer verschmutzten Oberfläche, und U_C ist ein Koeffizient für die Wärmeübertragung bei einer sauberen Oberfläche. Der Abschnitt mit dem Titel Variablen und Gleichungen unten stellt die Berechnung dieser Koeffizienten und anderer Variablen und Gleichungen detaillierter dar.
Durch die Arbeit einer Dauerüberwachungsanlage können Grundlinienkorrosionsraten und Verschmutzungsfaktoren erhalten werden, die dem System innewohnen. Durch Nutzung einer Abtastung mit einer gemeinsamen Startzeit, bei der die Korrosion beginnt, über die Grundlinie zu steigen, können die Integrale 1 und 2 verglichen werden. Es ist festgestellt worden, daß spezifische graphische Darstellungen zu 1 ähnliche Trends aufweisen.
Eine mikrobiologische Verschmutzung ist detektiert worden, wenn das Integral über die Intervall von etwa t_i bis etwa t_f (Δt_f ist gleich einem Integral der Zeit zur Verschmutzung vom Beginn der Korrosionszunahme zur Zeit t₁) größer oder gleich etwa 1,4x ist, wobei x als der Wert des Integrals über das In tervall von etwa t_i bis etwa t_m ist (t_m ist die Zeit zur maximalen Korrosionsänderung nach der Festlegung einer Grundlinienkorrosionsrate). Beispiele werden in Tabelle 1 gegeben.
Tabelle 1 – Beispiel 1
Die obige Analyse der Daten, die durch die vorhergehend offenbarte Vorrichtung geliefert werden, läßt es zu, daß die vorliegende Erfindung zwischen einer mikrobiologischen Verschmutzung und anderen Arten einer Verschmutzung differenziert. Die 2–4 stellen graphische Daten bereit, die verwendet werden, um das Analyseverfahren der vorliegenden Erfindung zu entwickeln, das als Kontrolle der mikrobiellen Verschmutzung oder Biofilmdetektion verwendet wird, wobei die vorher offenbarte Vorrichtung verwendet wird. Die durch die graphischen Darstellungen in den 2–4 repräsentierten Daten wurden über eine etwa zweimonatige Zeitspanne genommen, die durch die horizontale Achse angegeben wird. Es wurden verschiedene Messungen über diese Zeitspannen vorgenommen, die durch die vertikalen Achsen der graphischen Darstellungen repräsentiert werden.
In 3 fiel die Verschmutzung und die Korrosion beträchtlich, nachdem ein Biodispersionsmittel zugegeben wurde. 4 zeigt, wie dramatisch die Strömung abfällt, wenn die Verschmutzung fortschreitet. 2 repräsentiert ein System, das nicht durch Mikrobizide kontrolliert wird, um den Verlauf der Verschmutzung und ihre Auswirkung auf das wässerige System festzustellen.
Je größer das mikrobiologische Verschmutzungspotential des Kühlwassers ist, und/oder je niedriger die lineare Geschwindigkeit eines kritischen Wärmeaustauscher ist, je höher ist die Geschwindigkeit der Verschmutzung und je schneller ist die Detektion der mikrobiologischen Verschmutzung in der vorliegenden Erfindung.
Die beiden Integrale können vielmehr auf relative Einheiten als auf absolute Tage weiter verallgemeinert werden. Folglich kann das Integral 2 über das Intervall von etwa t_i bis etwa t_f (Δt_f) in irgendwelchen Zeiteinheiten vorliegen. Zum Beispiel können die Einheiten Minuten, Stunden, Tage sein, mit einer Einschränkung einer Untergrenze, um sicherzustellen, daß die Verschmutzung in ihrer Natur mikrobiologisch ist. Die untere Grenze des Integrals 2 (Δt_f) ist durch praktische Tätigkeit auf etwa zwei Stunden bis zu etwa zwei Tagen festgelegt, beruhend auf den Daten, die in 2 und Tabelle 3 gezeigt werden. Irgendein Wert unter dieser Grenze ist wahrscheinlich auf eine organische Verunreinigung aus Fremdquellen zurückzuführen, wenn die Korrosionsraten nicht beeinflußt werden. Fremdquellen könnten zum Beispiel Prozeßlecks oder eine flüchtige Injektion von organischem Material, das heißt ein Fehler von hydraulischen Getrieben und dergleichen sein. Wo sich die Korrosionsrate nicht ändert, ist die Verschmutzung wahrscheinlich in ihrer Beschaffenheit eine nicht lebensfähige anorganische und/oder mineralische Ablagerung.
Das berechnete Δt_f bestätigt, daß die Verschmutzung mikrobiologisch ist. Daher wird zur Einfachheit und für eine schnellere Detektion von Biofilmen die Untergrenze von Δt_f zwischen etwa 2 Stunden und etwa 2 Tagen (Δt_f) mal 1,4 liegen.
Sobald festgestellt wird, daß die Verschmutzung in ihrer Beschaffenheit mikrobiologisch ist, kann die vorliegende Erfindung Schritte enthalten, um die verantwortlichen Mikroorganis men zu kontrollieren und/oder zu beseitigen. Solche Schritte können die Änderung der chemischen und/oder physikalischen Umgebung innerhalb des Systems umfassen, um eine Umgebung zu schaffen, die ungünstig für die Organismen ist. Solche physikalischen Änderungen an der Umgebung können Temperaturwechsel und/oder die Änderung des pH-Werts des Systems einschließen.
Außerdem können die Schritte das Hinzufügen von Verbindungen einschließen, die eine Biozidwirkung im wässerigen System haben. Ferner kann das Verfahren das Hinzufügen von Wachstumshemmstoffen, Biodispersionsmitteln, Nicht-Oxidationsmitteln, Oxidationsmitteln, und/oder anderen Verbindungen zum System einschließen. Es kann auch jede andere bekannte Behandlung gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Beispiel 1
Verlust der mikrobiologischen Kotrolle von Biofilmen und der Korrosion
Eine Reduzierung des Kühlwirkungsgrads eines Gaswärmetauschers und die anschließende Zunahme der gesamten Korrosionsraten sowohl der Weichstahl- als auch Messingstücke veranlaßte die Verwendung einer dynamischen bzw. on-line Detektionsanlage.

Die herkömmlichen Kühlwasser- und Behandlungsparameter für diese Stelle werden im folgenden in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2

Konzentrationszyklen	6,5
pH	8,3
LSI	1,5
Gesamthärte als CaCO₃	670 ppm
Kalziumhärte als CaCO₃	450 ppm
Gesamtbasizität als CaCO₃	190 ppm
Sulfat als SO₄	370 ppm

Silika als SiO₂	8,8 ppm
Chlorid als Cl	103 ppm
Leitfähigkeit	1270 μS
Weichstahl	1–2 mpy keine Korrosion unter Ablagerungen (U.D.C.)
Scheinbare Haltezeit (ART)	4,3 Tage
Halbwertszeit	3,0 Tage
Austauschergeschwindigkeit
Auslegung	1,81 m/s (5,93 ft/sec)
tatsächlich	0,73 m/s (2,38 ft/sec)
Wärmestrom	14,270 Btu/hr·ft²
Außenhauttemperatur (berechn.)	105° F
Aerobe Bakterien	10,000 CFU/ml
Organische Stoffe insgesamt	Korrosions-/Ablagerungskontrolle
Schwefelsäure	Alk. Reduktion
Kontinuierliche Chlorierung	1,5 ppm F.A.C.
Isothiazolin	1,5 ppm einmal/Monat

Eine dynamische bzw. on-line Überwachung zeigte, daß bei Auslegungsgeschwindigkeiten die Weichstahl-Korrosionsraten zu jenen an historischen Stücken von 0,8 mpy äquivalent waren, während die Verschmutzungsfaktoren auf einem Nennwert von 2,79°C·m²/W·10^–5 (30 hr°F(ft)²/Btu × 10^–5) lagen. Es wurde eine weitere Untersuchung vorgenommen, und es wurde festgestellt, daß die tatsächliche Austauschergeschwindigkeit 0,73 m/s (2,38 ft/sec) und nicht 1,81 m/s (5,93 ft/sec) betrug. Die Überwachungsanlage wurde dann auf eine Geschwindigkeit von 0,89 m/s (2,93 ft/sec) zurückgesetzt. Bei dieser Einstellung begann die Weichstahlkorrosionsrate innerhalb von 2 Tagen zu steigen und erreichte ein Maximum von 9 mpy am 4,5-ten Tag, während der Verschmutzungsfaktoranstieg um annähernd 5 Tage zurückblieb. Die Kolonisierung brauchte 2 Tage, und eine vollständige mikrobiologische Matrix lag nach 5 Tagen vor, während die Verschmutzung auf 57,60°C·m²/W·10^–5 (620 hrF°(ft)²/Btu × 10^–5) innerhalb von 14 Tagen oder 9 Tagen nach der maximalen Korrosion anstieg.
Infolge der Verzögerung der Verschmutzung wurde ein anorganisches Dispersionsmittel zugegeben, um auf die Korrosionszunahme zu reagieren. Die Korrosionsrate fiel auf 1,1 mpy, während die Verschmutzung ein Maximum erreichte. Eine anschließende Zugabe eines Biodispersionsmittels führte zu einer gründlichen Reinigung des Schmutzstoffs, die den Verschmutzungsfaktor auf 2,79°C·m²/W·10^–5 (30 hr°F(ft)²/Btu × 10^–5) und die Korrosionsraten auf etwa 0,3 mpy senkte.
Bei einer CORRATOR-Elektrodeninspektion, und insbesondere bei einer Inspektion der CORRATOR-Elektrodenspitze, war nach dieser Reinigung deutlich, daß eine Beschädigung durch eine Korrosion unter Ablagerungen geschehen war. Die graphischen Darstellungen der dynamischen bzw. on-line Überwachung der Verschmutzung, der Strömung und der Korrosion werden in den 2 und 3 dargestellt.
Die mikrobiologische Aktivität wurde ebenfalls verfolgt und die Ergebnisse werden in Tabelle 3 im Anhang A dargestellt. Die Hauptmasse Wasser hatte am Anfang der Überwachungsperiode einen aeroben Gesamtplattenzählwert von 1,3 × 10⁶ koloniebildende Einheiten pro Milliliter (CFU/ml) und einen anaeroben Plattenzählwert von 3040 CFU/ml gezeigt. Chlor, Isothiazolin, Glutaraldehyd und eine quartäre Diamin-Verbindung (engl. diamine quat) wurden auf diese Kulturen wegen ihrer Wirksamkeit angewendet. Alle Mikrobiozide waren wirksam, das heißt, es trat an allen Proben eine Populationsreduzierung von 99,9–100% bei niedrigen Dosierungen auf, mit der Ausnahme der Wäschen der Heizstab-Überwachungsvorrichtung.
Selbst Chlor bei 5 ppm, frei vorliegendes Chlor (F.A.C.), reduzierte die Populationen nicht. Folglich wurde ein Biodispersionsmittel gewählt, um die Verschmutzung zu reduzieren. Die Heizstab- und CORRATOR-Spitzenablagerungen und die Ergebnisse werden unten in Tabelle 4 angegeben.
Tabelle 4
Wahrscheinlichste Kombinationen
Die Schlußfolgerungen des mikrobiologischen Verschmutzungsdetektionsversuchs können wie folgt zusammengefaßt werden:
Beispiel 2
Es wurde beobachtet, daß ein Kondensatorkühlsystem einer Klimaanlage mit einer scheinbarer Haltezeit von 92,4 Stunden (3,85 Tage) und einer Halbwertszeit von 64,7 Stunden (2,7 Tage) bei drei Konzentrationszyklen die Kontrolle der Bioverschmutzung verlor. Die Schockzugaberate von 2,25 ppm aktivem Isothiazolin mit anschließender Schockzugabe alle drei Tage, das heißt, nahe der Systemhalbwertszeit, von 1,125 ppm aktivem Isothiazolin hielt den Verschmutzungsfaktor bei 9,29°C·m²/W·10^–5 (100 hr°F(ft)²)/Btu × 10^–5). Ein Senkung der Isothiazolin-Bioziddosierung auf anfänglich 1,125 ppm aktivem Isothiazolin und mit einer anschließenden wöchentlichen Zugabe von 1,125 ppm aktivem Isothiazolin, was gerade größer als eine scheinbare Haltezeit, das heißt 102 Stunden ist, führte zu einer Zunahme des Verschmutzungsfaktors auf 27,87°C·m²/W·10^–5 (300 hr°F(ft)²/Btu × 10^–5).
Es wurde festgestellt, daß der Heizstab-Schmutzstoff 90% Feuchtigkeit und Mikroorganismen enthielt, und eine getrocknete Analyse enthüllte einen Erhitzungsverlust von 27%, das heißt, organische Stoffe, als auch anorganische Stoffe, die aus dem umlaufenden Wasser herrührten. Es waren auch schwarze Knötchen auf dem Heizstab vorhanden und erzeugten bei der Zugabe von Salzsäure eine Schwefelwasserstofffreisetzung. Die Verschmutzung war in ihrer Natur biologisch. Von Interesse war auch die Tatsache, daß nachdem der Heizstab mechanisch gereinigt und wieder eingebaut wurde, die Zeit zur maximalen Verschmutzung 28 bis 36 Stunden betrug.
Beispiel der Systemlogik
Das folgende stellt eine Ausführungsform einer verallgemeinerten Logikmatrix dar und ist in keiner Weise der Prototyp, sondern vielmehr ein Sprungbrett, das verwendet werden soll, um eine Einspeisungsanlage, Detektionsanlage, Rechnersteuerung, Software und SPC zu nutzen, in denen künstliche Intelligenz angewendet werden kann. Ein verallgemeinertes Layout wird in den 5 und 6 dargestellt.
1) Fall 1
Fall 2
Schlüssel zu Definitionen:
Variablen und Gleichungen Verschmutzungsfaktoren
Indizes:

b

= Hauptmasse des Fluids

c

= Saubere Bedingungen

d

= Verschmutzte Bedingungen/Ablagerung

f

= Wasserfilm

F

= Kraft

o

= Auslegungsbedingungen

s

= Oberfläche

w

= Wand

Die folgenden Gleichungen sind grundlegende Wärmeübertragungsalgorithmen, die auf eine Verschmutzungsanalyse anwendbar sind. Bei der Interpretation dieser Gleichungen kann auf die oben aufgelisteten Variablen ebenso wie auf die 8a und 8b Bezug genommen werden. Die 8a und 8b zeigen schematische Diagramme eines Temperaturprofils eines sauberen bzw. eines durch Ablagerungen verschmutzten Rohrs. Die in den 8a und 8b gezeigten Variablen werden oben definiert. Zusätzlich repräsentiert Mw eine Metallwand eines Rohrs, Wf repräsentiert einen Wasserfilm, der an die Rohrwand angrenzt, und D repräsentiert eine Ablagerung an der Rohrwand.
Für einen Prozeßwärmeaustauscher: U = (q/A)/LMTD
Für eine Verschmutzungsüberwachungsvorrichtung: U = (q/A)/(Tw – Tb) UA = 1/(Rw + Rd + Rf) U = (m/A)(T2 – T1)(CP)/LMTD, für Wasser, CP = 1
Für eine saubere Wärmeaustauschoberfläche: (Ts)c = (Tw)c – [(q)c(Rw)](Rf)c = [(Ts)c – (Tb)c]/(q)c
Für eine verschmutzte Wärmeaustauschoberfläche: (Ts)d = (Tb)d + (q)d(Rf)d Rd = [(Tw)d – (Ts)d]/(q)d – Rw
Wenn q/A, T_b und R_f während eines Verschmutzungsverlaufs konstant bleiben, dann kann R_d (Verschmutzungsfaktor) berechnet werden: Rd = [(Tw)d – (Tw)c]/(q)
Es kann ein Sauberkeitsfaktor bestimmt werden: CF, UC/Uo
Wenn U_o nicht bekannt ist, kann er berechnet werden: Uo = 1/((1/UC) + ARd]
Die allgemeine Gleichung zur Druckabfallbestimmung, die auch als Darcy-Weisbach-Gleichung bekannt ist, lautet: hf = ΔP = (fLV2)/(2Dg)
Die folgenden Gleichungen definieren die Scherbeanspruchung: f = 0,079Re–0,25 τ2 = fpV2/2g rmax 2 = (r2 2 – r1 2)/ln(r2/r1)2 τ1 = τ2(r2/r1)(rmax 2 r1 2)/(r2 2 – rmax 2)
Obwohl das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Vorrichtung für eine dynamische bzw. on-line Korrosionsüberwachung sorgt, können andere Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt werden. Vorzugsweise kann die Vorrichtung und das Verfahren verwendet werden, das eine reproduzierbare Korrosionsrate erzeugt.
In dieser Offenbarung werden nur die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben, jedoch ist es, wie oben erwähnt, zu verstehen, daß die Erfindung zur Verwendung in verschiedenen anderen Kombinationen und Umgebungen imstande ist, und zu Änderungen oder Modifikationen innerhalb des Rahmens des erfinderischen Konzepts imstande ist, wie es hierin ausgedrückt wird.

Claims

Verfahren zur Detektion einer mikrobiologischen Verschmutzung in einem wässerigen System, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bestimmen einer Grundlinienkorrosionsrate; b) kontinuierliches Messen der Korrosionsrate; c) Messen einer Änderung der Korrosionsrate; d) Messen einer maximalen Korrosionsrate; e) Bestimmen eines Grundlinienverschmutzungsfaktors durch Messen und Überwachen geeigneter Parameter eines Fluids in dem wässerigen System; f) Bestimmen einer Zunahme des Verschmutzungsfaktors über die Grundlinie; g) Integrieren der Korrosionsrate bezüglich der Zeit über ein Intervall von einer Zeit t_i der Bestimmung der Grundlinienkorrosionsrate zu einer Zeit t_m, wenn die maximale Korrosionsrate auftritt; h) Integrieren des Verschmutzungsfaktors bezüglich der Zeit über ein Intervall von einer Zeit t_i der Bestimmung des Grundlinienverschmutzungsfaktors zu einer Zeit t_f der Bestimmung der Zunahme des Verschmutzungsfaktors; und i) Vergleichen des Integrals des Verschmutzungsfaktors und des Integrals der Korrosionsrate, um festzustellen, ob die Verschmutzung mikrobiologisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grundlinienkorrosionsrate unter Ausnutzung des linearen Polarisationswiderstands bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Korrosionsrate unter Ausnutzung des linearen Polarisationswiderstands gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Änderung der Korrosionsrate unter Ausnutzung des linearen Polarisationswiderstands gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die maximale Korrosionsrate unter Ausnutzung des linearen Polarisationswiderstands gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das die Feststellung aufweist, ob die Verschmutzung mikrobiologisch ist, indem festgestellt wird, ob das Integral des Verschmutzungsfaktors einen Wert aufweist, der größer oder gleich etwa dem 1,4-fachen des Wertes des Integrals der Korrosionsrate ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Grundlinienverschmutzungsfaktor gemäß der Formel: Verschmutzungsfaktor = [1/UF – 1/Uc]bestimmt wird, wobei U_F ein Koeffizient für die Wärmeübertragung einer verschmutzten Oberfläche ist und U_C ein Koeffizient für die Wärmeübertragung einer sauberen Oberfläche ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Parameter den linearen Polarisationswiderstand aufweisen.
Verfahren zur Detektion und Kontrolle einer mikrobiologischen Verschmutzung in einem wässerigen System, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bestimmen einer Grundlinienkorrosionsrate; b) kontinuierliches Messen der Korrosionsrate; c) Messen einer Änderung der Korrosionsrate; d) Messen einer maximalen Korrosionsrate; e) Bestimmen eines Grundlinienverschmutzungsfaktors durch Messen und Überwachen geeigneter Parameter eines Fluids im wässerigen System; f) Bestimmen einer Zunahme des Verschmutzungsfaktors über die Grundlinie; g) Integrieren der Korrosionsrate bezüglich der Zeit über ein Intervall von einer Zeit t_i der Bestimmung der Grundlinienkorrosionsrate zu einer Zeit t_m, wenn die maximale Korrosionsrate auftritt; h) Integrieren des Verschmutzungsfaktors bezüglich der Zeit über ein Intervall von einer Zeit t_i der Bestimmung des Grundlinienverschmutzungsfaktors zu einer Zeit t_f der Bestimmung der Zunahme des Verschmutzungsfaktors; i) Vergleichen des Integrals des Verschmutzungsfaktors und des Integrals der Korrosionsrate, um festzustellen, ob die Verschmutzung mikrobiologisch ist; und j) Durchführen einer Behandlung des wässerigen Systems, wobei die Behandlung mindestens ein Element aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Hinzufügen einer effektiven Menge mindestens einer Verbindung, die einen biozide Wirkung aufweist, und Ändern der physika lischen Umgebung im wässerigen System, um Bedingungen zu schaffen, die für die Organismen ungünstig sind, die an der Verschmutzung beteiligt sind, besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Grundlinienkorrosionsrate, die Korrosionsrate, die Änderung der Korrosionsrate und die maximale Korrosionsrate bestimmt oder gemessen werden, indem der lineare Polarisationswiderstand im wässerigen System verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, das die Feststellung aufweist, ob die Verschmutzung mikrobiologisch ist, indem festgestellt wird, ob das Integral des Verschmutzungsfaktors einen Wert aufweist, der größer oder gleich etwa dem 1,4-fachen des Wertes des Integrals der Korrosionsrate ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Grundlinienverschmutzungsfaktor gemäß der Formel: Verschmutzungsfaktor = [1/UF – 1/UC],bestimmt wird, wobei U_F ein Koeffizient für die Wärmeübertragung einer verschmutzten Oberfläche und U_C ein Koeffizient für die Wärmeübertragung einer sauberen Oberfläche ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Parameter den linearen Polarisationswiderstand aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, das ferner den Schritt einer Bestätigung einer erfolgreichen Behandlung der mikrobiologischen Verschmutzung durch Vergleichen des Verschmutzungsfaktors und der Korrosionsrate nach Durchführung der Behandlung des wässerigen Systems aufweist.
Vorrichtung zur Detektion mikrobiologischer Verschmutzung in einem wässerigen System, wobei die Vorrichtung aufweist: a) mindestens ein Elektrodenpaar, das im wässerigen System angeordnet ist; b) eine Meßvorrichtung zur Messung des Stroms, der zwischen den Elektroden fließt; c) Überwachungsvorrichtungen und Meßvorrichtungen zur Überwachung und Messung von Bedingungen im wässerigen System, die den Verschmutzungsfaktor, die Korrosionsrate und den Heizstabprüfabschnitt-Abfluß aufweisen; und d) einen Prozessor zur Verarbeitung von Daten, die die gemessene Korrosionsrate, den Verschmutzungsfaktor und den Heizstababschnitt-Abfluß repräsentieren, wobei der Prozessor angepaßt ist, eine Grundlinienkorrosionsrate zu bestimmen, kontinuierlich die Korrosionsrate zu messen, eine Änderung der Korrosionsrate zu messen, eine maximale Korrosionsrate zu messen, einen Grundlinienverschmutzungsfaktor durch Messung und Überwachung geeigneter Parameter eines Fluids im wässerigen System zu bestimmen, eine Zunahme des Verschmutzungsfaktors über die Grundlinie festzustellen, die Korrosionsrate bezüglich der Zeit über ein Intervall von einer Zeit t_i der Bestimmung der Grundlinienkorrosionsrate zu einer Zeit t_m, wenn die maximale Korrosionsrate auftritt, zu integrieren, den Verschmutzungsfaktor bezüglich der Zeit über ein Intervall von einer Zeit t_i einer Bestimmung des Grundlinienverschmutzungsfaktors zu einer Zeit t_f der Feststellung der Zunahme des Verschmutzungsfaktors zu integrieren, und das Integral des Verschmutzungsfaktors und das Integral der Korrosionsrate zu vergleichen, um festzustellen, ob die Verschmutzung mikrobiologisch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Bedingungen den linearen Polarisationswiderstand einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, die ferner eine Einrichtung zur Messung des Redoxpotentials aufweist.