JT ~M~M Li Factsheet opofferingsanoden /erkeer en Waterstaat Ei AGE - Adviesgroep Emissies
Factsheet opofferingsanoden 1 Probleemstelling Om corrosie van stalen objecten en constructies zoals schepen, sluisdeuren, damwanden en steigers tegen te gaan worden op grote schaal zogenaamde opofferingsanoden toegepast. Bij direct contact van het staal met een etektrolyt en zuurstof gaat de anode door een elektrochemische reactie in oplossing waardoor de stalen constructie zelf niet wordt aangetast. Hierbij komt het betreffende anodemateriaal in het oppervlaktewater. Momenteel worden in Nederland op grote schaal zinken opofferingsanoden toegepast. Zink is echter een van de probleemstoffen waarvoor de Maximaal Toelaatbare Risicowaarde (MTR) in veel bekkens wordt overschreden. Goed waarneembare effecten van zink op waterorganismen zijn onder andere: een geremde groei bij algen, morfologische afwijkingen bij insecten, sterfte bij watervlooien en vlokreefjes en vermijdingsgedrag bij zalmachtigen. Uit brononderzoek is vast komen te staan dat opofferingsanoden een belangrijke emissiebron zijn. In onderstaande tabel is een overzicht opgenomen van op dit moment bekende emissies door het gebruik van zinken opofferingsanoden.t 2,3 Toepassingsgebied Omvang emissie [ton Zn/jrI Zeescheepvaart 114 Binnenvaart 5 Sluisdeuren (kustgebieden) 28 Steigers e.d. geen kwantitatieve gegevens bekend In deze factsheet worden alternatieven voor het gebruik van zinken opofferingsanoden genoemd. 2 Doelgroep De informatie die in deze factsheet is opgenomen richt zich in eerste instantie tot vergunningverleners en handhavers Wvo bij de waterkwaliteitsbeheerders. Daarnaast kan de informatie ook door gebruikers van opofferingsanodes worden gebruikt. 3 Achtergronden 4 3.1 Elektrochemische corrosie IJzer heeft het streven om terug te keren naar de thermodynamisch meest stabiele vorm en dat is de oxidevorm. Elektrochemische reacties aan het oppervlak van het blootgestelde metaal spelen daarbij een belangrijke rol. Dit zijn reacties waarbij ionen en elektronentransport plaatsvindt. Dit kan alleen in een geschikt geleidend medium. In dit geval fungeert het metaal als elektrode (elektronengeleidend medium) en het omringende water als elektrolytoplossing (ionengeleidend medium). Noot 1 EMS protocol Emissies door Zeevaart en Visserij, Anodes op schepen, P.Kuipers,oktober 2003, Adviesdienst Verkeer en Vervoer. 2 Concept-document Emissieschattingen Ditfuse Bronnen, Zinkanodes Sluisdeuren, werkdocument 2001.088X februari 2002 RIZA. Document Emissieschattingen Diffuse Bronnen, Zinkanodes binnenscheepvaart, werkdocument 2001.088X februari 2002 RIZA. Kathodische beschermingssystemen voor stalen damwanden, J. Gulikers, maart 2000, Bouwdienst RWS Rapportnr BSW 99-04/KBDAMWAND-R0002
Aanbevolen wordt om vanwege de mogelijke milieueffecten uitsluitend Al-Zn-Mg-ln toe te passen. Verder is bekend dat alleen de Indium geactiveerde aluminium anode toegepast kan worden in marine sedimenten. Algemeen geldt dat aluminium wordt gekenmerkt door een lage soortelijke massa en een hoge elektrische capaciteit. De oplossnelheid bedraagt 2,9 kg/a/jr. WerI<ing is optimaal in zout of brak water. In bijlage 1 is een formule opgenomen waarmee het mogelijk is de hoeveelheid benodigd anodemateriaal voor een bepaalde toepassing te berekenen. 4.2 Anodes gemaakt van magnesium/egeringen In zoet water kunnen anoden vervaardigd uit magnesiumlegeringen worden toegepast. De oplossnelheid van dit type anode bedraagt 4 kg/a/jr. 4.3 Systemen met opgedrukte stroom Dit soort systemen zijn aanmerkelijk complexer dan de eerder beschreven systemen met opofferingsanoden. Systemen met opgedrukte stroom zijn namelijk opgebouwd uit verschillende elektrische componenten. Dit vereist een behoorlijke kennis van elektronica en meet- en regeltechniek. Het voordeel van deze methode is wel dat de uitgangsspanning en daarmee de stroomsterkte over een willekeurig groot bereik kan worden geregeld. Hierdoor zijn er ook minder anodes nodig dan bij het galvanische systeem. De methode is eveneens minder afhankelijk van de aanwezige elektrolyt en de geleidbaarheid ervan. 5 Milieueffecten van de alternatieven 5.1 Opofferingsanoden Door toepassing van opofferingsanoden komen metaalionen in het oppervlaktewater terecht. Voor aluminium is recent door het RIZA 5 een verkenning van risico's voor het aquatisch milieu uitgevoerd. In dit rapport stelt het RIZA dat er in zoete wateren omstandigheden kunnen voorkomen waarin sprake is van risico's voor waterorganismen. In zure zoete wateren kunnen nadelige effecten optreden. De verwachting is dat op overige plaatsen de risico's laag zijn. Over de effecten van magnesium op waterorganismen is weinig bekend. Magnesium is een macrocomponent die in vrij hoge concentraties in oppervlakte water voorkomt en samen met calcium de hardheid van het water bepaald. 5.2 Systemen met opgedrukte stroom Het voordeel van dit systeem is dat er nauwelijks verontreinigende stoffen in het oppervlaktewater komen omdat gewerkt wordt met zogenaamde inerte anoden. Aan de andere kant wordt wel continu energie verbruikt om de benodigde stroom op te wekken. Noot 5 Afspoeling aluminium bouwdelen. Verkenning van risico's voor het aquatisch milieu RIZA rapport 2002045, R. Teunissen, augustus 2002.
{f 1. Rijkswaterstaat/ RIZA RilksinStituut voor Integraal Zoetwaterbehe& er 6 Financiële aspecten Afvalwaterbehandeling Docun,efltie Pr,r'tS 17 In vergelijking met zink zijn aluminium anoden per kg in veel gevallen duurder. Daar staat tegenover dat ze langer meegaan dan zinken exemplaren. Een en ander is afhankelijk van het type anode (vorm en hoeveelheid) dat toegepast wordt. Per saldo hoeft de omschakeling van zink naar aluminium niet te leiden tot kostenverhoging. Systemen met opgedrukte stroom zijn aanmerkelijk duurder dan de galvanische systemen waarbij naast de aanschafprijs ook de jaarlijks terugkerende variabele kosten (mn onderhoud en inspectie) beschouwd moeten worden. 7 Leveranciers Het toepassen van kathodische bescherming op stalen objecten is werk dat uitsluitend door specialisten uitgevoerd moet worden. Het betreft in veel gevallen ook maatwerk per specifieke toepassing. Hieronder zijn de gegevens opgenomen van enkele grote firma's die in Nederland opereren. Deze lijst is niet compleet. Firmanaam Website Van der Heide Cathodic Protection & Corrosion Engineering Hommema Kathodische Bescherming Merrem André de la Porte Vandervelde Protection www.bldn.com www.hommema.com www.madlp.nl www.vandervelde.nl Bijlage 1 Formule voor het berekenen van de hoeveelheid aluminium anode om een constructie te beschermen tegen corrosie. ((A*i c ) / 1000 )*t - E* u Hierin is: A = nat oppervlak van het te beschermen object [m 2 ]; i = benodigde elektrische stroomdichtheid [ma/m 2 ] Deze waarde kan verschillen per toepassing (15-35 ma/m 2 ); t = E = u = ontwerp levensduur [hrl elektrische capaciteit anode [Ah/kg] Voor aluminium: 2600 Ah/kg; utilization factor (fractie van het anodemateriaal dat tijdens de levensduur van de anode effectief zijn werk doet); gebruikelijke aanname: 0,9 m = hoeveelheid anodemateriaal nodig per jaar [kg]. 4
Door inwerking van buitenaf ontstaan op het metaaloppervlak plaatsen met verschillende elektrische potentiaal. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen: Anode: productie van elektronen, negatieve potentiaal l<athode: verbruik van elektronen, positieve potentiaal In combinatie met de elektrolyt kan er een gesloten stroomkring ontstaan waardoor de volgende kathodische en anodische reacties optreden: Anode: Kathode: 2 Ee -* 2 Fe 2 + 4e 2 H20 + 02 + 4e ---> 4 0H Bij elektrochemische corrosie wordt de elektrische spanning van een metaal ten opzichte van het agressieve medium met potentiaal aangeduid. Door de gelijktijdig verlopende anodische en kathodische reacties neemt het metaal een zogenoemde vrije corrosiepotentiaal Ecorr aan. Deze wordt vaak als potentiaalverschil uitgedrukt ten opzichte van een referentie-elektrode (bv Ag/AgCI). 3.2 Kathodische bescherming Het corrosieproces kan worden vertraagd of zelfs tot stilstand worden gebracht door het onderdrukken van de natuurlijke corrosiecellen op het metaaloppervlak. Deze toestand wordt bereikt wanneer de Vrije corrosiepotentiaal Ecorr, wordt verschoven in negatieve richting (gepolariseerd). Omdat de potentiaal in negatieve richting wordt verschoven wordt dit proces met kathodische bescherming aangeduid. Uit de praktijk blijkt dat de potentiaalverschuiving tenminste 200 mv moet zijn om effectief te zijn. Dit l<an gerealiseerd worden door een elektrische stroom aan het te beschermen staal toe te voeren. Er zijn twee methoden om elektronen aan het staal toe te Voeren: Systemen met opofferingsanoden waarbij de benodigde beschermstroom wordt ontleend aan een metaal dat in het betreffende milieu elektronegatiever (minder edel) is dan het object dat beschermd moet worden. In de praktijk worden legeringen op basis van zink en aluminium voor de bescherming van staal in zeewater gebruikt. In zoet water kan ook gebruik gemaakt worden van magnesiumanoden. Systemen met opgedrukte stroom waarin gelijkstroom wordt gebruikt tezamen met relatief chemisch inerte anodes zoals grafiet of dunne coatings van platina op titanium. De benodigde gelijkstroom wordt meestal opgewekt uit een wisselstroom van het laagspanningsnet. Met een transformator wordt de spanning eerst op het gewenste niveau gebracht waarna een gelijkrichter de stroom omvormt tot gelijkstroom. Met nadruk wordt gesteld dat kathodische bescherming alleen onvoldoende corrosiewerend is voor staalconstructies. In alle gevallen zal er ook een coating op de constructie moeten worden aangebracht. 4 Alternatieven voor zinken opofferingsanoden 4.1 Anodes gemaakt van aluminiumlegeringen Als zuiver metaal is aluminium niet geschikt om als anodemateriaal te dienen omdat aluminium bij blootstelting aan de atmosfeer een dichte inerte oxidelaag vormt. Om te voorkomen dat deze deklaag ontstaat en om de activiteit van de anoden gedurende lange tijd te kunnen handhaven moeten activerende elementen, zoals bv Zink of Indium, als legeringselementen worden toegevoegd. Er zijn 3 groepen aluminiumlegeringen op de markt beschikbaar: Al-Zn-Mg-ln legeringen. AI-Zn-Sn legeringen Al-Zn-Hg legeringen 2
C25184 RIZA EMPS K 05 DIFFUSE BRONNEN