Corrosion Prevention in Closed Energy Systems - Optimization of Electrolysis for Removal of Dissolved Oxygen in Water

Abstract

Lukkede energianlegg har som formål å overføre energi samtidig som de forblir isolerte fra omgivelsene når det gjelder stoffutveksling. Vanligvis brukes vann som det primære mediumet for energioverføring, med rør som vanligvis er konstruert av stål eller kobberlegeringer. Likevel er slike energianlegg sårbare for korrosjon, hvor tilstedeværelsen av oppløst oksygen i vannet er en av de bidragende faktorene.

Denne oppgaven bygger på tidligere forskning som undersøker teknologien for fjerning av oppløst oksygen. En elektrolysecelle ble brukt til å fjerne oppløst oksygen gjennom kjemiske reaksjoner som oppstår på elektrodene. Tre distinkte eksperimenter ble gjennomført, hver med jernanoder og kobberkatoder. En konstant spenning på 0,6 V ble påført alle eksperimentene.

De to første eksperimentene ble utført på et lite testsystem, med bruk av springvann med en gjennomsnittlig pH på 7,5 og en gjennomsnittlig temperatur på 22,3 °C. Det andre eksperimentet avvek fra det første ved å ha et større arealforhold mellom elektrodene, der katoden hadde større overflateareal enn anoden. Det tredje eksperimentet ble gjennomført i et fullskala lukket energianlegg i en syv-etasjers bygning. Her hadde elektrolytten en gjennomsnittlig pH på 10,2, med en gjennomsnittstemperatur på 37,9 °C.

Eksperimentene utført på testsystemet varte omtrent fire dager, mens eksperimentet med energisystemet strakte seg over en periode på 12 dager. Kontinuerlig overvåking av oppløst oksygennivå, pH, konduktivitet og strøm ble utført gjennom hvert eksperiment. Vannprøver ble analysert etter eksperimentene, og korrosjonsproduktene på anodene fra det første og siste eksperimentet ble undersøkt ved hjelp av XRD- og SEM-teknikker.

Resultatene viste en betydelig reduksjon i oppløste oksygennivåer i alle eksperimentene. Det første eksperimentet oppnådde en reduksjon på 78,4 %, med en registrert verdi på 1,9 ppm, som steg til 2,4 ppm ved eksperimentets slutt. Det andre eksperimentet viste en enda større reduksjon på 89,2 %, noe som resulterte i et endelig oppløst oksygennivå på 1,0 ppm. I det tredje eksperimentet, som startet med en verdi på 2,5 ppm, ble en reduksjon på 64 % observert, noe som ga en endelig verdi på 0,9 ppm. Det er verdt å merke seg at film-dannende aminer kan ha påvirket elektrolyseprosessen i energisystemet.

Denne oppgaven gir grunnlag for videre forskning på fjerning av oppløst oksygen ved elektrolyse i lukkede energisystemer. Videre forskning bør se på effekten av den elektrokjemiske cellen på et lukket energianlegg uten tilsetning av film-dannende aminer for å se om resultatene er forskjellige. I tillegg kan undersøkelser av galvanisk korrosjon under ingen påførte spenninger gi innsikt i elektrokjemi og korrosjonsprosesser i inaktive perioder av cellen. Videre utforsking av hydrogenutviklingen som respons av påførte spenninger forblir avgjørende for å håndtere potensielle problemer som kan oppstå.

Closed energy systems facilitate the transfer of energy while remaining isolated from their surroundings in terms of matter exchange. Typically, water acts as the primary medium for energy transfer, with pipes commonly constructed from steel or copper alloys. However, these systems are susceptible to corrosion, with one contributing factor being the presence of dissolved oxygen in the water.

This thesis builds upon prior research investigating the technology of dissolved oxygen removal. An electrolysis cell was employed to eliminate dissolved oxygen through chemical reactions occurring on the electrodes. Three distinct experiments were conducted, each utilizing iron anodes and copper cathodes. A constant voltage of 0.6 V was applied across all experiments.

The first two experiments were conducted on a small-scale test system, utilizing tap water with an average pH of 7.5 and an average temperature of 22.3 °C. The second experiment differed from the first by featuring a larger surface area ratio between the electrodes, with the cathode possessing a greater surface area than the anode. The third experiment took place within a full-scale closed energy system situated in a seven-floor building. Here, the electrolyte had an average pH of 10.2, with a temperature averaging 37.9 °C.

The experiments conducted on the test system spanned approximately four days, while the energy system experiment extended over a duration of 12 days. Continuous monitoring of dissolved oxygen levels, pH, conductivity, and current was carried out throughout each experiment. Water samples were analyzed post-experimentation, and the corrosion products on the anodes from the first and last experiments were analyzed using XRD and SEM techniques.

Results revealed a notable reduction in dissolved oxygen levels across all experiments. The first experiment achieved a reduction of 78.4 %, with a recorded value of 1.9 ppm, rising to 2.4 ppm by the experiment's conclusion. The second experiment demonstrated an even greater reduction of 89.2 %, resulting in a final dissolved oxygen level of 1.0 ppm. In the third experiment, which was initiated with a dissolved oxygen level of 2.5 ppm, a reduction of 64 % was observed, resulting in a final value of 0.9 ppm. It is noteworthy that film-forming amines may have influenced the electrolysis process within the energy system.

This thesis provides a basis for further research on the electrolysis removal of dissolved oxygen in closed energy systems. Further research should examine the effect of the electrochemical cell on a closed energy system without the addition of film-forming amines to determine if outcomes differ. Additionally, studying galvanic corrosion under no applied voltages could provide insights into electrochemistry and corrosion processes during inactive periods of the cell. Furthermore, exploring the evolution of hydrogen in response to applied voltages remains crucial for addressing potential issues that may arise.