A Mechanical and Economical Study on the Incorporation of Anti-Microbial Anodized Aluminum in Cooling Towers

L'objectif de cette recherche a été de déterminer si l'aluminium anodisé impregné d'ammonium quaternaire et électrodéposé avec de l'argent pouvait être utilisé dans les tours de refroidissement pour aider à lutter contre l'encrassement biologique et le développement de bactéries tell que la Legionella Pneumophila. Cette thèse présente une campagne expérimentate qui a été menée sur le AAA (aluminium anodisé anti-microbien) ainsi qu'un cadre de design pour l'implémentation du AAA dans les tours de refroidissement focalisé sur la viabilité économique. Deux tours prototype ont été construites pour l'expérimentation: une des tours a été construite entièrement en AAA et l'autre en aluminium 5083 non-traité. Les tours ont fonctionnées avec de l'eau contaminée et des décomptes bactériens ont été pris (CFU/ml). Une campagne expérimentale a aussi été menée sur des échantillons de AAA pour établir si le AAA était en mesure de maintenir ses proprétés anti-microbiennes. La corrosion du AAA a aussi été évaluée en sous-traitant H20Biotech pour qu'ils placent des coupons de corrosion dans des bassins de tour de refroidissement. Ce travail présente un cadre économique qui présente l'ensemble des coûts liés à opérer une tour de refroidissement avec l'idée qu'une tour anti-microbienne doit apporter un avantage économique dans le long terme pour être acceptée par l'industrie. À travers ce cadre, des considérations de design clées pour l'implémentation du AAA sont mises en évidence. Il a été démontré dans cette étude que AAA tel que fabriqué n'est pas assez durable pour être utilisé dans les tours de refroidissement. La campagne expérimentale démontre une perte des propriétés biocides. Parcontre, la revue de littérature suggère qu'il y a plusieures avenues à explorer pour trouver le traitement adéquat car plusieures téchniques existent pour rendre l'aluminium hydrophobe et biocide. Le modèle économique suggère que le traitement adéquat pourrait être viable en réduisant l'encrassement et ainsi les coûts liés à l'éléctricité, l'eau, les produits chimiques et la maintenance.

Abstract

Cooling towers are heat exchangers that achieve cooling by exchanging heat between water and air. They are typically located outdoors and are used around the world for any industrial process in which cooling is involved. They play essential roles in many manufacturing processes, in the food industry, power plants and air conditioning. Organic particles, non-organic particles and micro-organisms suspended in the air can accumulate in the tower and cause it to clog and lose efficiency. This fouling process hinders heat exchange and the formation of a biofilm in particular leads to the proliferation of dangerous bacteria such as Legionella Pneumophila, which can cause a potentially deadly form of pneumonia called legionnaires' disease. In this context, the primary objective of this research is to determine if an anti-microbial anodized aluminum developed by A3Surfaces (AAA) can be successfully implemented to reduce biofilm development and microbial counts in cooling towers. The secondary objective is to establish design considerations and the economic viability of a cooling tower integrating AAA. The antimicrobial efficacy of AAA is evaluated in two separate experiments. First, colony forming units (CFU) were repeatedly measured for experiments involving AAA samples placed in petri dishes with contaminated water. The antimicrobial durability of silver was evaluated for electroplated silver as opposed to samples dipped in a silver nitrate and quaternary ammonium solution prior to sealing. After being tested in a wet environment, they were tested again in a dry-environment and compared to brand new samples. It was shown that as currently fabricated, AAA samples lose their antimicrobial properties. Electroplating improved the biocide durability significantly but still showed a loss in efficacy. Secondly, two identical prototype cooling towers were built and operated with contaminated water: one treated with AAA and one untreated. Bacterial counts (CFU/ml) for each tower were collected weekly. The entire water volume was replaced and the tower was cleaned with 70% isopropyl alcohol in between experiments. The AAA tower lost its capacity to reduce bacterial counts once the water volume was replaced in between runs.