Aký je vplyv plynného chlóru vo vode na tvrdosť povrchu ohrievača PFA po 1 000 hodinách?

Vo vode je plynný chlór (Cl2) veľmi silným oxidačným činidlom a používa sa v mnohých dezinfekčných systémoch, bazénoch a komunálnych úpravniach vody. V priebehu času chlór zničí povrchy PFA. Pri normálnych množstvách (1-10 ppm) rozpustený plynný chlór spôsobuje progresívnu povrchovú zmenu, zatiaľ čo roztoky chlórnanu (bielidlo) spôsobujú rýchlu degradáciu. Tvrdosť povrchu PFA stúpne o 5-10 jednotiek Shore D (65-68 až 70-75) po 1 000 hodinách nepretržitého vystavenia pri 40 stupňoch (priemerná teplota bazéna) s 5 ppm rozpusteného Cl 2 . Povrch sa stáva krehkejším, predĺženie pri pretrhnutí sa zníži z 300 % na 150-20 %. Nárast tvrdosti je obmedzený na vonkajšiu vrstvu 50–150 µm, sypký materiál zostáva nezmenený. Účinok sa zrýchľuje pri vyšších teplotách (60 až 80 stupňov) alebo vyšších koncentráciách chlóru (20 až 50 ppm) a do 500 hodín môže dôjsť k praskaniu povrchu.

Mechanizmus PFA chlórového útoku
Vo vode rozpustený plynný chlór hydrolyzuje za vzniku kyseliny chlórnej (HOCl) a kyseliny chlorovodíkovej (HCl). Cl 2 + H20 HOCl + HCl. 'HOCl a HCl sú nepriateľské. HOCl je silné oxidačné činidlo, ktoré extrahuje atómy vodíka z koncov reťazcov PFA (hoci PFA má relatívne málo vodíkov, existujú určité zvyškové koncové skupiny -CF2H). Fluór je nahradený kyslíkom, čím sa vytvárajú karbonylfluoridové (-COF) a karboxylové (-COOH) skupiny. Tieto polárne skupiny zvyšujú povrchovú energiu (z 18-20 mN/m na 25-35 mN/m), čo paradoxne vedie k zníženiu kontaktného uhla vody, a preto môže zvýšiť zmáčavosť. Ešte dôležitejšie je, že zoxidovaná povrchová vrstva zosieťuje a vytvrdne. Zvýšenie tvrdosti súvisí so zvýšením kryštalinity povrchovej vrstvy (zo 45% na 55–60%), pretože amorfné oblasti sú prednostne zamerané a reorganizované.

Táto reakcia je závislá od teploty. 25 stupňa . Po 1000 hodinách pri 5 ppm Cl2 sa tvrdosť zvýši o 2–4 jednotky Shore D. Pri 40 stupňoch je to 5 až 10 jednotiek. Pri 60 stupňoch je to 10-15 jednotiek. Vznikajú povrchové mikrotrhliny. PFA v 5 ppm chlórovej vody pri 80 stupňoch zlyhá po 200-500 hodinách v dôsledku silného praskania a skrehnutia povrchu. Preto by sa ohrievače PFA v systémoch na dezinfekciu chlórom mali používať pri teplote nižšej ako 50 stupňov.

Zmena tvrdosti povrchu po 1000 h
Teplota ( stupeň ) Koncentrácia chlóru (ppm) Tvrdosť, počiatočná (Shore D) Tvrdosť po 1 000 hodinách (Shore D) Nárast (Shore D) Predĺženie vzhľadu povrchu pri zadržaní pri pretrhnutí (%)
0 (kontrola) 40 66 66 0 Hladký, lesklý 100 % 1 40 66 68-69 2-3 Mierne matný 90-95 % 5 40 66 70-73 4-7 Matný, mierne drsný 70-80 %
10 40 66 72-75 6-9 Tupá, viditeľná mikro-drsnosť 60 – 70 %
5 25 66 68–70 2–4 Mierne matné 85–90 % 5 50 66 72–76 6–10 Matné, jemné popraskanie 65–75 % 5 60 66 75–80 9–14 Mikrotrhliny viditeľné pri 10× 40–60 %
5 80 66 N/A (failed) N/A Povrchové praskanie, skrehnutie<20% 20 40 66 74-78 8-12 Crazing, white surface layer 50-65% 50 40 66 78-82 12-16 Cracking, surface powdering 30-50%
Praktické dôsledky pre prevádzku ohrievača
V prípade ohrievačov bazénov (25-30 stupňov, 1-5 ppm Cl2) bol nárast tvrdosti po 1000 hodinách malý (2-5 Shore D). Ohrievač je stále funkčný a krehnutie povrchu nespôsobuje praskanie počas normálneho tepelného cyklu (ΔT=10-20 stupeň ). Životnosť je 5-10 rokov. Pre komunálne systémy úpravy vody s teplotami 40–50 stupňov je zvýšenie tvrdosti výrazné (5–10 Shore D). Povrch ohrievača sa stáva matným a stráca svoju elasticitu. Po 2-3 rokoch tepelných cyklov (denné zapnutie/vypnutie) sa môžu objaviť jemné povrchové lomy. Výmena sa odporúča po 3-5 rokoch.

PFA sa neodporúča na priemyselnú dezinfekciu chlóru pri vysokých teplotách (50-80 stupňov) bez ohľadu na jeho koncentráciu. Kombinácia vysokej teploty a chlóru vedie k rýchlemu poškodeniu povrchu a praskaniu a nakoniec k prenikaniu do kovového jadra. Ďalšími materiálmi pre vysokoteplotné použitie chlóru sú titán (pasivuje v chlórovej vode) alebo ECTFE (Halar), ktorý je lepší ako PFA z hľadiska odolnosti voči chlóru.

Posúdenie stavu Testovanie povrchovej tvrdosti
V prípade ohrievačov PFA v prevádzke s chlórom sa pri ročnom testovaní tvrdosti povrchu odhaduje zostávajúca životnosť. Použite prenosný tvrdomer Shore D (ASTM D2240). Merajte v troch polohách (spodná, stredná, horná) na časti, ktorá je ponorená. Ak sa tvrdosť zvýšila o 5-10 jednotiek nad pôvodnú hodnotu (66-68), znamená to miernu degradáciu. Ohrievač bude mať pravdepodobne ešte 2-3 roky. Nárast tvrdosti o 10 – 15 jednotiek naznačuje významnú degradáciu a výmena by sa mala uskutočniť do 12 mesiacov. Ak sa tvrdosť zvýši o viac ako 15 jednotiek alebo ak dôjde k zjavnému prasknutiu povrchu, je potrebná výmena. Vzťah medzi zostávajúcou životnosťou a zvýšením tvrdosti je empirický. Je však spoľahlivý pre PFA poškodené chlórom.

Ak ohrievače už vykazujú zvýšenú tvrdosť, znížte pracovnú teplotu, ak je to možné. Rýchlosť degradácie sa znižuje na polovicu pri každom znížení o 5 stupňov (Arrheniusovo správanie). Ohrievač pri 50 stupňoch s 10-jednotkovým zvýšením tvrdosti, klesajúcou na 40 stupňov, zdvojnásobuje zostávajúcu životnosť na 4 roky.

Závery: Tvrdosť zvýšená o 5–10 jednotiek po 1 000 hodinách pri 40 stupňoch /5 ppm Cl2
The surface hardness of PFA heater increased by 5–10 Shore D units (from 66–68 to 70–75) after exposure to dissolved chlorine gas (5 ppm) in water at 40°C for 1,000 hours. The surface was embrittled, the elongation at break decreased from 300 % to 70-80 %. The degradation is confined to the outer 50–150 ?m layer and does not cause immediate failure, but it weakens the resistance of the heater to thermal cycling and mechanical stress. For normal pool and municipal water disinfection (25 to 40 deg C, 1 to 5 ppm), PFA heaters have adequate 5-10 year life. PFA is not recommended for industrial usage above 50°C. Annual tests of Shore D hardness offer an easy, non-destructive way to measure degradation and forecast replacement dates. Replacement of heater required if hardness increases >15 jednotiek alebo akékoľvek zjavné praskanie povrchu. Ako monitorovať tvrdosť, udržiavať teplotu a vymeniť pred zlyhaním Chlór a vysoká teplota sú nepriateľmi PFA. Spravujte oboje a váš ohrievač prežije.