สภาพแวดล้อมของเฟอร์ริกซัลเฟต
สารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตใช้ในการดองเหล็ก การผลิตเม็ดสีไทเทเนียมไดออกไซด์ และเป็นสารกัดกร่อนในการตกแต่งโลหะ สารละลายประกอบด้วยเหล็กเฟอร์ริกที่ความเข้มข้น 50-200 กรัม/ลิตร เป็น Fe₂(SO₄)₃ โดยมีกรดซัลฟิวริกอิสระ 20-100 กรัม/ลิตร ทำงานที่ 60-90 องศา การรวมกันของพลังออกซิไดซ์อย่างแรงจากเฟอร์ริกไอออนและความเป็นกรดของกรดซัลฟิวริกทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่รุนแรงสำหรับวัสดุหลายชนิด
กราไฟท์กันซึม-กราไฟท์ที่ชุบด้วยฟีนอลหรือฟูแรนเรซินเพื่อขจัดความพรุน-ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนในบริการนี้ กราไฟท์นั้นต้านทานทั้งกรดซัลฟิวริกและเฟอร์ริกซัลเฟต อย่างไรก็ตาม สารเคลือบเรซินไม่มีความต้านทานร่วมกัน เมื่อเวลาผ่านไปที่อุณหภูมิสูงขึ้น สารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตจะออกซิไดซ์เรซิน ทำให้เกิดการย่อยสลายแบบก้าวหน้า
PTFE ไม่มีสารเคลือบเรซินให้ย่อยสลาย วัสดุทั้งหมดมีความเฉื่อยทางเคมีกับเฟอร์ริกซัลเฟตและกรดซัลฟิวริก การเปรียบเทียบระหว่างกราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านกับ PTFE ในบริการนี้คือระหว่างวัสดุคอมโพสิตที่สารยึดเกาะพังอย่างช้าๆ กับวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งไม่สามารถทำปฏิกิริยาทางเคมีกับของไหลในกระบวนการได้
กลไกการย่อยสลายของเรซิน
กราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านถูกผลิตขึ้นโดยการชุบกราไฟท์ที่มีรูพรุนด้วยเรซินเทอร์โมเซตติง-โดยทั่วไปคือฟีนอลิกหรือฟูราน-ภายใต้สุญญากาศและความดัน เรซินจะเติมเต็มรูพรุนที่เชื่อมต่อกัน ทำให้วัสดุไม่สามารถซึมผ่านในกระบวนการผลิตของเหลวได้ กราไฟท์มีคุณสมบัติการนำความร้อนและทนต่อสารเคมี เรซินมีคุณสมบัติไม่ซึมผ่าน
เฟอริกซัลเฟตโจมตีเรซินผ่านออกซิเดชัน เฟอร์ริกไอออน (Fe³⁺) เป็นตัวออกซิไดเซอร์ที่แรง โดยจะแยกไฮโดรเจนออกจากเรซินโพลีเมอร์ ทำให้เกิดอนุมูลอิสระที่ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนที่ละลายในน้ำเพื่อสร้างหมู่คาร์บอนิลและคาร์บอกซิล เรซินที่ถูกออกซิไดซ์จะเปราะ รอยแตกขนาดเล็ก-พัฒนาขึ้น รอยแตกจะทำให้พื้นผิวเรซินสดสัมผัสกับสารละลาย และทำให้การโจมตีดำเนินต่อไปได้
เมื่อเรซินเสื่อมสภาพ โหมดความล้มเหลวต่างๆ จะพัฒนาขึ้น พันธะกราไฟท์ของเรซิน-อ่อนตัวลง และอนุภาคของกราไฟท์สามารถถูกปล่อยออกสู่กระแสกระบวนการได้ การสูญเสียเรซินออกจากพื้นผิวทำให้เกิดความพรุนของพื้นผิว เพิ่มพื้นที่ผิวที่แท้จริงและเร่งการโจมตีเพิ่มเติม ในที่สุด ความพรุนที่เชื่อมต่อถึงกันจะเกิดขึ้นผ่านผนังท่อ และของเหลวในกระบวนการจะรั่วไหลผ่านผนังตัวแลกเปลี่ยนความร้อน
| พารามิเตอร์การย่อยสลาย | กราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่าน (ฟีนอล เรซิน) | กราไฟท์ไม่ซึมผ่าน (เรซิน Furan) | ไฟเบอร์ |
|---|---|---|---|
| โครงสร้างวัสดุประสาน/วัสดุ | เรซินฟีนอลในเมทริกซ์กราไฟท์ | เรซิน Furan ในเมทริกซ์กราไฟท์ | ฟลูออโรโพลีเมอร์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน |
| ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันของสารยึดเกาะ | แย่ (โจมตีโดย Fe³⁺) | ปานกลาง (ดีกว่าฟีนอล) | N/A (ไม่มีสารยึดเกาะ) |
| อัตราการย่อยสลายของเรซินที่ 80 องศาใน Fe₂(SO₄)₃ | 0.1-0.3 มม./ปี (พื้นผิวถดถอย) | 0.05-0.15 มม./ปี | 0 |
| การปล่อยอนุภาคกราไฟท์ | ใช่ (เมื่อเรซินเสื่อมสภาพ) | ใช่ (อัตราลดลง) | ไม่มี |
| สภาพพื้นผิวหลังจากผ่านไป 2 ปี | มีรูพรุนหยาบกร้าน | หยาบปานกลาง | เรียบเนียนไม่เปลี่ยนแปลง |
| การซึมผ่านหลังจาก 3-5 ปี | อาจเกิดขึ้นจาก-การรั่วไหลของผนัง | อาจเกิดขึ้นจาก-การรั่วไหลของผนัง | ไม่เคย (การซึมผ่านเป็นศูนย์) |
| อายุการใช้งานใน Fe₂(SO₄)₃ ที่ 80 องศา (ปี) | 3-6 | 5-8 | 15+ |
การพังทลาย-ผลตอบรับจากการย่อยสลายของคอมโพสิต
การย่อยสลายของเรซินทำให้เกิดความพรุนที่พื้นผิว พื้นผิวที่มีรูพรุนจะมีความแข็งแรงน้อยกว่าพื้นผิวเรซินเดิม-ที่เคลือบไว้ ในสารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตที่ไหล พื้นผิวที่มีรูพรุนจะกัดกร่อนได้เร็วกว่าพื้นผิวเรียบและไม่สามารถซึมผ่านได้ การกัดเซาะจะขจัดเรซินที่เสื่อมสภาพและอนุภาคกราไฟท์ที่แยกออกมาบางส่วน ส่งผลให้วัสดุสดถูกโจมตีด้วยสารเคมี
วงจรป้อนกลับนี้-การโจมตีทางเคมีที่ทำให้เกิดความพรุน ความพรุนที่เร่งการกัดเซาะ การสึกกร่อนเผยให้เห็นพื้นผิวใหม่- หมายความว่าอัตราการย่อยสลายของกราไฟต์ที่ทนไม่ได้จะเร็วกว่าอัตราออกซิเดชันทางเคมีเพียงอย่างเดียวที่คาดการณ์ไว้ การย่อยสลายเชิงกลด้วยเคมีบำบัด-จะกำหนดอายุการใช้งานจริง
PTFE ไม่มีข้อเสนอแนะดังกล่าว พื้นผิวโพลีเมอร์ที่เป็นเนื้อเดียวกันจะกัดเซาะอย่างช้าๆ และสม่ำเสมอภายใต้การไหล โดยไม่มีผลกระทบทางเคมีต่อการสูญเสียวัสดุ อัตราการกัดเซาะถูกกำหนดโดยความเร็วของไหลและการกัดกร่อนของของแข็งแขวนลอยใดๆ- ซึ่งส่งผลต่อวัสดุทั้งสอง แต่จะประกอบขึ้นด้วยการโจมตีทางเคมีในกราไฟต์เท่านั้น
สรุป
เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PTFE มีประสิทธิภาพเหนือกว่ากราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านในสารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตร้อน เนื่องจาก PTFE เป็นวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีสารยึดเกาะเรซินที่จะออกซิไดซ์ กราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านอาศัยสารเคลือบเรซินฟีนอลิกหรือฟูรานที่ถูกโจมตีอย่างต่อเนื่องโดยเฟอร์ริกไอออนออกซิไดซ์ ทำให้เกิดความพรุนที่พื้นผิวซึ่งเร่งการกัดเซาะและนำไปสู่-การรั่วซึมของผนังในที่สุด PTFE ให้พื้นผิวที่เรียบและเฉื่อยทางเคมีซึ่งจะสลายตัวโดยการกัดเซาะเชิงกลที่ช้าเท่านั้น ทำให้มีอายุการใช้งาน 15+ ปี เทียบกับกราไฟท์ที่ไม่ซึมผ่านได้ 3-8 ปี
การสนับสนุนทางวิศวกรรมสำหรับข้อกำหนดคุณสมบัติการแลกเปลี่ยนความร้อนของ PTFE ในเฟอร์ริกซัลเฟตและการใช้งานสารละลายออกซิไดซ์อื่นๆ นั้นมีให้เมื่อส่งข้อมูลองค์ประกอบของสารละลาย อุณหภูมิ ความเร็วการไหล และข้อมูลอายุการใช้งานของอุปกรณ์ในปัจจุบัน
