Kakav je učinak otopljenog plinovitog klora u vodi na tvrdoću površine PFA grijača nakon 1000 sati?

U vodi je plinoviti klor (Cl₂) vrlo snažno oksidacijsko sredstvo i koristi se u mnogim sustavima za dezinfekciju, bazenima i komunalnim postrojenjima za pročišćavanje vode. S vremenom će klor uništiti PFA površine. U normalnim količinama (1-10 ppm) otopljeni plinoviti klor uzrokuje progresivnu promjenu površine, dok otopine hipoklorita (izbjeljivač) uzrokuju brzu degradaciju. Tvrdoća PFA površine raste za 5-10 Shore D jedinica (65-68 do 70-75) nakon 1000 sati neprekidnog izlaganja na 40 stupnjeva (prosječna temperatura bazena) s 5 ppm otopljenog Cl 2 . Površina postaje lomljivija, istezanje pri prekidu smanjuje se sa 300 % na 150-200 %. Povećanje tvrdoće je ograničeno na vanjski sloj od 50-150 µm, rasuti materijal ostaje nepromijenjen. Djelovanje se ubrzava pri višim temperaturama (60 do 80 stupnjeva ) ili većim koncentracijama klora (20 do 50 ppm), a površinsko pucanje može nastati unutar 500 sati.

Mehanizam PFA napada klorom
U vodi otopljeni plinoviti klor hidrolizira se stvarajući hipokloričnu kiselinu (HOCl) i klorovodičnu kiselinu (HCl). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. 'HOCl i HCl su neprijateljski raspoloženi. HOCl je jak oksidans koji izvlači atome vodika s krajeva lanca PFA (iako PFA ima relativno malo vodika, postoje neke zaostale krajnje skupine -CF2H). Fluor je zamijenjen kisikom, tvoreći karbonil fluorid (-COF) i karboksil (-COOH) skupine. Ove polarne skupine povećavaju površinsku energiju (s 18-20 mN/m na 25-35 mN/m), što paradoksalno rezultira smanjenjem kontaktnog kuta s vodom i stoga može povećati sposobnost vlaženja. Što je još važnije, oksidirani površinski sloj se umreži i stvrdne. Povećanje tvrdoće povezano je s povećanjem kristalnosti površinskog sloja (s 45% na 55–60%) jer su amorfna područja preferencijalno ciljana i reorganizirana.

Ova reakcija ovisi o temperaturi. 25 stupnjeva. Nakon 1000 sati pri 5 ppm Cl2 tvrdoća se povećava za 2-4 Shore D jedinice. Na 40 stupnjeva ., to je 5-10 jedinica. Na 60 stupnjeva to je 10-15 jedinica. Nastaju površinske mikropukotine. PFA u vodi s klorom od 5 ppm na 80 stupnjeva ne radi nakon 200-500 sati zbog jakog površinskog pucanja i krtosti. Stoga se PFA grijači u sustavima za dezinfekciju klorom trebaju koristiti ispod 50 stupnjeva.

Promjena površinske tvrdoće nakon 1000 h
Temperatura (stupanj) Koncentracija klora (ppm) Tvrdoća, početna (Shore D) Tvrdoća nakon 1000 sati (Shore D) Povećanje (Shore D) Izgled površine Izduženje pri prekidu Zadržavanje (%)
0 (kontrola) 40 66 66 0 Glatko, sjajno 100% 1 40 66 68-69 2-3 Blago zatamnjenje 90-95% 5 40 66 70-73 4-7 Zagasito, blago hrapavo 70-80%
10 40 66 72-75 6-9 Tupa, uočljiva mikro-hrapavost 60-70%
5 25 66 68–70 2–4 Blago zamućenje 85–90% 5 50 66 72–76 6–10 Tupo, fino pukotine 65–75% 5 60 66 75–80 9–14 Mikropukotine vidljive pri 10× 40–60%
5 80 66 N/A (neuspješno) N/A Površinsko pucanje, krtost<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%
Praktične implikacije za rad grijača
Za grijače bazena (25-30 stupnjeva, 1-5 ppm Cl2), povećanje tvrdoće nakon 1000 h bilo je malo (2-5 Shore D). Grijač je još uvijek u funkciji i površinska krtost ne izaziva pucanje tijekom normalnog toplinskog ciklusa (ΔT=10-20 stupanj). Životni vijek je 5-10 godina. Za komunalne sustave za pročišćavanje vode s temperaturama od 40-50 stupnjeva, povećanje tvrdoće je značajno (5-10 Shore D). Površina grijača postaje mutna i gubi elastičnost. Nakon 2-3 godine toplinskog ciklusa (svakodnevno uključivanje/isključivanje) mogu se pojaviti sitne površinske pukotine. Zamjena se preporučuje nakon 3-5 godina.

PFA se ne preporučuje za industrijsku dezinfekciju klorom na visokim temperaturama (50-80 stupnjeva) bez obzira na koncentraciju. Kombinacija visoke temperature i klora dovodi do brzog propadanja površine i pucanja te na kraju do prodiranja u metalnu jezgru. Ostali materijali za rad s klorom na visokim temperaturama su titan (pasivira u kloriranoj vodi) ili ECTFE (Halar) koji je bolji od PFA s obzirom na otpornost na klor.

Procjena stanja Ispitivanje tvrdoće površine
Za PFA grijače u radu s klorom, godišnje ispitivanje tvrdoće površine procjenjuje preostali životni vijek. Koristite prijenosni durometar Shore D (ASTM D2240). Mjerite na tri mjesta (dno, sredina, vrh) na dijelu koji je potopljen. Ako se tvrdoća povećala za 5-10 jedinica u odnosu na izvornu vrijednost (66-68), to je pokazatelj umjerene degradacije. Grijač će vjerojatno imati preostale 2-3 godine. Porast tvrdoće od 10-15 jedinica pokazatelj je značajne degradacije i zamjena bi se trebala izvršiti unutar 12 mjeseci. Ako se tvrdoća poveća za više od 15 jedinica ili ako se pojave očite površinske pukotine, potrebna je zamjena. Povezanost između preostalog životnog vijeka i povećanja tvrdoće je empirijska. Međutim, pouzdan je za PFA oštećen klorom.

Ako grijači već pokazuju povećanje tvrdoće, smanjite radnu temperaturu ako je moguće. Stopa razgradnje prepolovljuje se pri svakom spuštanju od 5 stupnjeva (Arrheniusovo ponašanje). Grijač na 50 stupnjeva, s povećanjem tvrdoće od 10 jedinica, spuštanjem na 40 stupnjeva, udvostručuje preostali životni vijek na 4 godine.

Zaključci: Tvrdoća se povećala za 5-10 jedinica nakon 1000 sati na 40 stupnjeva /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 jedinica ili bilo kakve očite površinske pukotine. Kako pratiti tvrdoću, održavati temperaturu i zamijeniti prije nego što otkaže Klor i visoka temperatura neprijatelji su PFA-a. Upravljajte oboje i vaš će grijač preživjeti.