Qual è l'effetto del gas di cloro disciolto nell'acqua sulla durezza superficiale del riscaldatore PFA dopo 1.000 ore?

Nell'acqua, il cloro gassoso (Cl₂) è un agente ossidante molto potente e viene utilizzato in molti sistemi di disinfezione, piscine e impianti comunali di trattamento dell'acqua. Nel tempo, il cloro distruggerà le superfici del PFA. A quantità normali (1-10 ppm) il cloro gassoso disciolto produce una progressiva alterazione superficiale, mentre le soluzioni di ipoclorito (candeggina) provocano una rapida degradazione. La durezza superficiale del PFA aumenta di 5-10 unità Shore D (da 65-68 a 70-75) dopo 1.000 ore di esposizione continua a 40 gradi (temperatura media della piscina) con 5 ppm di Cl disciolto 2 . La superficie diventa più fragile, l'allungamento a rottura diminuisce dal 300% al 150-200%. L'aumento della durezza è limitato allo strato esterno di 50–150 µm, il materiale sfuso rimane invariato. L'azione viene accelerata a temperature più elevate (da 60 a 80 gradi) o a concentrazioni maggiori di cloro (da 20 a 50 ppm) e entro 500 ore possono verificarsi fessurazioni superficiali.

Meccanismo di attacco del cloro PFA
In acqua il cloro gassoso si idrolizza per creare acido ipocloroso (HOCl) e acido cloridrico (HCl). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. 'HOCl e HCl sono entrambi ostili. HOCl è un forte ossidante che estrae atomi di idrogeno dalle estremità della catena PFA (sebbene il PFA abbia relativamente pochi idrogeni, ci sono alcuni gruppi terminali -CF2H residui). Il fluoro viene sostituito dall'ossigeno, formando gruppi fluoruro carbonilico (-COF) e gruppi carbossilici (-COOH). Questi gruppi polari aumentano l'energia superficiale (da 18-20 mN/m a 25-35 mN/m), che paradossalmente si traduce nella riduzione dell'angolo di contatto con l'acqua e, quindi, può aumentare la bagnabilità. Ancora più significativo, lo strato superficiale ossidato reticola e indurisce. L'aumento della durezza è correlato ad un aumento della cristallinità dello strato superficiale (dal 45% al ​​55–60%) perché le regioni amorfe vengono preferenzialmente mirate e riorganizzate.

Questa reazione dipende dalla temperatura di . 25 gradi. Dopo 1.000 ore a 5 ppm Cl2 la durezza aumenta di 2–4 unità Shore D. A 40 gradi sono 5-10 unità. A 60 gradi sono 10-15 unità. Si formano microfessure superficiali. Il PFA in acqua clorata con 5 ppm a 80 gradi si deteriora dopo 200-500 ore a causa di gravi fessurazioni superficiali e infragilimento. Pertanto, i riscaldatori PFA nei sistemi di disinfezione con cloro dovrebbero essere utilizzati a temperature inferiori a 50 gradi.

Variazione della durezza superficiale dopo 1000 h
Temperatura (gradi) Concentrazione di cloro (ppm) Durezza iniziale (Shore D) Durezza dopo 1.000 ore (Shore D) Aumento (Shore D) Aspetto superficiale Allungamento alla rottura Ritenzione (%)
0 (controllo) 40 66 66 0 Liscio, lucido 100% 1 40 66 68-69 2-3 Leggermente opacizzato 90-95% 5 40 66 70-73 4-7 Opaco, leggermente ruvido 70-80%
10 40 66 72-75 6-9 Micro-rugosità opaca e evidente 60-70%
5 25 66 68–70 2–4 Leggera opacizzazione 85–90% 5 50 66 72–76 6–10 Opaca, screpolature sottili 65–75% 5 60 66 75–80 9–14 Microfessure evidenti a 10× 40–60%
5 80 66 N/A (non riuscito) N/A Crepe superficiali, infragilimento<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%
Implicazioni pratiche per il funzionamento del riscaldatore
Per i riscaldatori per piscine (25-30 gradi, 1-5 ppm Cl2), l'aumento della durezza dopo 1.000 ore è stato piccolo (2-5 Shore D). Il riscaldatore è ancora operativo e l'infragilimento superficiale non induce fessurazioni durante il normale ciclo termico (ΔT=10-20 gradi). La durata della vita è di 5-10 anni. Per i sistemi di trattamento dell'acqua municipale con temperature di 40–50 gradi, l'aumento della durezza è significativo (5–10 Shore D). La superficie del riscaldatore diventa opaca e perde la sua elasticità. Dopo 2-3 anni di cicli termici (accensione/spegnimento giornaliero) possono comparire sottili fratture superficiali. Sostituzione consigliata a 3-5 anni.

Il PFA non è raccomandato per la disinfezione industriale del cloro ad alte temperature (50-80 gradi) qualunque sia la concentrazione. La combinazione di alta temperatura e cloro porta ad un rapido deterioramento e fessurazione della superficie e infine alla permeazione del nucleo metallico. Altri materiali per il servizio con cloro ad alta temperatura sono il titanio (passivati ​​nell'acqua clorata) o l'ECTFE (Halar) che è superiore al PFA per quanto riguarda la resistenza al cloro.

Valutazione delle condizioni Test di durezza superficiale
Per i riscaldatori PFA utilizzati nel settore del cloro, i test annuali sulla durezza superficiale stimano la durata rimanente. Utilizzare un durometro Shore D portatile (ASTM D2240). Misurare in tre posizioni (in basso, al centro, in alto) sulla parte sommersa. Se la durezza è aumentata di 5-10 unità rispetto al valore originale (66-68), ciò è indice di un moderato degrado. Il riscaldatore avrà probabilmente 2-3 anni rimanenti. Un aumento di durezza di 10-15 unità è indicativo di un degrado significativo e la sostituzione dovrebbe avvenire entro 12 mesi. Se la durezza aumenta di oltre 15 unità o se si verificano evidenti crepe superficiali, è necessaria la sostituzione. L'associazione tra vita rimanente e aumento della durezza è empirica. Tuttavia, è affidabile per il PFA danneggiato dal cloro.

Se i riscaldatori mostrano già un aumento della durezza, ridurre la temperatura di esercizio, se possibile. Il tasso di degradazione si dimezza ogni abbassamento di 5 gradi (comportamento di Arrhenius). Un riscaldatore a 50 gradi, con un aumento di durezza di 10 unità, scendendo a 40 gradi, raddoppia la vita residua portandola a 4 anni.

Conclusioni: durezza aumentata di 5–10 unità dopo 1.000 ore a 40 gradi/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 unità o qualsiasi fessurazione superficiale evidente. Come monitorare la durezza, mantenere la temperatura e sostituire prima che si rompa Il cloro e l'alta temperatura sono nemici del PFA. Gestiscili entrambi e la tua stufa sopravvivrà.