Perché il vetro al quarzo non può formare una pellicola protettiva per resistere all'erosione dei liquidi alcalini?

# Perché è impossibile che il vetro al quarzo crei una pellicola protettiva in grado di resistere all'erosione dei liquidi alcalini? La stabile struttura cristallina del biossido di silicio dei tubi riscaldanti al quarzo, che resiste all'erosione da acidi e fluoruri, li rende una scelta popolare per i processi di fermentazione che coinvolgono un alto contenuto di cloruro e acido fluoridrico. Tuttavia, il vetro al quarzo non è in grado di formare alcuno strato autoprotettivo quando entra in contatto con un detergente alcalino, a differenza dei tubi riscaldanti metallici come l'acciaio inossidabile 316 e il titanio di grado 2, che producono pellicole di passivazione anticorrosione rigenerabili. Una volta che un liquido alcalino entra in contatto con la parete del tubo, provoca danni permanenti all'incisione, che comportano rischi nascosti di contaminazione microbica e successiva rottura del tubo. La tabella seguente esamina la differenza nei meccanismi di protezione tra i quattro materiali anti-corrosione dei tubi riscaldanti.|Materiale del tubo di riscaldamento|Tipo di pellicola protettiva|Condizione di rigenerazione della pellicola|Reazione con liquido alcalino|Reversibilità del danno|| ----|----|----|----|----|| Acciaio inossidabile 316|Film passivo di ossido ricco di cromo|Recupera tramite passivazione decapante|Dissoluzione temporanea della pellicola inferiore a 60 gradi alcalini|Riparabile mediante ripassivazione|| Titanio grado 2|Film passivo al biossido di titanio|Autoriparazioni con ossigeno disciolto|Leggero diradamento del film sotto alcali deboli|Recuperabile con circolazione ricca di ossigeno|| Vetro al quarzo|Nessuna pellicola protettiva secondaria, il cristallo stesso funge da barriera|Nessun meccanismo di rigenerazione|Decomposizione chimica del cristallo SiO₂|Acquaforte permanente irreversibile|| Riscaldatore rivestito in PFA|Barriera di rivestimento in fluoropolimero|Nessuna funzione di autoriparazione|Frattura lenta della catena molecolare del rivestimento|Sostituzione parziale necessaria dopo il danno|La composizione chimica principale del vetro al quarzo industriale di elevata purezza è biossido di silicio con purezza superiore al 99,99% e la sua struttura interna è una rete tridimensionale stabile costruita da legami covalenti silicio-ossigeno. L'inerzia chimica di questa rete cristallina completa è la fonte della sua resistenza agli acidi. Non si verifica alcuna reazione di spostamento chimico quando la superficie del cristallo è esposta a mezzi acidi o fluorurati e la superficie del cristallo rimane intatta naturalmente. Di conseguenza, non è necessario produrre un'ulteriore pellicola protettiva per l'isolamento. Nelle soluzioni alcaline sono presenti grandi quantità di ioni idrossido, rappresentati dall'idrossido di sodio. Il legame covalente stabile silicio-ossigeno sulla superficie del quarzo verrà rotto dagli ioni idrossido alla temperatura di riscaldamento della circolazione CIP, con conseguente produzione di silicato di sodio solubile. Il corpo cristallino del quarzo viene consumato direttamente dal liquido circolante, che lava via continuamente il prodotto solubile, anziché limitarsi a danneggiare una sottile pellicola superficiale. Lo strato smerigliato danneggiato non può essere ripristinato mediante pulizia, neutralizzazione o trattamento di manutenzione, poiché il quarzo non è in grado di sintetizzare nuovo biossido di silicio per riempire le cavità incise. La matrice metallica primaria sotto la pellicola rimane inalterata e i tubi riscaldanti metallici dipendono da pellicole superficiali sottili per la protezione. Il materiale di base ha la capacità di produrre nuova pellicola in circostanze specifiche, anche se la pellicola è parzialmente danneggiata. Tuttavia, nel quarzo non esiste alcuna distinzione tra "matrice" e "strato protettivo". La struttura portante primaria del condotto di riscaldamento è la superficie liscia visibile. La parete del tubo si assottiglierà in modo non uniforme, si formeranno microfessure invisibili all'interno del cristallo e, infine, si verificherà una rottura improvvisa sotto stress alternato freddo e caldo durante la produzione, tutto a causa della continua erosione degli alcali. Gli interblocchi meccanici rigidi devono essere installati sulle tubazioni degli alcali nei laboratori di fermentazione dotati di tubi di riscaldamento al quarzo per garantire che i circuiti di circolazione degli acidi e degli alcali siano completamente separati. Gli operatori devono concentrarsi sull'ispezione delle aree satinate e opache delle pareti del tubo derivanti da perdite accidentali di alcali durante le ispezioni bisettimanali della trasmissione della luce. Il fascio tubiero deve essere immediatamente rottamato quando la superficie ghiacciata supera il 30% della superficie totale, in quanto la resistenza strutturale è scesa ad un livello non sicuro. In sintesi, la caratteristica struttura cristallina del quarzo lo rende incapace di generare una pellicola protettiva rigenerabile in grado di resistere all’erosione alcalina. L'unico metodo affidabile per garantire il funzionamento sicuro e una durata prolungata dei tubi riscaldanti al quarzo è l'isolamento completo del detergente alcalino.