Một xưởng hoàn thiện kim loại đã thay thế lò sưởi ngâm PTFE bị hỏng bằng một bộ phận thạch anh có công suất và kích thước tương tự. Lò sưởi thạch anh rẻ hơn và truyền nhiệt tốt hơn. Nó kéo dài mười một ngày trong bể làm sạch bằng kiềm nóng ở nhiệt độ 75 độ trước khi ống bị ăn mòn và phần tử bị chập điện. Sự cố không phải là lỗi sản xuất. Hóa học thạch anh và kiềm về cơ bản là không tương thích.
Thạch anh-silica nung chảy-là vật liệu tuyệt vời dùng cho môi trường axit. Nó chống lại hầu hết các axit khoáng, có khả năng chống sốc nhiệt tốt và truyền năng lượng hồng ngoại hiệu quả. Những đặc tính này làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến cho bể axit, đặc biệt là trong các ứng dụng bán dẫn và phòng thí nghiệm. Nhưng thạch anh là silica và silica hòa tan trong dung dịch kiềm. Tốc độ hòa tan tăng theo nhiệt độ, pH và thời gian. Trong bồn tắm kiềm nóng, thạch anh được tiêu thụ.
Hóa học của sự hòa tan thạch anh
Thạch anh là silicon dioxide (SiO₂). Với sự có mặt của các ion hydroxit (OH⁻), silica hòa tan tạo thành silicat hòa tan:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Phản ứng diễn ra chậm ở nhiệt độ phòng và pH trung tính. Ở 75 độ và độ pH từ 12 trở lên, nó diễn ra ổn định. Một ống thạch anh có thành 2 mm có thể mất 0,1–0,3 mm mỗi tháng khi ngâm trong dung dịch kiềm nóng. Lúc đầu, độ mỏng đồng đều, sau đó tăng tốc khi tường yếu đi. Sự cố xảy ra khi ống không còn chịu được ứng suất nhiệt và cơ học của ứng dụng.
Lò sưởi ngâm PTFE không phản ứng với các ion hydroxit. Polyme này trơ với natri hydroxit, kali hydroxit và các loại kiềm khác ở mọi nồng độ và nhiệt độ công nghiệp. Một lò sưởi PTFE trong cùng một bể kiềm sẽ tồn tại được nhiều năm chứ không phải vài ngày.
| Hóa chất tắm | độ pH | Nhiệt độ | Tỷ lệ ăn mòn thạch anh | Sự phù hợp của PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Xút, 5% | 13–14 | 60 độ | 0,1–0,2 mm/tháng | Xuất sắc |
| Xút, 5% | 13–14 | 80 độ | 0,2–0,4 mm/tháng | Xuất sắc |
| Chất tẩy rửa kiềm, pH 11 | 11 | 70 độ | 0,02–0,05 mm/tháng | Xuất sắc |
| Amoni hydroxit, 5% | 10–11 | 50 độ | 0,01–0,03 mm/tháng | Xuất sắc |
| Natri silicat, 3% | 11–12 | 75 độ | 0,05–0,15 mm/tháng | Xuất sắc |
Tỷ lệ ăn mòn thạch anh trong bể kiềm so với mức độ phù hợp của PTFE
Tại sao thạch anh được sử dụng trong dịch vụ axit
Thạch anh hoạt động tốt trong axit vì silica ổn định trong môi trường có độ pH thấp. Axit clohydric, sulfuric, nitric và photphoric không tấn công thạch anh ở nhiệt độ lò sưởi ngâm điển hình. Axit flohydric là ngoại lệ-nó hòa tan silica nhanh chóng, đó là lý do tại sao máy sưởi thạch anh không được sử dụng trong dịch vụ HF.
Tính chất nhiệt của thạch anh cũng thuận lợi cho dịch vụ axit. Độ dẫn nhiệt của nó cao hơn khoảng 1,4 W/m·K{2}}so với PTFE nhưng thấp hơn kim loại. Hệ số giãn nở nhiệt của nó rất thấp, giúp nó có khả năng chống sốc nhiệt tốt. Những đặc tính này cho phép lò sưởi thạch anh hoạt động ở mật độ watt cao hơn PTFE trong các hóa chất tương thích.
| Vật liệu | Độ dẫn nhiệt | Mật độ Watt an toàn trong axit | Mật độ Watt an toàn trong kiềm | Chi phí tương đối |
|---|---|---|---|---|
| Thạch anh | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm2 | Không phù hợp | Thấp–Trung bình |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm2 | 1,2–1,5 W/cm2 | Vừa phải |
| Titan | 22 W/m·K | 2–4 W/cm2 | 2–3 W/cm2 | Cao hơn |
| Thép không gỉ 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm2 | 2–4 W/cm2 | Thấp |
Giới hạn mật độ watt và so sánh chi phí đối với vật liệu gia nhiệt ngâm trong dịch vụ axit và kiềm
Hậu quả thực tế của việc sử dụng thạch anh trong bồn tắm kiềm
Dấu hiệu đầu tiên của sự hư hỏng thạch anh trong bể kiềm thường là sự thay đổi về hình thức bên ngoài của ống. Bề mặt trở nên mờ hoặc bị ăn mòn khi silica hòa tan. Bức tường mỏng đi. Ống có thể trở nên mỏng manh hơn và dễ bị hư hỏng cơ học.
Khi thành mỏng đi, điện trở nhiệt giảm và nhiệt độ vỏ giảm nhẹ. Máy sưởi ban đầu có vẻ hoạt động tốt hơn. Nhưng quá trình mỏng đi vẫn tiếp tục cho đến khi bức tường không còn chứa được phần tử đó nữa. Lỗi thường là một vết nứt hoặc lỗ đột ngột khiến dung dịch kiềm tiếp xúc với bộ phận làm nóng.
Sự thất bại có thể nguy hiểm. Dung dịch kiềm có tính dẫn điện. Khi dung dịch chạm tới phần tử mang điện, hiện tượng đoản mạch sẽ xảy ra. Bộ bảo vệ lỗi nối đất sẽ ngắt, nhưng nếu không, bộ sưởi và bình chứa có thể bị hỏng.
Khi thạch anh là sự lựa chọn đúng đắn
Thạch anh là sự lựa chọn phù hợp cho bể axit nơi mật độ watt cao hơn và chi phí thấp hơn mang lại lợi thế. Nó thường được sử dụng trong:
Bể rửa axit sunfuric loãng
Bể ngâm axit nitric không có HF
Dung dịch làm sạch axit photphoric
Bể rửa nước khử ion
Bàn ướt bán dẫn có tính axit
Trong các ứng dụng này, thạch anh hoạt động tốt và có giá thành thấp hơn PTFE. Hạn chế là hóa chất kiềm và bồn tắm chứa HF{1}}, trong đó thạch anh hòa tan hoặc ăn mòn.
Khi PTFE là sự lựa chọn tốt hơn
PTFE là lựa chọn tốt hơn cho bồn tắm kiềm, bồn tắm chứa HF{0}}và các chất hóa học hỗn hợp nơi độ pH có thể dao động giữa axit và kiềm. Nó cũng tốt hơn cho các phòng tắm có chất rắn hòa tan cao, nơi cặn bám hình thành trên bề mặt lò sưởi và cần phải làm sạch định kỳ bằng dung dịch kiềm hoặc axit.
Mật độ watt thấp hơn của PTFE có nghĩa là cần nhiều diện tích bề mặt hơn cho cùng một công suất. Trong các bể nhỏ gọn, đây có thể là một hạn chế. Nhưng trong các bể chứa có đủ không gian, tuổi thọ dài hơn và khả năng tương thích hóa học rộng hơn của PTFE sẽ vượt qua nhược điểm về kích thước.
Khi cả hai vật liệu đều không phù hợp với ứng dụng
Một số ứng dụng thể hiện tính chất hóa học mà cả thạch anh và PTFE đều không xử lý tốt. Bồn tắm xen kẽ giữa axit mạnh và kiềm mạnh-chẳng hạn như dây chuyền làm sạch có cả hai giai đoạn axit và xút dùng chung một lò sưởi-cần có vật liệu chống lại cả hai. PTFE là vật liệu làm nóng ngâm phổ biến duy nhất làm được điều đó.
Cấu hình lò sưởi ngâm PTFE tùy chỉnh với mật độ watt thấp, diện tích bề mặt lớn và vỏ bọc đầu cực kín giúp giải quyết các ứng dụng trong đó thạch anh bị hỏng và ăn mòn thép không gỉ. Quá trình xác định yêu cầu về thành phần hóa học của bể, phạm vi pH, nhiệt độ vận hành, kích thước bể và công suất yêu cầu. Đối với các cơ sở có bồn tắm hóa chất kiềm hoặc hỗn hợp{2}}hóa chất, phương pháp tiếp cận dành riêng cho ứng dụng- này mang lại dịch vụ đáng tin cậy khi thiếu vật liệu tiêu chuẩn.
