Persekitaran Klorin Dioksida
Klorin dioksida adalah agen peluntur yang dominan dalam kilang pulpa dan kertas moden. Ia adalah pengoksida yang kuat dengan potensi pengurangan 0.95 V, mampu mengoksidakan lignin sambil mengekalkan selulosa. Ia juga menghakis secara agresif kepada kebanyakan polimer dan logam.
Proses pelunturan mendedahkan penukar haba kepada ClO₂ pada kepekatan 5-15 g/L, suhu 50-75 darjah, dan pH antara 2 hingga 4. Gabungan kuasa pengoksidaan yang kuat, suhu tinggi dan pH berasid mewujudkan persekitaran yang mencabar untuk bahan pembinaan.
Dua fluoropolimer adalah calon untuk perkhidmatan ini: PTFE dan ECTFE. Kedua-duanya dipasarkan sebagai tahan bahan kimia. Struktur molekul mereka berbeza dalam cara yang secara kritikal menjejaskan ketahanan mereka terhadap klorin dioksida berbanding perkhidmatan lanjutan.
Perbezaan Struktur Molekul
PTFE ialah poli(tetrafluoroethylene): tulang belakang karbon tepu sepenuhnya dengan atom fluorin. Setiap karbon-ikatan hidrogen yang boleh teroksida telah digantikan dengan ikatan karbon-fluorin. Tenaga pemisahan ikatan C-F ialah lebih kurang 485 kJ/mol. Klorin dioksida, walaupun kuasa pengoksidaannya yang kuat, tidak dapat memecahkan ikatan ini.
ECTFE ialah poli(etilena-co-klorotrifluoroetilena): kopolimer etilena dan klorotrifluoroetilena berselang-seli 1:1. Separuh daripada atom karbon dalam tulang belakang membawa atom hidrogen dan bukannya fluorin atau klorin. Tenaga pemisahan ikatan C-H adalah lebih kurang 410 kJ/mol-secara ketara lebih rendah daripada ikatan C-F.
Dalam perkhidmatan klorin dioksida, ikatan C-H dalam ECTFE ialah titik serangan oksidatif. Klorin dioksida mengabstraksi atom hidrogen daripada tulang belakang polimer, menghasilkan radikal karbon. Radikal bertindak balas dengan oksigen atau air untuk membentuk kumpulan karbonil dan karboksil. Pemotongan rantai berikut. Berat molekul polimer permukaan berkurangan. Bahan hancur, mikro-rekahan terbentuk, dan akhirnya permukaannya terhakis.
Jadual 1: Perbandingan Rintangan Klorin Dioksida (10 g/L ClO₂, pH 3, 70 darjah )
| Parameter Rintangan | ECTFE | PTFE |
|---|---|---|
| Ikatan C-H dalam tulang belakang polimer | Ya (50% daripada karbon) | tiada |
| Mekanisme serangan oksidatif | Abstraksi hidrogen → pemotongan rantai | Tiada laluan tindak balas |
| Kadar pengoksidaan permukaan pada 70 darjah (μm/tahun) | 5-20 | 0 |
| Pengekalan kekuatan tegangan selepas 2 tahun (%) | 60-80 | > 95 |
| Pengekalan pemanjangan selepas 2 tahun (%) | 40-70 | > 90 |
| Micro{0}}permulaan retak | 12-18 bulan | Tidak berlaku |
| Suhu perkhidmatan yang disyorkan maksimum dalam ClO₂ | 60 darjah (terhad oleh pengoksidaan) | 260 darjah (kimia-bebas) |
| Jangka hayat perkhidmatan dalam pelunturan | 2-5 tahun | 10+ tahun |
Pecutan Suhu
Degradasi oksidatif ECTFE dalam klorin dioksida mengikut kinetik Arrhenius: kadar lebih kurang dua kali ganda untuk setiap kenaikan suhu 10 darjah. Pada 50 darjah, ECTFE boleh menyediakan perkhidmatan selama 5-8 tahun. Pada 70 darjah, hayat perkhidmatan memendekkan kepada 2-4 tahun. Pada 80 darjah, kegagalan boleh berlaku dalam masa 12-18 bulan.
Kadar pengoksidaan PTFE adalah sifar pada semua suhu di bawah 260 darjah . Hayat perkhidmatan adalah bebas daripada kepekatan dan suhu klorin dioksida. Faktor pengehad hayat-adalah rayapan mekanikal daripada tekanan wap, bukan degradasi kimia.
Untuk kilang pulpa dan kertas yang mengendalikan garis pelunturan pada hujung atas julat suhu untuk memaksimumkan kinetik tindak balas, PTFE menyediakan perkhidmatan jangka panjang-yang boleh dipercayai di mana ECTFE digunakan secara berperingkat.
Pengiraan Ekonomi
Kos ECTFE kurang daripada PTFE sekilogram dan mempunyai kekonduksian haba yang lebih tinggi sedikit, membolehkan kawasan permukaan penukar haba yang lebih kecil untuk tugas tertentu. Kos peralatan awal untuk ECTFE biasanya 60-80% daripada setara PTFE.
Walau bagaimanapun, hayat perkhidmatan terhingga ECTFE dalam klorin dioksida bermakna penggantian setiap 2-5 tahun. Kos penggantian termasuk bukan sahaja penukar baharu tetapi juga buruh pemasangan dan masa henti pengeluaran. Sepanjang kitaran operasi kilang 10 tahun, penukar ECTFE diganti 2-4 kali. Penukar PTFE digantikan sifar kali.
Jumlah kos kitaran hayat-peralatan awal serta peristiwa penggantian-memihak kepada PTFE dengan faktor 2-3 dalam perkhidmatan pelunturan berterusan pada suhu melebihi 60 darjah .
Ringkasan
PTFE mengatasi ECTFE dalam perkhidmatan pelunturan klorin dioksida kerana PTFE tidak mempunyai{0}}ikatan hidrogen karbon untuk diserang oleh pengoksida. Komonomer etilena ECTFE membekalkan ikatan C-H yang teroksida secara beransur-ansur, membawa kepada rekahan permukaan,-retak mikro dan akhirnya gagal dalam tempoh 2-5 tahun pada suhu pelunturan biasa.
Kos permulaan PTFE yang lebih tinggi dipulihkan melalui penghapusan peristiwa penggantian sepanjang hayat operasi talian pelunturan. Untuk kilang yang beroperasi melebihi 60 darjah, PTFE ialah fluoropolimer pilihan untuk perkhidmatan klorin dioksida.
Analisis kejuruteraan untuk pemilihan bahan penukar haba pelunturan tersedia selepas penyerahan kepekatan ClO₂, suhu operasi, pH, data hayat perkhidmatan penukar semasa dan kekangan penjadualan pengeluaran kilang.
