Како упоредити хемијску отпорност перфлуороалкокси у односу на ПТФЕ грејаче за мешовите токове киселог отпада?

Мешани кисели отпадни токови, мешавине азотне, сумпорне, хлороводоничне и флуороводоничне киселине са траговима органских растварача, представљају јединствен изазов за избор грејача флуорополимера. ПФА (перфлуороалкокси) и ПТФЕ (политетрафлуороетилен) имају одличну хемијску отпорност, али имају различита понашања у мешовитим киселим срединама са оксидирајућим врстама и флуороводоничном киселином. ПТФЕ испољава нешто већу хемијску инертност на температури околине, али ПФА има бољу пермеацију и отпорност на пуцање током термичког циклуса. Инжењери морају узети у обзир три мерљива параметра када упоређују ова два материјала за загревање отпадних токова: брзину продирања сваке од киселинских врста кроз полимер, одговор материјала на оксидационе киселине на повишеним температурама и механички интегритет заварених или изливених спојева када су присутне мешане киселине.

Дифузијске разлике у условима мешане киселине
ПТФЕ и ПФА имају исту угљеничну -флуорну кичму, али ПФА има перфлуороалкокси бочне ланце, смањујући кристалност и повећавајући слободну запремину. На прожимање утиче структурна разлика. На 80 степени и дебљини зида 2,0 мм ПТФЕ ће дозволити продирање паре азотне киселине од око 0,8–1,2 г/м²·дан, док ће ПФА дозволити 1,2–1,8 г/м²·дан-40–50% више. Пенетрација ПТФЕ флуороводоничне киселине (ХФ) је 0,3-0,5 г/м²-дан, док је пермеација ПФА 0,5-0,8 г/м²-дан. Смањена кристалност ПФА омогућава додатне путеве за дифузију сићушних молекула кроз аморфне регионе. Повећана пермеација ПФА у мешовитим токовима киселог отпада омогућава киселини да брже стигне до основног металног грејног језгра, смањујући животни век грејача за 20–30% у односу на ПТФЕ при истој дебљини зида. Али повећана кристалност ПТФЕ-а има недостатак: он је склонији пуцању под напоном под ударом јаких оксидирајућих киселина на температурама већим од 100 степени. Механичко напрезање се боље апсорбује у аморфним деловима ПФА, који су отпорнији на пуцање на кружење топлоте у мешовитој употреби киселина.

Напад оксидирајућом киселином: перформансе на високим температурама
Концентрована азотна киселина (20-40%) са другим киселинама је типично присутна у мешовитим токовима киселог отпада. Азотна киселина је снажан оксидатор на температурама већим од 90 степени, циља на флуорополимере уклањањем атома флуора са крајева ланца. ПТФЕ, са већом молекулском тежином и мањим бројем крајева ланца по јединици запремине, мало је отпорнији на овај напад од ПФА. У тестовима убрзаног урањања (30% азотне киселине, 110 степени), ПТФЕ је изгубио 0,5–1,0% своје тежине након 2000 сати, док је ПФА изгубио 1,5–2,5%. Разлика је важна ако отпадни ток такође садржи флуороводоничну киселину. Оксидативни распад је катализован ХФ, чиме се проширује јаз. На пример, у условима симулираног тока отпада од 15% ХНО3 + 5% ХФ на 90 степени, ПТФЕ грејачи су напукли након 3500 сати, а ПФА грејачи су напукли након 2200 сати. ПТФЕ нуди мерљиву предност радног века за токове отпада изнад 100 степени.

Интегритет завара и перформансе споја
Већина урањајућих грејача има заварене или изливене спојеве где се омотач од флуорополимера спаја са прирубницом за монтажу. ПТФЕ се не може топити-и мора се синтеровати од компримованог праха, стога су заварени спојеви тешки, а понекад и слабији од материјала који лежи у основи. ПФА се може растопити и спојити за заваривање, стварајући спојеве који су 90 до 95 посто јачи од материјала темеља. Отказивање зглоба је типичан начин квара за мешовите токове киселог отпада. ПТФЕ грејачи захтевају механичке компресионе спојеве или лепкове који се погоршавају у струјама које садрже ХФ. Век трајања ПФА грејача са фузионим завареним спојевима је 2-3 пута већи. Ако грејач треба да буде изложен честим термичким циклусима (више од 50 циклуса месечно) или механичким вибрацијама, супериорни интегритет споја ПФА балансира нешто бољу отпорност на пропусност ПТФЕ-а.

Водич за избор токова мешаног киселог отпада
Састав тока отпада и температура Препоручени материјал Критични фактор перформанси Очекивани радни век (зид од 2,0 мм)
ХНО3 (10–30%) + Х2СО4 (10–20%),<80°C PFA or PTFE (equal) Permeation rate; both acceptable 5,000–8,000 hrs
ХНО₃ (20–40%) + ХФ (1–5%), 80–100 степени ПТФЕ Оксидативна отпорност; ПТФЕ је 30-40% бољи ПТФЕ: 3.000-4.500 сати; ПФА: 2.000-3.000 сати
Мешана киселина са органским растварачима (5-15%)<90°C PFA Solvent resistance Less swelling of PFA PFA: 4,000-6,000 hours PTFE: 2,500-3,500 hours
HF (5-15%) + HCl (10-20%), >90 степени ПФА заваривање неопходно; ПТФЕ спојеви ломе први ПФА: 2.500-3.500 сати; ПТФЕ: 1.000-1.800 сати
Континуирани термички циклус (свакодневно), било која киселина ПФА Отпорност на замор; ПФА спојеви трају дуже од ПТФЕ ПФА даје животни век циклуса од 2–3 пута
Систем високог притиска > 2 бара, било која киселина ПФА ПФА отопљена-обрада спојева оцена притиска ПТФЕ се не препоручује преко 1,5 бара
Потребна максимална чистоћа (<1 ppb extractables) PFA (high-purity grade) Lower extractables; PTFE sintered portions can release particles PFA recommended for semiconductor applications
Закључак: Ускладите материјал са доминантним механизмом отказа
PFA vs. PTFE for heating mixed acid waste streams: there is no clear winner. PTFE is superior than PFA for continuous operation at high temperatures with oxidising acids (particularly nitric and HF combinations) where life is limited by bulk permeation and oxidative degradation. PFA is superior to PTFE in applications where the integrity of the joint is the limiting factor in heat cycling, mechanical stress, organic solvents or pressure. For most mixed acid waste streams in operation below 90°C and with moderate cycling, either material will give satisfactory service if specified with suitable wall thickness (minimum 2.0 mm). PTFE is safer at >100°C or with >5% ХФ. Ако постоји много промена температуре (више од 500 циклуса годишње) или вибрација, ПФА је пожељнији јер има већу поузданост споја, иако има нешто већу пропустљивост. Инжењери би требало да добију податке о пермеацији за прецизну мешавину киселина на планираној радној температури од произвођача грејача јер синергија између киселина може утицати на стопе пропусности фактора од 2–3 у односу на податке о једној-киселини.