Hva er effekten av oppløst klorgass i vann på PFA-varmerens overflatehardhet etter 1000 timer?

I vann er klorgass (Cl₂) et svært kraftig oksidasjonsmiddel og brukes i mange desinfeksjonssystemer, svømmebassenger og kommunale vannbehandlingsanlegg. Over tid vil kloret ødelegge PFA-overflatene. Ved normale mengder (1-10 ppm) gir oppløst klorgass progressiv overflateendring, mens hypoklorittløsninger (blekemiddel) forårsaker rask nedbrytning. PFA-overflatehardheten øker med 5-10 Shore D-enheter (65-68 til 70-75) etter 1000 timers kontinuerlig eksponering ved 40 grader (gjennomsnittlig bassengtemperatur) med 5 ppm oppløst Cl 2 . Overflaten blir sprøere, forlengelsen ved brudd reduseres fra 3500 % til 200 %. Økningen i hardhet er begrenset til det ytre laget på 50–150 µm, bulkmaterialet forblir uendret. Virkningen akselereres ved høyere temperaturer (60 til 80 grader) eller høyere klorkonsentrasjoner (20 til 50 ppm), og overflatesprekker kan oppstå innen 500 timer.

Mekanisme for PFA klorangrep
I vann hydrolyseres oppløst klorgass for å danne underklorsyre (HOCl) og saltsyre (HCl). Cl 2 + H 2 O HOCl + HCl. «HOCl og HCl er begge fiendtlige. HOCl er et sterkt oksidasjonsmiddel som trekker ut hydrogenatomer fra PFA-kjedeender (selv om PFA har relativt få hydrogener, er det noen gjenværende -CF2H-endegrupper). Fluor erstattes med oksygen, og danner karbonylfluorid (-COF) og karboksyl (-COOH) grupper. Disse polare gruppene øker overflateenergien (fra 18-20 mN/m til 25-35 mN/m), noe som paradoksalt nok resulterer i reduksjon av vannkontaktvinkel, og derfor kan øke fuktbarheten. Mer betydningsfullt er det at det oksiderte overflatelaget tverrbinder og herder. Økningen i hardhet er relatert til en økning i krystalliniteten til overflatelaget (fra 45 % til 55–60 %) fordi amorfe regioner fortrinnsvis målrettes og omorganiseres.

Denne reaksjonen er temperaturavhengig. 25 grad . Etter 1000 timer ved 5 ppm Cl2 øker hardheten med 2–4 Shore D-enheter. Ved 40 grader er det 5–10 enheter. Ved 60 grader er det 10-15 enheter. Det dannes mikrosprekker på overflaten. PFA i 5 ppm klorvann ved 80 grader svikter etter 200-500 timer på grunn av alvorlig overflatesprekker og sprøhet. Derfor bør PFA-varmere i klordesinfeksjonssystemer brukes under 50 grader.

Endring i overflatehardhet etter 1000 timer
Temperatur ( grad ) Klorkonsentrasjon (ppm) Hardhet, initial (Shore D) Hardhet etter 1000 timer (Shore D) Økning (Shore D) Overflateutseende Forlengelse ved bruddretensjon (%)
0 (kontroll) 40 66 66 0 Glatt, blank 100 % 1 40 66 68-69 2-3 Lett matt 90-95 % 5 40 66 70-73 4-7 Kjedelig, litt grov 70-80 %
10 40 66 72-75 6-9 Kjedelig, merkbar mikro-ruhet 60–70 %
5 25 66 68–70 2–4 Lett sløving 85–90 % 5 50 66 72–76 6–10 Kjedelig, fin krakelering 65–75 % 5 60 66 75–80 9–14 Mikrosprekker synlige ved 10× 40–60 %
5 80 66 N/A (mislyktes) N/A Overflatesprengning, sprøhet<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%
Praktiske implikasjoner for drift av varmeren
For svømmebassengvarmere (25-30 grader, 1-5 ppm Cl2) var økningen i hardhet etter 1000 timer liten (2-5 Shore D). Varmeren er fortsatt i drift, og overflatesprøhet induserer ikke sprekker under normal termisk syklus (ΔT=10-20 grad ). Levetiden er 5-10 år. For kommunale vannbehandlingsanlegg med temperaturer på 40–50 grader er hardhetsøkningen betydelig (5–10 Shore D). Overflaten på varmeren blir matt og mister sin elastisitet. Etter 2-3 år med termisk sykling (daglig på/av) kan det oppstå fine overflatebrudd. Utskifting anbefales ved 3-5 år.

PFA anbefales ikke for industriell desinfeksjon av klor ved høye temperaturer (50-80 grader) uansett konsentrasjon. Kombinasjonen av høy temperatur og klor fører til rask overflateforringelse og oppsprekking og til slutt til gjennomtrengning til metallkjernen. Andre materialer for høytemperatur klorservice er titan (passiverer i klorvann) eller ECTFE (Halar) som er overlegent PFA med hensyn til klorbestandighet.

Tilstandsvurdering Testing av overflatehardhet
For PFA-varmere i klordrift, anslår årlig overflatehardhetstesting gjenværende levetid. Bruk et bærbart Shore D-durometer (ASTM D2240). Mål i tre posisjoner (bunn, midt, topp) på delen som er nedsenket. Hvis hardheten har økt 5-10 enheter over den opprinnelige verdien (66–68), er det en indikasjon på moderat nedbrytning. Varmeren vil sannsynligvis ha 2-3 år igjen. En økning i hardhet på 10–15 enheter er en indikasjon på betydelig nedbrytning og utskifting bør finne sted innen 12 måneder. Hvis hardheten øker med mer over 15 enheter eller hvis det oppstår tydelige sprekker i overflaten, er det nødvendig med utskifting. Sammenhengen mellom gjenværende levetid og økning i hardhet er empirisk. Den er imidlertid pålitelig for klorskadet PFA.

Hvis varmeovner allerede viser hardhetsøkning, reduser arbeidstemperaturen hvis mulig. Nedbrytningshastigheten halveres for hver 5 graders reduksjon (Arrhenius-atferd). En varmeovn på 50 grader, med en økning på 10 enheter i hardhet, som går ned til 40 grader, dobler gjenværende levetid til 4 år.

Konklusjoner: Hardhet økt med 5–10 enheter etter 1000 timer ved 40 grader /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 enheter eller tydelig overflatesprekker. Hvordan overvåke hardhet, opprettholde temperatur og erstatte før det svikter Klor og høy temperatur er PFAs fiender. Administrer begge deler, så vil varmeapparatet overleve.