Klooridioksidiympäristö
Klooridioksidi on vallitseva valkaisuaine nykyaikaisissa sellu- ja paperitehtaissa. Se on voimakas hapetin, jonka pelkistyspotentiaali on 0,95 V ja joka pystyy hapettamaan ligniiniä säilyttäen samalla selluloosan. Se syövyttää myös aggressiivisesti useimpia polymeerejä ja metalleja.
Valkaisuprosessi altistaa lämmönvaihtimet ClO₂:lle pitoisuuksilla 5-15 g/l, lämpötiloissa 50-75 astetta ja pH-alueella 2-4. Vahvan hapetuskyvyn, kohonneen lämpötilan ja happaman pH:n yhdistelmä luo vaativan ympäristön rakennusmateriaaleille.
Kaksi fluoripolymeeriä ovat ehdokkaita tähän palveluun: PTFE ja ECTFE. Molempia markkinoidaan kemiallisesti kestävinä. Niiden molekyylirakenteet eroavat tavoilla, jotka vaikuttavat kriittisesti niiden kestävyyteen klooridioksidia vastaan pitkän käyttöiän aikana.
Molekyylirakenteen ero
PTFE on poly(tetrafluorieteeni): hiilirunko, joka on täysin kyllästetty fluoriatomeilla. Jokainen hiili-vetysidos, joka voi hapettua, on korvattu hiili-fluorisidoksella. C-F-sidoksen dissosiaatioenergia on noin 485 kJ/mol. Klooridioksidi ei voi rikkoa tätä sidosta voimakkaasta hapetusvoimastaan huolimatta.
ECTFE on poly(eteeni-ko-klooritrifluorieteeni): eteenin ja klooritrifluorietyleenin 1:1 vuorotteleva kopolymeeri. Puolet rungon hiiliatomeista sisältää vetyatomeja fluorin tai kloorin sijaan. C-H-sidoksen dissosiaatioenergia on noin 410 kJ/mol-merkittävästi pienempi kuin C-F-sidoksen.
Klooridioksidipalvelussa ECTFE:n C-H-sidokset ovat hapettumispisteitä. Klooridioksidi poistaa vetyatomeja polymeerirungosta ja muodostaa hiiliradikaaleja. Radikaalit reagoivat hapen tai veden kanssa muodostaen karbonyyli- ja karboksyyliryhmiä. Seuraa ketjun katkaisu. Pintapolymeerin molekyylipaino pienenee. Materiaali haurastuu, muodostuu mikro-halkeamia ja lopulta pinta kuluu pois.
Taulukko 1: Klooridioksidin kestävyyden vertailu (10 g/l ClO₂, pH 3, 70 astetta)
| Resistanssiparametri | ECTFE | PTFE |
|---|---|---|
| C-H-sidokset polymeerirungossa | Kyllä (50 % hiilidioksidista) | Ei mitään |
| Oksidatiivinen hyökkäysmekanismi | Vedyn otto → ketjun leikkaus | Ei reaktioreittiä |
| Pinnan hapettumisnopeus 70 asteessa (μm/vuosi) | 5-20 | 0 |
| Vetolujuuden säilyminen 2 vuoden jälkeen (%) | 60-80 | > 95 |
| Pidentymäretentio 2 vuoden jälkeen (%) | 40-70 | > 90 |
| Mikro{0}}halkeilu alkaa | 12-18 kuukautta | Ei esiinny |
| Suurin suositeltu käyttölämpötila ClO₂:na | 60 astetta (rajoittuu hapettumiseen) | 260 astetta (kemiasta{1}}riippumaton) |
| Odotettu käyttöikä valkaisussa | 2-5 vuotta | 10+ vuotta |
Lämpötilan kiihtyvyys
ECTFE:n oksidatiivinen hajoaminen klooridioksidissa noudattaa Arrheniuksen kinetiikkaa: nopeus noin kaksinkertaistuu jokaista 10 asteen lämpötilan nousua kohti. 50 asteessa ECTFE voi tarjota 5-8 vuotta palvelua. 70 asteessa käyttöikä lyhenee 2-4 vuoteen. 80 asteessa vika voi tapahtua 12-18 kuukauden kuluessa.
PTFE:n hapetusnopeus on nolla kaikissa alle 260 asteen lämpötiloissa. Käyttöikä on riippumaton klooridioksidipitoisuudesta ja lämpötilasta. Käyttöikää-rajoittava tekijä on mekaaninen viruminen höyryn paineesta, ei kemiallinen hajoaminen.
Sellu- ja paperitehtaille, jotka käyttävät valkaisulinjoja lämpötila-alueen yläpäässä reaktiokinetiikan maksimoimiseksi, PTFE tarjoaa luotettavan pitkäaikaisen palvelun, jossa ECTFE:tä kulutetaan asteittain.
Taloudellinen laskelma
ECTFE maksaa vähemmän kuin PTFE kiloa kohden ja sillä on hieman korkeampi lämmönjohtavuus, mikä mahdollistaa pienemmän lämmönvaihtimen pinta-alan tietylle toiminnalle. ECTFE:n alkuperäinen laitekustannus on tyypillisesti 60-80 % PTFE:n ekvivalentista.
ECTFE:n rajallinen käyttöikä klooridioksidissa tarkoittaa kuitenkin vaihtoa 2-5 vuoden välein. Vaihtokustannukset sisältävät uuden vaihtimen lisäksi myös asennustyön ja tuotannon seisokit. Kymmenen vuoden tehtaan käyttöjakson aikana ECTFE-vaihtimet vaihdetaan 2-4 kertaa. PTFE-vaihtimet vaihdetaan nolla kertaa.
Koko elinkaarikustannukset-alkulaitteiston ja vaihtotapahtumien-suositukset suosivat PTFE:tä 2–3-kertaisesti jatkuvassa valkaisussa yli 60 asteen lämpötiloissa.
Yhteenveto
PTFE ylittää ECTFE:n klooridioksidivalkaisupalvelussa, koska PTFE:ssä ei ole hiili{0}}vetysidoksia, jotta hapetin voisi hyökätä. ECTFE:n eteenin komonomeeri tarjoaa C-H-sidoksia, jotka hapettuvat asteittain, mikä johtaa pinnan haurastumiseen, mikro-halkeamiseen ja lopulta vaurioitumiseen 2–5 vuoden kuluessa normaaleissa valkaisulämpötiloissa.
PTFE:n korkeammat alkukustannukset saadaan takaisin eliminoimalla vaihtotapahtumat valkaisulinjan käyttöiän aikana. Yli 60 asteen lämpötiloissa toimiville tehtaille PTFE on suositeltava fluoripolymeeri klooridioksidihuoltoon.
Tekninen analyysi valkaisun lämmönvaihtimen materiaalin valinnasta on saatavilla, kun ClO₂-pitoisuus, käyttölämpötila, pH, nykyiset vaihtimen käyttöikätiedot ja tehtaan tuotannon aikataulurajoitukset on toimitettu.
