¿Cuál es el efecto del cloro gaseoso disuelto en el agua sobre la dureza de la superficie del calentador de PFA después de 1000 horas?

En el agua, el cloro gaseoso (Cl₂) es un agente oxidante muy potente y se utiliza en muchos sistemas de desinfección, piscinas y plantas de tratamiento de agua municipales. Con el tiempo, el cloro destruirá las superficies de PFA. En cantidades normales (1-10 ppm), el cloro gaseoso disuelto produce una alteración progresiva de la superficie, mientras que las soluciones de hipoclorito (lejía) provocan una rápida degradación. La dureza de la superficie del PFA aumenta entre 5 y 10 unidades Shore D (65-68 a 70-75) después de 1000 horas de exposición continua a 40 grados (temperatura promedio de la piscina) con 5 ppm de Cl disuelto 2 . La superficie se vuelve más quebradiza, el alargamiento de rotura disminuye del 300 % al 150-200 %. El aumento de dureza se limita a la capa exterior de 50 a 150 µm, el material a granel permanece sin cambios. La acción se acelera a temperaturas más altas (60 a 80 grados) o mayores concentraciones de cloro (20 a 50 ppm), y el agrietamiento de la superficie puede ocurrir dentro de 500 horas.

Mecanismo de ataque del cloro PFA
En agua, el cloro gaseoso disuelto se hidroliza para crear ácido hipocloroso (HOCl) y ácido clorhídrico (HCl). Cl2 +H2O HOCl + HCl. 'HOCl y HCl son ambos hostiles. El HOCl es un oxidante fuerte que extrae átomos de hidrógeno de los extremos de la cadena del PFA (aunque el PFA tiene relativamente pocos hidrógenos, hay algunos grupos terminales -CF2H residuales). El flúor se reemplaza por oxígeno, formando grupos fluoruro de carbonilo (-COF) y carboxilo (-COOH). Estos grupos polares aumentan la energía superficial (de 18-20 mN/m a 25-35 mN/m), lo que paradójicamente resulta en la reducción del ángulo de contacto con el agua y, por lo tanto, puede mejorar la humectabilidad. Más importante aún, la capa superficial oxidada se reticula y se endurece. El aumento de la dureza está relacionado con un aumento de la cristalinidad de la capa superficial (del 45% al ​​55-60%) porque las regiones amorfas se dirigen y reorganizan preferentemente.

Esta reacción depende de la temperatura. 25 grados. Después de 1.000 horas a 5 ppm de Cl2, la dureza aumenta entre 2 y 4 unidades Shore D. A 40 grados, es de 5 a 10 unidades. A 60 grados son 10-15 unidades. Se forman microfisuras superficiales. El PFA en agua con 5 ppm de cloro a 80 grados falla después de 200 a 500 horas debido al severo agrietamiento y fragilización de la superficie. Por lo tanto, los calentadores de PFA en los sistemas de desinfección con cloro deben usarse por debajo de los 50 grados.

Cambio en la dureza de la superficie después de 1000 h.
Temperatura (grados) Concentración de cloro (ppm) Dureza inicial (Shore D) Dureza después de 1000 horas (Shore D) Aumento (Shore D) Apariencia de la superficie Alargamiento a la rotura Retención (%)
0 (control) 40 66 66 0 Suave, brillante 100 % 1 40 66 68-69 2-3 Ligeramente opaco 90-95 % 5 40 66 70-73 4-7 Opaco, ligeramente áspero 70-80 %
10 40 66 72-75 6-9 Micro-rugosidad opaca y notable 60-70 %
5 25 66 68–70 2–4 Ligera pérdida de brillo 85–90 % 5 50 66 72–76 6–10 Fisura fina y opaca 65–75 % 5 60 66 75–80 9–14 Microfisuras aparentes a 10× 40–60 %
5 80 66 N/A (fallido) N/A Grietas en la superficie, fragilidad<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%
Implicaciones prácticas para hacer funcionar el calentador.
Para los calentadores de piscinas (25-30 grados, 1-5 ppm Cl2), el aumento de la dureza después de 1000 h fue pequeño (2-5 Shore D). El calentador todavía está operativo y la fragilidad de la superficie no induce grietas durante el ciclo térmico normal (ΔT=10-20 grado). La vida útil es de 5 a 10 años. Para los sistemas de tratamiento de agua municipales con temperaturas de 40 a 50 grados, el aumento de dureza es significativo (5 a 10 Shore D). La superficie del calentador se vuelve opaca y pierde su elasticidad. Después de 2 o 3 años de ciclo térmico (encendido/apagado diario), pueden aparecer finas fracturas en la superficie. Sustitución aconsejada a los 3-5 años.

El PFA no se recomienda para la desinfección industrial de cloro a altas temperaturas (50-80 grados) cualquiera que sea la concentración. La combinación de alta temperatura y cloro conduce a un rápido deterioro y agrietamiento de la superficie y, finalmente, a la permeación al núcleo metálico. Otros materiales para servicio de cloro a alta temperatura son el titanio (pasivados en agua con cloro) o ECTFE (Halar), que es superior al PFA con respecto a la resistencia al cloro.

Evaluación de la condición Prueba de dureza de la superficie
Para los calentadores de PFA en servicio con cloro, las pruebas anuales de dureza de la superficie estiman la vida restante. Utilice un durómetro Shore D portátil (ASTM D2240). Mida en tres posiciones (abajo, medio, arriba) en la parte que está sumergida. Si la dureza ha aumentado 5-10 unidades sobre el valor original (66-68), eso es una indicación de degradación moderada. Es probable que al calentador le queden entre 2 y 3 años. Un aumento de 10 a 15 unidades en la dureza es indicativo de una degradación significativa y el reemplazo debe realizarse dentro de los 12 meses. Si la dureza aumenta en más de 15 unidades o si se produce alguna grieta evidente en la superficie, es necesario reemplazarlo. La asociación entre la vida restante y el aumento de la dureza es empírica. Sin embargo, es fiable para PFA dañado por el cloro.

Si los calentadores ya muestran un aumento de dureza, reduzca la temperatura de trabajo si es posible. La tasa de degradación se reduce a la mitad cada 5 grados (comportamiento de Arrhenius). Un calentador a 50 grados, con un aumento de dureza de 10 unidades, bajando a 40 grados, duplica la vida útil restante a 4 años.

Conclusiones: La dureza aumentó entre 5 y 10 unidades después de 1000 horas a 40 grados/5 ppm de 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 unidades o cualquier grieta superficial evidente. Cómo controlar la dureza, mantener la temperatura y reemplazarlo antes de que falle El cloro y las altas temperaturas son los enemigos del PFA. Administre ambos y su calentador sobrevivirá.