Un'officina di finitura dei metalli ha sostituito un riscaldatore a immersione in PTFE guasto con un'unità al quarzo di potenza e dimensioni simili. Il riscaldatore al quarzo era meno costoso e offriva un migliore trasferimento di calore. È durato undici giorni in un bagno di pulizia alcalino caldo a 75 gradi prima che il tubo si incidesse e l'elemento andasse in cortocircuito. Il guasto non era un difetto di fabbricazione. La chimica del quarzo e quella alcalina sono fondamentalmente incompatibili.
Il quarzo-silice fusa-è un materiale eccellente per il servizio acido. Resiste alla maggior parte degli acidi minerali, offre una buona resistenza agli shock termici e trasmette in modo efficiente l'energia infrarossa. Queste proprietà lo rendono una scelta comune per i bagni acidi, soprattutto nelle applicazioni di laboratorio e semiconduttori. Ma il quarzo è silice e la silice si dissolve in soluzioni alcaline. La velocità di dissoluzione aumenta con la temperatura, il pH e il tempo. In un bagno di pulizia alcalino caldo, si consuma il quarzo.
La chimica della dissoluzione del quarzo
Il quarzo è biossido di silicio (SiO₂). In presenza di ioni idrossido (OH⁻), la silice si dissolve per formare silicato solubile:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
La reazione è lenta a temperatura ambiente e pH neutro. A 75 gradi e pH 12 o superiore, procede costantemente. Un tubo di quarzo con una parete di 2 mm può perdere 0,1–0,3 mm al mese in un bagno alcalino caldo. Il diradamento è inizialmente uniforme, poi accelera man mano che la parete si indebolisce. Il guasto si verifica quando il tubo non riesce più a sopportare le sollecitazioni termiche e meccaniche dell'applicazione.
I riscaldatori ad immersione in PTFE non reagiscono con gli ioni idrossido. Il polimero è inerte all'idrossido di sodio, all'idrossido di potassio e ad altre specie alcaline a tutte le concentrazioni e temperature industriali. Un riscaldatore in PTFE nello stesso bagno alcalino durerebbe anni, non giorni.
| Chimica del bagno | pH | Temperatura | Tasso di corrosione del quarzo | Idoneità al PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Soda caustica, 5% | 13–14 | 60 gradi | 0,1–0,2 mm/mese | Eccellente |
| Soda caustica, 5% | 13–14 | 80 gradi | 0,2–0,4 mm/mese | Eccellente |
| Detergente alcalino, pH 11 | 11 | 70 gradi | 0,02–0,05 mm/mese | Eccellente |
| Idrossido di ammonio, 5% | 10–11 | 50 gradi | 0,01–0,03 mm/mese | Eccellente |
| Silicato di sodio, 3% | 11–12 | 75 gradi | 0,05–0,15 mm/mese | Eccellente |
Tassi di corrosione del quarzo nei bagni alcalini rispetto all'idoneità del PTFE
Perché il quarzo viene utilizzato nel servizio acido
Il quarzo funziona bene con gli acidi perché la silice è stabile in ambienti a basso-pH. Gli acidi cloridrico, solforico, nitrico e fosforico non attaccano il quarzo alle temperature tipiche del riscaldatore ad immersione. L'acido fluoridrico è l'eccezione- scioglie rapidamente la silice, motivo per cui i riscaldatori al quarzo non vengono utilizzati nel servizio HF.
Le proprietà termiche del quarzo sono favorevoli anche per il servizio acido. La sua conduttività termica è circa 1,4 W/m·K-superiore al PTFE ma inferiore a quella dei metalli. Il suo coefficiente di dilatazione termica è molto basso, il che gli conferisce una buona resistenza agli shock termici. Queste proprietà consentono ai riscaldatori al quarzo di funzionare a densità di watt più elevate rispetto al PTFE in prodotti chimici compatibili.
| Materiale | Conducibilità termica | Densità di Watt sicura nell'acido | Densità di Watt sicura nelle versioni alcaline | Costo relativo |
|---|---|---|---|---|
| Quarzo | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Non adatto | Basso-moderato |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Moderare |
| Titanio | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Più alto |
| Acciaio inossidabile 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Basso |
Limiti di densità di watt e confronto dei costi per i materiali dei riscaldatori a immersione in servizio acido e alcalino
Le conseguenze pratiche dell'uso del quarzo nei bagni alcalini
Il primo segno di cedimento del quarzo in un bagno alcalino è solitamente un cambiamento nell'aspetto del tubo. La superficie diventa satinata o incisa man mano che la silice si dissolve. Il muro si assottiglia. Il tubo potrebbe diventare più fragile e suscettibile a danni meccanici.
Man mano che la parete si assottiglia, la resistenza termica diminuisce e la temperatura della guaina scende leggermente. Inizialmente potrebbe sembrare che il riscaldatore funzioni meglio. Ma l’assottigliamento continua finché il muro non riesce più a contenere l’elemento. Il guasto è spesso improvviso-una crepa o un foro che consente alla soluzione alcalina di entrare in contatto con l'elemento riscaldante.
Il fallimento può essere pericoloso. Le soluzioni alcaline sono conduttive. Quando la soluzione raggiunge l'elemento energizzato, si verifica un cortocircuito. La protezione dai guasti a terra dovrebbe intervenire, ma in caso contrario il riscaldatore e il serbatoio potrebbero essere danneggiati.
Quando il quarzo è la scelta giusta
Il quarzo è la scelta giusta per i bagni acidi dove la sua maggiore densità di watt e il costo inferiore forniscono un vantaggio. È comunemente usato in:
Serbatoi di risciacquo con acido solforico diluito
Bagni di decapaggio con acido nitrico senza HF
Soluzioni detergenti a base di acido fosforico
Serbatoi di risciacquo con acqua deionizzata
Banchi umidi per semiconduttori con chimica acida
In queste applicazioni il quarzo si comporta bene e costa meno del PTFE. La limitazione è la chimica alcalina e i bagni contenenti HF-, dove il quarzo si dissolve o si incide.
Quando il PTFE è la scelta migliore
Il PTFE è la scelta migliore per i bagni alcalini, i bagni contenenti HF- e i prodotti chimici misti in cui il pH può oscillare tra acido e alcalino. È preferibile anche per bagni con alto contenuto di solidi disciolti, dove si formano depositi sulla superficie del riscaldatore e richiedono una pulizia periodica con soluzioni alcaline o acide.
La minore densità di watt del PTFE significa che è necessaria una maggiore superficie per la stessa potenza. Negli acquari compatti questo potrebbe rappresentare un limite. Ma nei serbatoi con spazio adeguato, la maggiore durata e la più ampia compatibilità chimica del PTFE superano lo svantaggio dimensionale.
Quando nessuno dei due materiali è adatto all'applicazione
Alcune applicazioni presentano sostanze chimiche che né il quarzo né il PTFE gestiscono bene. Un bagno che alterna acido forte e acido forte alcalino-come una linea di pulizia con stadi acido e caustico che condividono un riscaldatore comune-richiede un materiale che resista a entrambi. Il PTFE è l'unico materiale comune per riscaldatori a immersione che lo fa.
Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con bassa densità di watt, un'ampia superficie e involucri terminali sigillati è adatta alle applicazioni in cui il quarzo si guasta e l'acciaio inossidabile si corrode. Il processo di specifica richiede la chimica del bagno, l'intervallo di pH, la temperatura operativa, le dimensioni del serbatoio e la potenza richiesta. Per le strutture con bagni chimici alcalini o misti-, questo approccio specifico per l'applicazione- offre un servizio affidabile laddove i materiali standard non sono sufficienti.
