Plynný chlor (Cl₂) rozpuštěný ve vodě-běžný v dezinfekčních systémech, bazénech a komunální úpravě vody-je silné oxidační činidlo, které časem napadá povrchy PFA. Na rozdíl od roztoků chlornanu (bělidla), které způsobují rychlou degradaci, způsobuje rozpuštěný plynný chlor v typických koncentracích (1–10 ppm) postupnou povrchovou úpravu. Po 1000 hodinách nepřetržité expozice při 40 stupních (typická teplota bazénu) s 5 ppm rozpuštěného Cl₂ se povrchová tvrdost PFA zvýší o 5–10 jednotek Shore D (z 65–68 na 70–75). Povrch se stává křehčím, přičemž prodloužení při přetržení klesá z 300 % na 150–200 %. Nárůst tvrdosti je omezen na vnější 50–150 µm vrstvu; sypký materiál zůstává nedotčen. Při vyšších teplotách (60–80 stupňů) nebo vyšších koncentracích chloru (20–50 ppm) se účinek zrychluje a během 500 hodin může dojít k praskání povrchu.
Mechanismus útoku chlórem na PFA
Rozpuštěný plynný chlor hydrolyzuje ve vodě za vzniku kyseliny chlorné (HOCl) a kyseliny chlorovodíkové (HCl): Cl2 + H22O → HOCl + HCl. Jak HOCl, tak HCl jsou agresivní. HOCl je silné oxidační činidlo, které abstrahuje atomy vodíku z konců řetězců PFA (ačkoli PFA má velmi málo vodíků, existují některé zbytkové koncové skupiny -CF2H). Reakce nahradí fluor kyslíkem a vytvoří karbonylfluoridové (-COF) a karboxylové (-COOH) skupiny. Tyto polární skupiny zvyšují povrchovou energii (z 18–20 mN/m na 25–35 mN/m), což paradoxně snižuje kontaktní úhel vody a může zlepšit smáčivost. Ještě důležitější je, že zoxidovaná povrchová vrstva se zesíťuje{14} a ztvrdne. Nárůst tvrdosti koreluje se zvýšením krystalinity v povrchové vrstvě (ze 45 % na 55–60 %), protože amorfní oblasti jsou přednostně napadány a reorganizovány.
Reakce je -závislá na teplotě. Při 25 stupních je zvýšení tvrdosti po 1000 hodinách při 5 ppm Cl2 2–4 jednotky Shore D. Při 40 stupních je to 5–10 jednotek. Při 60 stupních je to 10–15 jednotek a objevují se povrchové mikrotrhliny. Při 80 stupních PFA v 5 ppm chlorové vody selže během 200–500 hodin v důsledku silného popraskání a křehnutí povrchu. Z tohoto důvodu by ohřívače PFA v systémech chlorové dezinfekce měly pracovat pod 50 stupňů.
Změna tvrdosti povrchu po 1000 hodinách
| Koncentrace chlóru (ppm) | Teplota (stupně) | Počáteční tvrdost (Shore D) | Tvrdost po 1000 h (Shore D) | Zvýšení (pobřeží D) | Stav povrchu | Prodloužení při retenci při přetržení (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 (kontrola) | 40 | 66 | 66 | 0 | Hladký, lesklý | 100% |
| 1 | 40 | 66 | 68–69 | 2–3 | Mírné otupení | 90–95% |
| 5 | 40 | 66 | 70–73 | 4–7 | Mlý, mírně drsný | 70–80% |
| 10 | 40 | 66 | 72–75 | 6–9 | Tupá, viditelná mikro-drsnost | 60–70% |
| 5 | 25 | 66 | 68–70 | 2–4 | Mírné otupení | 85–90% |
| 5 | 50 | 66 | 72–76 | 6–10 | Nudné, jemné šílenství | 65–75% |
| 5 | 60 | 66 | 75–80 | 9–14 | Mikrotrhliny viditelné při 10× | 40–60% |
| 5 | 80 | 66 | N/A (neúspěšné) | N/A | Povrchové praskání, křehnutí | <20% |
| 20 | 40 | 66 | 74–78 | 8–12 | Šílená, bílá povrchová vrstva | 50–65% |
| 50 | 40 | 66 | 78–82 | 12–16 | Praskání, práškování povrchu | 30–50% |
Praktické důsledky pro provoz ohřívače
U bazénových ohřívačů (25–30 stupňů, 1–5 ppm Cl₂) je zvýšení tvrdosti po 1 000 hodinách nepatrné (2–5 Shore D). Ohřívač zůstává funkční a povrchové zkřehnutí nezpůsobuje praskání při normálním tepelném cyklování (ΔT=10–20 stupňů ). Předpokládaná životnost je 5–10 let. U komunálních systémů dezinfekce vody, kde teploty dosahují 40–50 stupňů, je nárůst tvrdosti významný (5–10 Shore D). Povrch ohřívače se stává matným a méně pružným. Tepelné cykly (denní zapnutí/vypnutí) mohou po 2–3 letech způsobit jemné povrchové trhliny. Doporučuje se výměna po 3–5 letech.
Pro průmyslovou dezinfekci chlórem při zvýšených teplotách (50–80 stupňů) se PFA nedoporučuje bez ohledu na koncentraci. Kombinace chlóru a vysoké teploty způsobuje rychlou degradaci povrchu, praskání a eventuální pronikání do kovového jádra. Alternativní materiály pro vysokoteplotní použití chlóru jsou titan (pasiváty v chlórové vodě) nebo ECTFE (Halar), který má lepší odolnost vůči chlóru než PFA.
Testování tvrdosti povrchu pro posouzení stavu
U ohřívačů PFA v chlórovém provozu předpovídá roční testování tvrdosti povrchu zbývající životnost. Použijte přenosný tvrdoměr Shore D (ASTM D2240). Měřte na třech místech (dole, uprostřed, nahoře) na ponořené části. Zvýšení tvrdosti o 5–10 jednotek nad původní hodnotu (66–68) znamená mírnou degradaci; ohřívač pravděpodobně zbývá 2–3 roky. Zvýšení tvrdosti o 10–15 jednotek znamená silnou degradaci; doporučuje se výměna do 12 měsíců. Zvýšení tvrdosti nad 15 jednotek nebo jakékoli viditelné praskliny na povrchu vyžadují okamžitou výměnu. Korelace mezi zvýšením tvrdosti a zbývající životností je empirická, ale spolehlivá pro PFA-poškozené chlórem.
U ohřívačů, které již vykazují zvýšenou tvrdost, snižte provozní teplotu, pokud je to možné. Každé snížení o 5 stupňů sníží rychlost degradace na polovinu (Arrheniusovo chování). U ohřívače pracujícího při 50 stupních se zvýšením tvrdosti o 10 jednotek prodlužuje pokles na 40 stupňů zbývající životnost ze 2 let na 4 roky.
Závěr: Zvýšení tvrdosti o 5–10 jednotek po 1 000 hodinách při 40 stupních /5 ppm Cl₂
Po 1000 hodinách působení rozpuštěného plynného chlóru (5 ppm) ve vodě o teplotě 40 stupňů se povrchová tvrdost ohřívače PFA zvýší o 5–10 jednotek Shore D (z 66–68 na 70–75). Povrch zkřehne, přičemž prodloužení při přetržení klesne z 300 % na 70–80 %. Degradace je omezena na vnější 50–150 µm vrstvu a nezpůsobí okamžitě poruchu, ale snižuje odolnost ohřívače vůči tepelným cyklům a mechanickému namáhání. Pro typickou dezinfekci bazénové a komunální vody (25–40 stupňů, 1–5 ppm) mají ohřívače PFA přijatelnou životnost 5–10 let. Pro průmyslové aplikace nad 50 stupňů se PFA nedoporučuje. Každoroční testování tvrdosti Shore D poskytuje jednoduchou,-nedestruktivní metodu k posouzení degradace a předpovídání načasování výměny. Zvýšení tvrdosti o více než 15 jednotek nebo jakékoli viditelné praskliny na povrchu vyžadují okamžitou výměnu ohřívače. Sledujte tvrdost, kontrolujte teplotu a vyměňte před selháním. Chlór a vysoká teplota jsou nepřátelé PFA; spravujte obojí a váš ohřívač vydrží.
