Pourquoi le verre de quartz ne peut-il pas former un film protecteur pour résister à l’érosion par les liquides alcalins ?

# Pourquoi est-il impossible pour le verre de quartz de créer un film protecteur capable de résister à l'érosion des liquides alcalins ? La structure cristalline stable du dioxyde de silicium des tubes chauffants en quartz, qui résiste à l'érosion acide et fluorée, en fait un choix populaire pour les processus de fermentation impliquant une teneur élevée en chlorure et en acide fluorhydrique. Cependant, le verre de quartz est incapable de former une couche auto-protectrice lorsqu'il entre en contact avec un détergent alcalin, contrairement aux tubes chauffants métalliques comme l'acier inoxydable 316 et le titane de grade 2, qui produisent des films de passivation anti-corrosion régénérables. Une fois qu'un liquide alcalin entre en contact avec la paroi du tube, il provoque des dommages permanents par gravure, ce qui présente des risques cachés de contamination microbienne et de rupture ultérieure du tube. Le tableau suivant examine la différence de mécanismes de protection entre quatre matériaux de tubes chauffants anti--corrosion.|Matériau du tube chauffant|Type de film protecteur|État de régénération du film|Réaction avec un liquide alcalin|Réversibilité des dommages|| ----|----|----|----|----|| Acier inoxydable 316|Film passif d'oxyde riche en chrome|Récupération par passivation de décapage|Dissolution temporaire du film en dessous de 60 degrés alcalins|Réparable par re-passivation|| Titane de qualité 2|Film passif de dioxyde de titane|Auto-réparations avec de l'oxygène dissous|Légère amincissement du film sous alcali faible|Récupérable avec circulation riche en oxygène|| Verre à quartz|Pas de film protecteur secondaire, le cristal lui-même sert de barrière|Pas de mécanisme de régénération|Décomposition chimique du cristal de SiO₂|Gravure permanente irréversible|| Chauffage avec revêtement PFA|Barrière de revêtement en fluoropolymère|Pas de fonction d'auto-réparation|Rupture lente de la chaîne moléculaire du revêtement|Remplacement partiel nécessaire après un dommage|La composition chimique de base du verre de quartz industriel de haute pureté est du dioxyde de silicium d'une pureté supérieure à 99,99 %, et sa structure interne est un réseau tridimensionnel stable construit par des liaisons covalentes silicium-oxygène. L’inertie chimique de ce réseau cristallin complet est à l’origine de sa résistance aux acides. Aucune réaction de déplacement chimique ne se produit lorsque la surface du cristal est exposée à un milieu acide ou fluoré, et la surface du cristal reste naturellement intacte. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de produire un film protecteur supplémentaire pour l’isolation. De grandes quantités d’ions hydroxyde sont présentes dans les solutions alcalines, représentées par l’hydroxyde de sodium. La liaison covalente stable silicium-oxygène sur la surface du quartz sera rompue par les ions hydroxyde à la température de chauffage de la circulation CIP, entraînant la production de silicate de sodium soluble. Le corps cristallin du quartz est directement consommé par le liquide en circulation, qui élimine continuellement le produit soluble, plutôt que de simplement endommager un mince film superficiel. La couche dépolie endommagée ne peut pas être restaurée par un nettoyage, une neutralisation ou un traitement d'entretien, car le quartz est incapable de synthétiser un nouveau dioxyde de silicium pour remplir les piqûres gravées. La matrice métallique primaire située sous le film reste inchangée et les tubes chauffants métalliques dépendent de films de surface minces pour leur protection. Le matériau de base a la capacité de produire un nouveau film dans des circonstances spécifiques, même si le film est partiellement endommagé. Cependant, il n’y a pas de distinction entre « matrice » et « couche protectrice » dans le quartz. La principale structure portante du conduit de chauffage est la surface lisse visible. La paroi du tube s'amincira de manière inégale, des microfissures invisibles se formeront à l'intérieur du cristal et, finalement, une rupture soudaine se produira sous des contraintes alternées de froid et de chaud pendant la production, tout cela en raison de l'érosion continue des alcalis. Des verrouillages mécaniques durs doivent être installés sur les canalisations d'alcali dans les laboratoires de fermentation équipés de tubes chauffants en quartz pour garantir que les boucles de circulation d'acide et d'alcali sont entièrement séparées. Les opérateurs doivent se concentrer sur l’inspection du givrage des parois des tubes et des zones mates résultant d’une fuite accidentelle d’alcali lors des inspections bihebdomadaires de la transmission de la lumière. Le faisceau de tubes doit être immédiatement mis au rebut lorsque la zone givrée dépasse 30 % de la surface totale, car la résistance structurelle est tombée à un niveau dangereux. En résumé, la structure cristalline distinctive du quartz le rend incapable de générer un film protecteur régénérable capable de résister à l’érosion alcaline. La seule méthode fiable pour garantir le fonctionnement sûr et la durée de vie prolongée des tubes chauffants en quartz est l’isolation complète du détergent alcalin.