Lingkungan Klorin Dioksida
Klorin dioksida adalah bahan pemutih yang dominan di pabrik pulp dan kertas modern. Ini adalah oksidator kuat dengan potensi reduksi 0,95 V, mampu mengoksidasi lignin sekaligus mengawetkan selulosa. Ia juga bersifat korosif terhadap sebagian besar polimer dan logam.
Proses pemutihan memaparkan penukar panas terhadap ClO₂ pada konsentrasi 5-15 g/L, suhu 50-75 derajat, dan pH berkisar antara 2 hingga 4. Kombinasi daya oksidasi yang kuat, suhu tinggi, dan pH asam menciptakan lingkungan yang menuntut bahan konstruksi.
Dua fluoropolimer merupakan kandidat untuk layanan ini: PTFE dan ECTFE. Keduanya dipasarkan sebagai tahan bahan kimia. Struktur molekulnya berbeda-beda sehingga sangat mempengaruhi ketahanannya terhadap klorin dioksida dalam jangka panjang.
Perbedaan Struktur Molekul
PTFE adalah poli(tetrafluoroetilen): tulang punggung karbon yang sepenuhnya jenuh dengan atom fluor. Setiap ikatan karbon-hidrogen yang dapat teroksidasi telah digantikan dengan ikatan karbon-fluor. Energi disosiasi ikatan C-F kira-kira 485 kJ/mol. Klorin dioksida, meskipun memiliki kekuatan oksidasi yang kuat, tidak dapat memutuskan ikatan ini.
ECTFE adalah poli(etilen-co-klorotrifluoroetilen): kopolimer etilen dan klorotrifluoroetilen dengan perbandingan 1:1. Separuh atom karbon di tulang punggung membawa atom hidrogen, bukan fluor atau klor. Energi disosiasi ikatan C-H kira-kira 410 kJ/mol-jauh lebih rendah dibandingkan ikatan C-F.
Dalam layanan klorin dioksida, ikatan C-H di ECTFE adalah titik serangan oksidatif. Klorin dioksida mengabstraksi atom hidrogen dari tulang punggung polimer, menciptakan radikal karbon. Radikal bereaksi dengan oksigen atau air membentuk gugus karbonil dan karboksil. Pemotongan rantai menyusul. Berat molekul polimer permukaan berkurang. Bahannya menjadi rapuh,-retakan mikro terbentuk, dan pada akhirnya permukaannya terkikis.
Tabel 1: Perbandingan Resistensi Klorin Dioksida (10 g/L ClO₂, pH 3, 70 derajat )
| Parameter Resistansi | ECTFE | PTFE |
|---|---|---|
| Ikatan C-H pada tulang punggung polimer | Ya (50% karbon) | Tidak ada |
| Mekanisme serangan oksidatif | Abstraksi hidrogen → pemotongan rantai | Tidak ada jalur reaksi |
| Laju oksidasi permukaan pada 70 derajat (μm/tahun) | 5-20 | 0 |
| Retensi kekuatan tarik setelah 2 tahun (%) | 60-80 | > 95 |
| Retensi pemanjangan setelah 2 tahun (%) | 40-70 | > 90 |
| Permulaan-retak mikro | 12-18 bulan | Tidak terjadi |
| Suhu servis maksimum yang disarankan dalam ClO₂ | 60 derajat (dibatasi oleh oksidasi) | 260 derajat (kimia-independen) |
| Masa pakai yang diharapkan dalam pemutihan | 2-5 tahun | 10+ tahun |
Percepatan Suhu
Degradasi oksidatif ECTFE dalam klorin dioksida mengikuti kinetika Arrhenius: lajunya kira-kira dua kali lipat untuk setiap kenaikan suhu 10 derajat. Pada suhu 50 derajat, ECTFE dapat memberikan layanan 5-8 tahun. Pada suhu 70 derajat, masa pakainya dipersingkat menjadi 2-4 tahun. Pada suhu 80 derajat, kegagalan dapat terjadi dalam waktu 12-18 bulan.
Laju oksidasi PTFE adalah nol pada semua suhu di bawah 260 derajat. Masa pakai tidak bergantung pada konsentrasi dan suhu klorin dioksida. Faktor pembatas umurnya-adalah mulur mekanis akibat tekanan uap, bukan degradasi kimia.
Untuk pabrik pulp dan kertas yang mengoperasikan jalur pemutihan pada kisaran suhu tertinggi untuk memaksimalkan kinetika reaksi, PTFE memberikan layanan jangka panjang yang andal-di mana ECTFE dikonsumsi secara bertahap.
Perhitungan Ekonomi
ECTFE berharga lebih murah dibandingkan PTFE per kilogram dan memiliki konduktivitas termal yang sedikit lebih tinggi, memungkinkan luas permukaan penukar panas lebih kecil untuk tugas tertentu. Biaya peralatan awal untuk ECTFE biasanya 60-80% dari setara PTFE.
Namun, masa pakai ECTFE yang terbatas dalam klorin dioksida berarti penggantian setiap 2-5 tahun. Biaya penggantian tidak hanya mencakup penukaran baru tetapi juga tenaga kerja instalasi dan waktu henti produksi. Selama siklus operasi pabrik 10 tahun, penukar ECTFE diganti 2-4 kali. Penukar PTFE diganti nol kali.
Total biaya siklus hidup-peralatan awal ditambah peristiwa penggantian-lebih menguntungkan PTFE dengan faktor 2-3 dalam layanan pemutihan berkelanjutan pada suhu di atas 60 derajat .
Ringkasan
PTFE mengungguli ECTFE dalam layanan pemutihan klorin dioksida karena PTFE tidak memiliki ikatan karbon-hidrogen yang dapat diserang oleh oksidator. Komonomer etilen ECTFE menghasilkan ikatan C-H yang teroksidasi secara progresif, menyebabkan penggetasan permukaan, keretakan mikro-, dan akhirnya kegagalan dalam waktu 2-5 tahun pada suhu pemutihan normal.
Biaya awal PTFE yang lebih tinggi dapat diperoleh kembali melalui penghapusan peristiwa penggantian selama masa operasi jalur pemutihan. Untuk pabrik yang beroperasi di atas 60 derajat, PTFE adalah fluoropolimer pilihan untuk layanan klorin dioksida.
Analisis teknik untuk pemilihan bahan penukar panas pemutihan tersedia berdasarkan konsentrasi ClO₂, suhu pengoperasian, pH, data masa pakai penukar panas saat ini, dan batasan penjadwalan produksi pabrik.
