Sebuah toko finishing logam mengganti pemanas imersi PTFE yang rusak dengan unit kuarsa dengan watt dan dimensi yang sama. Pemanas kuarsa lebih murah dan menawarkan perpindahan panas yang lebih baik. Itu berlangsung selama sebelas hari dalam bak pembersih alkali panas pada suhu 75 derajat sebelum tabung tergores dan elemennya mengalami korsleting. Kegagalan tersebut bukan merupakan cacat produksi. Kimia kuarsa dan alkali pada dasarnya tidak cocok.
Kuarsa-silika leburan-adalah bahan yang sangat baik untuk layanan asam. Ia menolak sebagian besar asam mineral, menawarkan ketahanan guncangan termal yang baik, dan mentransmisikan energi inframerah secara efisien. Sifat-sifat ini menjadikannya pilihan umum untuk rendaman asam, terutama dalam aplikasi semikonduktor dan laboratorium. Tapi kuarsa adalah silika, dan silika larut dalam larutan basa. Laju disolusi meningkat seiring dengan suhu, pH, dan waktu. Kuarsa dikonsumsi dalam bak pembersih alkali panas.
Kimia Pembubaran Kuarsa
Kuarsa adalah silikon dioksida (SiO₂). Dengan adanya ion hidroksida (OH⁻), silika larut membentuk silikat yang larut:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Reaksinya lambat pada suhu kamar dan pH netral. Pada suhu 75 derajat dan pH 12 atau lebih tinggi, proses ini berlangsung terus-menerus. Tabung kuarsa dengan dinding 2 mm mungkin kehilangan 0,1-0,3 mm per bulan dalam rendaman alkali panas. Penipisannya seragam pada awalnya, kemudian semakin cepat seiring dengan melemahnya dinding. Kegagalan terjadi ketika tabung tidak dapat lagi menahan tekanan termal dan mekanis dari aplikasi.
Pemanas perendaman PTFE tidak bereaksi dengan ion hidroksida. Polimer ini inert terhadap natrium hidroksida, kalium hidroksida, dan spesies basa lainnya di semua konsentrasi dan suhu industri. Pemanas PTFE dalam wadah alkali yang sama akan bertahan bertahun-tahun, bukan berhari-hari.
| Kimia Mandi | pH | Suhu | Laju Korosi Kuarsa | Kesesuaian PTFE |
|---|---|---|---|---|
| Soda kaustik, 5% | 13–14 | 60 derajat | 0,1–0,2 mm/bulan | Bagus sekali |
| Soda kaustik, 5% | 13–14 | 80 derajat | 0,2–0,4 mm/bulan | Bagus sekali |
| Pembersih alkali, pH 11 | 11 | 70 derajat | 0,02–0,05 mm/bulan | Bagus sekali |
| Amonium hidroksida, 5% | 10–11 | 50 derajat | 0,01–0,03 mm/bulan | Bagus sekali |
| Natrium silikat, 3% | 11–12 | 75 derajat | 0,05–0,15 mm/bulan | Bagus sekali |
Tingkat korosi kuarsa dalam rendaman alkali dibandingkan dengan kesesuaian PTFE
Mengapa Kuarsa Digunakan dalam Layanan Asam
Kuarsa berkinerja baik dalam asam karena silika stabil di lingkungan-pH rendah. Asam klorida, sulfat, nitrat, dan fosfat tidak menyerang kuarsa pada suhu pemanas perendaman biasa. Pengecualiannya adalah asam fluorida-asam ini melarutkan silika dengan cepat, itulah sebabnya pemanas kuarsa tidak digunakan dalam layanan HF.
Sifat termal kuarsa juga menguntungkan untuk layanan asam. Konduktivitas termalnya sekitar 1,4 W/m·K-lebih tinggi dari PTFE tetapi lebih rendah dari logam. Koefisien ekspansi termalnya sangat rendah, sehingga memberikan ketahanan guncangan termal yang baik. Sifat-sifat ini memungkinkan pemanas kuarsa beroperasi pada kepadatan watt yang lebih tinggi dibandingkan PTFE dalam kimia yang kompatibel.
| Bahan | Konduktivitas Termal | Kepadatan Watt yang Aman dalam Asam | Kepadatan Watt Aman dalam Alkaline | Biaya Relatif |
|---|---|---|---|---|
| Kuarsa | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 W/cm² | Tidak cocok | Rendah–Sedang |
| PTFE | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 W/cm² | 1,2–1,5 W/cm² | Sedang |
| titanium | 22 W/m·K | 2–4 W/cm² | 2–3 W/cm² | Lebih tinggi |
| Baja tahan karat 316 | 16 W/m·K | 1–3 W/cm² | 2–4 W/cm² | Rendah |
Batas kepadatan watt dan perbandingan biaya untuk bahan pemanas perendaman dalam layanan asam dan basa
Konsekuensi Praktis Penggunaan Kuarsa di Pemandian Alkali
Tanda pertama kegagalan kuarsa dalam rendaman basa biasanya adalah perubahan tampilan tabung. Permukaan menjadi buram atau tergores saat silika larut. Dindingnya menipis. Tabung mungkin menjadi lebih rapuh dan rentan terhadap kerusakan mekanis.
Saat dinding menipis, ketahanan termal menurun dan suhu selubung turun sedikit. Pemanas mungkin tampak berkinerja lebih baik pada awalnya. Namun penipisan terus berlanjut hingga dinding tidak mampu lagi menampung elemen tersebut. Kegagalan sering kali terjadi secara tiba-tiba-retak atau lubang yang memungkinkan larutan alkali bersentuhan dengan elemen pemanas.
Kegagalan tersebut bisa berbahaya. Larutan basa bersifat konduktif. Ketika solusi mencapai elemen berenergi, terjadi korsleting. Pelindung gangguan tanah akan trip, namun jika tidak, pemanas dan tangki dapat rusak.
Saat Kuarsa Adalah Pilihan Tepat
Kuarsa adalah pilihan yang tepat untuk rendaman asam karena kepadatan wattnya yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah memberikan keuntungan. Ini biasanya digunakan di:
Encerkan tangki bilas asam sulfat
Mandi pengawetan asam nitrat tanpa HF
Larutan pembersih asam fosfat
Tangki bilas air deionisasi
Bangku basah semikonduktor dengan kimia asam
Dalam aplikasi ini, kuarsa berkinerja baik dan harganya lebih murah dibandingkan PTFE. Batasannya adalah kimia alkali dan rendaman yang mengandung HF-, tempat kuarsa larut atau tergores.
Ketika PTFE Adalah Pilihan Yang Lebih Baik
PTFE adalah pilihan yang lebih baik untuk rendaman basa, rendaman yang mengandung HF-, dan bahan kimia campuran yang pHnya dapat berubah antara asam dan basa. Juga lebih baik untuk mandi dengan padatan terlarut tinggi, di mana endapan terbentuk pada permukaan pemanas dan memerlukan pembersihan berkala dengan larutan basa atau asam.
Kepadatan watt PTFE yang lebih rendah berarti diperlukan lebih banyak luas permukaan untuk daya yang sama. Pada tangki kompak, hal ini mungkin menjadi batasannya. Namun dalam tangki dengan ruang yang memadai, masa pakai yang lebih lama dan kompatibilitas kimia PTFE yang lebih luas lebih besar daripada kerugian ukurannya.
Ketika Tidak Ada Bahan yang Sesuai dengan Aplikasi
Beberapa aplikasi menghadirkan bahan kimia yang tidak dapat ditangani dengan baik oleh kuarsa maupun PTFE. Bak mandi yang bergantian antara asam kuat dan basa kuat-seperti saluran pembersih dengan tahap asam dan kaustik yang menggunakan pemanas yang sama-membutuhkan bahan yang tahan terhadap keduanya. PTFE adalah satu-satunya bahan pemanas perendaman umum yang dapat melakukannya.
Konfigurasi pemanas imersi PTFE khusus dengan kepadatan watt rendah, luas permukaan besar, dan penutup terminal tertutup mengatasi aplikasi di mana kuarsa gagal dan baja tahan karat terkorosi. Proses spesifikasi memerlukan bahan kimia rendaman, kisaran pH, suhu pengoperasian, dimensi tangki, dan watt yang diperlukan. Untuk fasilitas dengan pemandian kimia alkali atau campuran, pendekatan khusus aplikasi ini memberikan layanan yang andal ketika bahan standar tidak mencukupi.
