ในเครื่องระเหย-ของเหลว-ที่เป็นศูนย์ซึ่งบำบัดน้ำเกลือที่มีคลอไรด์สูง- (100,000 ppm) ที่ 120 องศา การมีอยู่ของออกซิเจนจะควบคุมความเสถียรของการทำให้เกิดฟิล์มของเปลือกไทเทเนียมได้อย่างไร

การแลกเปลี่ยนพื้นฐาน-ในการออกแบบเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับเครื่องระเหยน้ำเกลือที่มีอุณหภูมิสูง
ในเครื่องระเหย-ของเหลว-ที่ปล่อยออก (ZLD) น้ำเสียทางอุตสาหกรรมจะถูกทำให้เข้มข้นใกล้ความอิ่มตัวเพื่อผลิตน้ำเกลือที่มีความเข้มข้นของคลอไรด์สูงถึง 100,000-150,000 ppm ที่อุณหภูมิใช้งาน 100-120 องศา เครื่องทำความร้อนแบบจุ่มที่ใช้ในการบริการนี้ควรใช้ไทเทเนียมเนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนโดยทั่วไปในสารละลายคลอไรด์ได้ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ที่รุนแรงเหล่านี้เป็นการทดสอบขีดจำกัดความเฉื่อยของไทเทเนียม ในน้ำเค็ม (19,000 ppm Cl⁻ ที่ 30 องศา ) ไทเทเนียมเป็นแบบพาสซีฟไม่มีกำหนด แต่เมื่อมีคลอไรด์ 100,000+ ppm ที่ 120 องศา ชั้นไทเทเนียมไดออกไซด์แบบพาสซีฟจะอยู่ในสภาพที่ความเสถียรของมันขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของออกซิเจนที่ละลายในน้ำเกลือเป็นอย่างมาก ในสภาวะที่มีออกซิเจน ฟิล์มแบบพาสซีฟ-จะฟื้นตัวอย่างรวดเร็ว และเปลือกไทเทเนียม (1.0 มม.) ที่มีความหนาของผนังบางสามารถให้บริการได้หลาย- ปี ฟิล์มพาสซีฟจะล้มเหลวในสถานการณ์ที่ขาดออกซิเจนหรือขาดอากาศ และการเกิดรูพรุนและการดูดซึมไฮโดรเจนเฉพาะที่อย่างรวดเร็วสามารถเกิดขึ้นและทะลุผนังขนาด 2.5 มม. ได้ภายในเวลาไม่กี่เดือน ออกซิเจนทำหน้าที่เป็นแคโทดดีโพลาไรเซอร์และเปลี่ยนศักยภาพในการกัดกร่อนไปยังพื้นที่แฝง การวิเคราะห์นี้ระบุถึงความสัมพันธ์ระหว่างออกซิเจน-ความเฉื่อย และให้คำแนะนำสำหรับความหนาของผนังตามฟังก์ชันของความเข้มข้นของออกซิเจนละลายที่คาดการณ์ไว้ในบริการเครื่องระเหย ZLD

ผลกระทบต่อความสมบูรณ์ทางกล: สภาวะที่มีการปล่อยอากาศออกและเติมอากาศสำหรับการสร้างฟิล์ม
ไทเทเนียมถูกทำให้ขุ่นด้วยฟิล์ม TiO2 ที่เสถียร ซึ่งจะถูกส่งกลับอย่างต่อเนื่องในสารละลายคลอไรด์มวลเบาที่อุณหภูมิสูง ปฏิกิริยาแคโทดของพื้นผิวฟิล์มพาสซีฟคือปฏิกิริยารีดักชั่นของออกซิเจนละลาย (O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻) ระดับออกซิเจนละลายที่จำเป็นเพื่อรักษาความเฉื่อยของไทเทเนียมเกรด 2 ในน้ำเกลือคลอไรด์ 100,000 ppm ที่ 120 องศา มีค่าอยู่ที่ 0.5 ppm ที่เกณฑ์นี้ ศักยภาพในการกัดกร่อนยังคงสูงกว่าศักยภาพในการเกิดรูพรุน (~+300 mV เทียบกับ Ag/AgCl) ในขณะที่อัตราการกัดกร่อนสม่ำเสมอต่ำกว่า 0.01 มม./ปี ออกซิเจนต่ำกว่า 0.5 ppm ปฏิกิริยาแคโทดิกจะเปลี่ยนเป็นรีดิวซ์ของน้ำ (2H2O + 2e- → H2 + 2OH-) ทำให้เกิดไฮโดรเจนที่พื้นผิว ศักยภาพในการกัดกร่อนจะเคลื่อนเข้าสู่บริเวณที่มีปฏิกิริยา และไอออนของคลอไรด์สามารถแทรกซึมเข้าไปในฟิล์มเฉื่อยที่ถูกบุกรุกได้ ภายใต้สถานการณ์ที่ไม่มีอากาศถ่ายเท (ออกซิเจน < 0.1 ppm) ที่ 120 องศา อัตราการเกิดรูพรุนที่วัดได้ในน้ำเกลือคลอไรด์สูง-คือ 0.5–1.0 มม. ต่อปี ซึ่งบ่งชี้ว่าผนังขนาด 1.5 มม. สามารถเจาะรูได้ใน 18–36 เดือน ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น ไฮโดรเจนที่สร้างขึ้นที่ตำแหน่งแคโทดิกจะอพยพเข้าสู่โครงตาข่ายไทเทเนียมและทำให้เกิดการเปราะ ซึ่งทำให้เกิดการแตกร้าวก่อนที่จะเกิดการเจาะแบบรูพรุน ความสมบูรณ์ทางกลของปลอกหุ้มไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับความหนาของผนังเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับการมีออกซิเจนละลายที่เพียงพอเพื่อรองรับปฏิกิริยาแคโทดที่ทำให้ไทเทเนียมอยู่ในสถานะไม่โต้ตอบ

อิทธิพลต่อประสิทธิภาพเชิงความร้อน: การสูญเสียออกซิเจนที่พื้นผิวที่ร้อน
The temperature differential across the titanium sheath causes a local oxygen concentration gradient. The solubility of dissolved oxygen diminishes as brine is heated over the sheath surface. At bulk brine temperatures of 120 °C the equilibrium oxygen solubility at 1 atm is ~2 ppm. At the titanium surface, the local oxygen solubility is reduced to around 1.5 ppm, where it may reach 125-130°C due to electrical resistance through the wall. This difference is generally not enough to result in loss of passivity. However, the surface temperature can be higher than 140 C when the heater works with high power density (>3.5 W/cm 2 ) or with thick wall (>1.8 mm), where oxygen solubility is less than 1 ppm. Even at these temperatures, a bulk oxygen content of 2 ppm may not be enough to keep the sheath surface passive. Finite element modeling of oxygen transport indicates that a 1.2 mm wall at a surface temperature of 128°C consumes oxygen at the cathodic surface at a rate that can be sustained by diffusion from the bulk if the bulk concentration is greater than 1.5 ppm. A 2.0 mm wall at a surface temperature of 142°C necessitates a bulk oxygen concentration of >3 ppm ซึ่งโดยทั่วไปไม่สามารถทำได้ในเครื่องระเหย ZLD แบบขจัดอากาศ ดังนั้น ผนังที่บางกว่าจึงไม่เพียงแต่เพิ่มการถ่ายเทความร้อนเท่านั้น แต่ยังลดอุณหภูมิพื้นผิวลงด้วย ทำให้เปลือกมีอุณหภูมิที่ต่ำกว่าและเข้ากันได้กับออกซิเจนมากขึ้น

การสังเคราะห์ข้อดี{0}}: ความเข้มข้นของออกซิเจนเป็นตัวคูณความหนาของผนัง
เมทริกซ์ด้านล่างแสดงความหนาของผนังไทเทเนียมที่แนะนำสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบระเหย ZLD สำหรับน้ำเกลือคลอไรด์ 100,000 ppm ที่ 120 องศา ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของออกซิเจนละลายที่กำหนดในกระแสน้ำเกลือหมุนเวียน

ออกซิเจนที่ละลายในน้ำเกลือปริมาณมาก (ppm ที่ 120 องศา) ข้อแนะนำความหนาของผนังไทเทเนียม (เกรด 2) ความเสถียรที่คาดการณ์ไว้และอายุการใช้งานของเหตุผลทางวิศวกรรมของแกนฟิล์มแบบพาสซีฟ 2.0 ppm (เครื่องระเหยแบบเปิดที่มีการเติมอากาศโดยสมบูรณ์พร้อมการกระจายอากาศ) 1.0 มม. – 1.2 มม. ดีเยี่ยม; > 5 ปี ความเข้มข้นของออกซิเจนสูงกว่าเกณฑ์วิกฤต ฟิล์มพาสซีฟที่เสถียร ผนังบางช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนและลดอุณหภูมิพื้นผิว ค่าเผื่อการกัดกร่อน 0.05 มม./ปี ให้บัฟเฟอร์ความปลอดภัย
1.0 – 2.0 ppm (การเติมอากาศปานกลาง, ระบบกึ่ง-ปิดผนึก) 1.4 มม. – 1.6 มม. ดี; 3 – 5 ปี ออกซิเจนเข้าใกล้เกณฑ์วิกฤต ผนังที่หนาขึ้นจะเผื่อการกัดกร่อนของการจุ่มลงในออกซิเจน ความหนาของผนังปานกลางทำให้เกิดการประนีประนอมระหว่างประสิทธิภาพการระบายความร้อนและระยะขอบฟิล์ม
ออกซิเจนต่ำ, การป้อนอากาศ-, อากาศเข้าต่ำ 0.5 – 1.0 ppm 1.8 มม. – 2.0 มม. ขอบ; 2 – 3 ปีออกซิเจนสูงกว่าระดับวิกฤตเล็กน้อย อันตรายจากการเกิดหลุมมีสูง ผนังหนา จำเป็นสำหรับค่าเผื่อการกัดกร่อน แนะนำสำหรับการตรวจสอบการเปราะของไฮโดรเจน การวิ่งในระดับออกซิเจนนี้ไม่ดี
< 0.5 ppm (deaerated, e.g. closed loop with oxygen scavengers)Not recommended (any thickness) Unstable; < 18 months Passivity is not sustainable. Pitting and hydrogen embrittlement will occur independent of wall thickness Reintroduction of oxygen or other material (such as titanium-palladium Grade 7 or zirconium) is necessary.
การจัดการออกซิเจนและวิศวกรรมการเลือกเกรดนอกกำแพง
การออกแบบเครื่องระเหย ZLD ส่งผลให้ทำงานภายใต้ออกซิเจนละลายน้ำต่ำ < 1 ppm มีการแสดงวิธีแก้ปัญหาเสริมสามประการเพื่อกู้คืนความเฉื่อยของไทเทเนียมโดยไม่จำเป็นต้องใช้ผนังที่หนาจนทำไม่ได้ ขั้นแรก อากาศที่มีฟองหรือออกซิเจนเข้าไปในวงจรหมุนเวียนน้ำเกลือจะทำให้ความเข้มข้นของออกซิเจนสูงถึง 2–3 ppm ซึ่งโดยปกติจะเพียงพอแล้วแม้แต่กับเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมที่มีผนังบาง-ก็ตาม การพ่นอากาศจะใช้พลังงานน้อยลงเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนเครื่องทำความร้อนบ่อยครั้ง ประการที่สอง การเปลี่ยนจากไทเทเนียมเกรด 2 เป็นเกรด 7 (Ti-0.15% Pd) ช่วยลดระดับออกซิเจนวิกฤตสำหรับความเฉื่อยจาก 0.5 ppm เหลือน้อยกว่า 0.1 ppm การมีอยู่ของแพลเลเดียมทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแคโทด ซึ่งช่วยให้รีดิวซ์ไฮโดรเจนดำเนินการได้ที่อุณหภูมิเกินพิกัดที่ต่ำกว่า และส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงศักยภาพในการกัดกร่อนไปเป็นช่วงพาสซีฟ แม้แต่ในน้ำเกลือที่ไม่มีออกซิเจนก็ตาม ข้อมูลภาคสนามจากเครื่องระเหย ZLD แสดงให้เห็นว่าไทเทเนียมเกรด 7 ที่มีความหนาของผนัง 1.2 มม. สามารถอยู่รอดได้ในน้ำเกลือโดยมีออกซิเจนต่ำถึง 0.2 ppm เป็นเวลา 6-8 ปี ในขณะที่ไทเทเนียมเกรด 2 จะล้มเหลวในเวลาน้อยกว่า 2 ปี ประการที่สาม การใช้โซเดียมไฮดรอกไซด์ช่วยรักษาค่า pH ที่เป็นด่างเล็กน้อย (8.5–9.5) ซึ่งทำให้ฟิล์มพาสซีฟคงตัวและลดความต้องการออกซิเจนให้เหลือน้อยที่สุด สำหรับชั้นประถมศึกษาปีที่ 2 ที่ pH 9 ความเข้มข้นของออกซิเจนที่จำเป็นจะลดลงเหลือ 0.2 ppm ทำให้ผนังบางลงแม้ในระบบที่มีการกำจัดอากาศบางส่วน

สรุป: เครื่องทำความร้อนไทเทเนียมผนังบาง-ในน้ำเกลือที่มีคลอไรด์สูงทำได้โดยการควบคุมออกซิเจน
ในเครื่องระเหย ZLD บำบัดน้ำเกลือคลอไรด์ 100,000 ppm ที่ 120 องศา ออกซิเจนเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความเสถียรในการสร้างทู่ของเปลือกไทเทเนียมและความหนาของผนังที่ต้องการ เครื่องทำความร้อนไททาเนียมเกรด 2 ผนังขนาด 1.0- แบบธรรมดาขนาด 1.2 มม. มีอายุการใช้งานยาวนานหลายปีที่ระดับออกซิเจนละลายน้ำที่สูงกว่า 2 ppm ด้วยออกซิเจน 0.5 ถึง 2 ppm ควรเพิ่มความหนาของผนังเป็น 1.5 ถึง 2.0 มม. เพื่อเผื่อการกัดกร่อนเนื่องจากอันตรายจากการเกิดรูพรุนที่เพิ่มขึ้น ไม่มีความหนาของผนังเกรด 2 ตามความเป็นจริงที่จะให้ออกซิเจนต่ำกว่า 0.5 ppm ที่มีอายุยืนยาวเพียงพอ คำตอบก็คือ การนำออกซิเจนกลับมาใช้ใหม่ (การโปรยอากาศ) หรืออัปเกรดเป็นไทเทเนียมเกรด 7 ที่มีแพลเลเดียม ซึ่งจะคงอยู่แบบพาสซีฟแม้ในสภาวะที่ไม่มีอากาศ คำแนะนำด้านเทคนิคสำหรับการติดตั้งเครื่องระเหย ZLD ใหม่คือการออกแบบให้มีความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำจำนวนมากอย่างน้อย 2 ppm โดยการกระจายอากาศแบบควบคุม จากนั้นระบุไทเทเนียมเกรด 2 ที่มีความหนาของผนัง 1.2 มม. การรวมกันนี้ให้การถ่ายเทความร้อนสูงสุด ต้นทุนวัสดุขั้นต่ำ และอายุการใช้งานเครื่องทำความร้อน 5+ ปี เมื่อต้องการขอใบเสนอราคา ให้ระบุระดับโดยประมาณของออกซิเจนละลายน้ำ (ppm) และ pH ของน้ำเกลือที่อุณหภูมิใช้งาน เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้มีความสำคัญต่ออายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อนมากกว่าความหนาของผนังเพียงอย่างเดียว