एक मोटी (2.0 मिमी) टाइटेनियम दीवार एक पतली (1.0 मिमी) दीवार की तुलना में पेरोक्साइड प्रेरित भंगुर फ्रैक्चर के खिलाफ बेहतर सुरक्षा क्यों प्रदान करती है?
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उदाहरण के लिए, ब्लीचिंग, रासायनिक संश्लेषण, या अपशिष्ट जल उपचार प्रक्रिया में, हाइड्रोजन पेरोक्साइड (H2O2) युक्त समाधान में टाइटेनियम विसर्जन हीटर चलाने वाले एक प्रक्रिया इंजीनियर को एक महत्वपूर्ण डिजाइन कारक के रूप में पेरोक्साइड प्रेरित भंगुर फ्रैक्चर के खतरे का मूल्यांकन करना चाहिए। टाइटेनियम सतहों पर, हाइड्रोजन पेरोक्साइड परमाणु ऑक्सीजन देने के लिए विघटित होता है और, कुछ शर्तों के तहत, परमाणु हाइड्रोजन देता है। हाइड्रोजन टाइटेनियम जाली में फैल जाता है और भंगुर टाइटेनियम हाइड्राइड (TiHx) बनाता है। एक मोटी दीवार (2.0 मिमी) दो तंत्रों के माध्यम से एक पतली दीवार (1.0 मिमी) की तुलना में हाइड्राइड प्रेरित भंगुर फ्रैक्चर के खिलाफ बेहतर सुरक्षा प्रदान करती है: एक महत्वपूर्ण एकाग्रता तक पहुंचने के लिए हाइड्रोजन के लिए एक लंबी प्रसार दूरी और सतह हाइड्राइड उत्पादन के बाद एक बड़ी शेष दीवार की मोटाई। मात्रात्मक अध्ययनों से संकेत मिलता है कि 2.0 मिमी की दीवार 1.0 मिमी की दीवार की तुलना में भंगुर फ्रैक्चर होने से पहले 4-8 गुना अधिक हाइड्रोजन अवशोषण का सामना करेगी, पेरोक्साइड सेवा में 3-6 के कारक द्वारा सेवा जीवन का विस्तार करेगी।
टाइटेनियम में पेरोक्साइड प्रेरित हाइड्रोजन अवशोषण का तंत्र
Titanium surfaces catalyze the exothermic decomposition of hydrogen peroxide . 2H2O2 ->2H2O + O2. यह टूटना एक अत्यधिक ऑक्सीकरण वातावरण बनाता है जो आमतौर पर TiO2 निष्क्रिय फिल्म को स्थिर करता है। हालाँकि, स्थानीय क्षेत्रों में जहां पेरोक्साइड की सांद्रता अधिक होती है या तापमान 60 डिग्री से अधिक होता है, वहां एक माध्यमिक प्रतिक्रिया होती है: H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O (कैथोडिक रिडक्शन) जो एक मध्यवर्ती के रूप में परमाणु हाइड्रोजन प्राप्त कर सकता है। परमाणु हाइड्रोजन को H₂ गैस के रूप में पुनर्संयोजित करने के बजाय टाइटेनियम जाली में अवशोषित किया जाता है। एक बार टाइटेनियम के अंदर, हाइड्रोजन तन्य तनाव वाले क्षेत्रों (आमतौर पर तापमान चक्र के दौरान बाहरी सतह) में फैल जाता है। टाइटेनियम हाइड्राइड (TiH2) की वर्षा तब होती है जब स्थानीय हाइड्रोजन सांद्रता वजन के अनुसार लगभग 150 भाग प्रति मिलियन (150 पीपीएमडब्ल्यू) से अधिक हो जाती है। हाइड्राइड प्लेटलेट्स भंगुर होते हैं, और लगभग 17% के आयतन विस्तार को जन्म देते हैं, जिससे आंतरिक तनाव पैदा होता है जो दरारें उत्पन्न करने का कार्य करता है। फ्रैक्चर तीव्र और गंभीर होता है, इसमें कोई चेतावनी नहीं होती।
हाइड्राइड फ्रैक्चर प्रतिरोध पर दीवार की मोटाई के प्रभाव की मात्रा निर्धारित करना
दीवार की मोटाई (मिमी) सतह पर महत्वपूर्ण एच सांद्रता (150 पीपीएमडब्ल्यू) प्राप्त करने का समय (महीने) मिडवॉल क्रिटिकल एच एकाग्रता (पीपीएम डब्ल्यू) जब सतह 150 पीपीएमडब्ल्यू तक पहुंच जाती है तो दीवार हाइड्राइड क्रैकिंग का समय (महीने) सापेक्ष जीवन {{3}
एक 2.0 मिमी की दीवार समान पेरोक्साइड उपचार में 1.0 मिमी की दीवार का लगभग 4 गुना जीवन देती है। मोटी दीवार में, महत्वपूर्ण सांद्रता प्राप्त करने के लिए हाइड्रोजन को मध्य दीवार तक फैलने में अधिक समय लगता है और एक बार हाइड्राइड का निर्माण शुरू होने के बाद मोटी दीवार में अधिक संरचनात्मक स्थिरता भी होती है।
पेरोक्साइड सेवा दीवार की मोटाई चयन के लिए एक परिदृश्य आधारित मार्गदर्शिका
पेरोक्साइड का तापमान और सांद्रता H2O2 के अपघटन की दर, अनुशंसित दीवार की मोटाई, अपेक्षित जीवन विफलता मोड
1-5% H₂O₂, 40 डिग्री (ब्लीचिंग, कम खतरा)1.5 मिमी <5-8 वर्ष एकसमान संक्षारण (गैर-हाइड्राइड)
5-15% H₂O₂, 50 डिग्री (मध्यम जोखिम) मध्यम 1.5-2.0 मिमी 3-5 वर्ष वेल्ड जोन पर हाइड्राइड पहले 15-30% H₂O₂, 60 डिग्री (उच्च जोखिम) उच्च 2.0-2.5 मिमी 1.5-3 वर्ष > मल्टी-क्रैक न्यूक्लिएशन, हाइड्राइड क्रैकिंग 30% H₂O₂, > 60 डिग्री बहुत अधिक अनुशंसित नहीं<1 yearUse Tantalum Equipment or PTFE Lined
आंतरायिक एक्सपोज़र (बैच प्रक्रिया) कम संचयी 1.5 मिमी 2-4 वर्ष स्वीकार्य हाइड्राइड सहक्रियात्मक + थर्मल साइक्लिंग
H2O2 (उच्च शुद्धता, फॉस्फेट स्थिर) स्टेबलाइजर कट 1.5 मिमी 4-6 वर्ष स्टेबलाइजर ब्रेकडाउन और हाइड्रोजन अवशोषण को कम करते हैं
पेरोक्साइड + क्लोराइड (सबसे खराब स्थिति) सिनर्जिस्टिक न्यूनतम 2.5 मिमी 1-2 वर्ष संयुक्त क्लोराइड पिटिंग + हाइड्राइड क्रैकिंग
पेरोक्साइड सेवा के लिए इंजीनियरिंग शमन
मोटी दीवार वाले टाइटेनियम के साथ पेरोक्साइड सेवा के लिए, विभिन्न अतिरिक्त कदम जीवन को और बढ़ाते हैं। सबसे अच्छा तरीका टाइटेनियम की सतह को ठंडा करना है। शीथ तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री की कमी के लिए हाइड्रोजन अवशोषण की दर लगभग 40 से 50 प्रतिशत कम हो जाती है। 70 डिग्री की बजाय 50 डिग्री पर दौड़ने से उम्र 3-4 गुना बढ़ जाती है। एक अन्य तरीका समाधान में पेरोक्साइड स्टेबलाइजर्स (सोडियम स्टैनेट, सोडियम पाइरोफॉस्फेट या फॉस्फोनिक एसिड) जोड़ना है। स्टेबलाइजर्स टाइटेनियम की सतह पर H2O2 के उत्प्रेरक टूटने को रोकते हैं, जिससे ऑक्सीजन का विकास और हाइड्रोजन का अवशोषण कम हो जाता है। स्थिर पेरोक्साइड समाधानों से हाइड्रोजन ग्रहण दर अस्थिर समाधानों की तुलना में 70-90% कम है। तीसरा उपाय टाइटेनियम हीटर को समय-समय पर चालू करना है। हीटर को 4 घंटे तक वैक्यूम में 400 डिग्री तक गर्म किया जाता है। इससे अवशोषित हाइड्रोजन बाहर निकल जाती है और लचीलापन बहाल हो जाता है। आप इस विधि को वर्ष में एक बार कर सकते हैं, और प्रभावी ढंग से हाइड्रोजन सांद्रता को शून्य के करीब रीसेट कर सकते हैं।
निष्कर्ष: 2.0 मिमी की दीवार पेरोक्साइड सेवा में 4x जीवन v{2}} मिमी देती है
मोटी (2.0 मिमी) टाइटेनियम दीवार पतली (1.0 मिमी) दीवार की तुलना में पेरोक्साइड प्रेरित भंगुर फ्रैक्चर के खिलाफ बेहतर सुरक्षा प्रदान करती है क्योंकि हाइड्रोजन को मोटे खंड के माध्यम से फैलने और मध्य दीवार पर महत्वपूर्ण एकाग्रता प्राप्त करने के लिए काफी लंबे समय की आवश्यकता होती है। 1.0 मिमी की दीवार 60 डिग्री पर 10-15% H2O2 में हाइड्राइड के भंगुर होने से 4 -5 महीने में टूट जाती है, जबकि 2.0 मिमी की दीवार 15-20 महीने तक चलती है - 4× जीवन विस्तार। दीवार की मोटाई की परवाह किए बिना अधिक पेरोक्साइड सांद्रता (30% से अधिक) और तापमान (70 डिग्री से ऊपर) के लिए टाइटेनियम का सुझाव नहीं दिया जाता है। किसी भी पेरोक्साइड युक्त सेवा के लिए टाइटेनियम हीटर निर्दिष्ट करते समय, उचित दीवार मोटाई के चयन की सुविधा के लिए आपूर्तिकर्ता को पेरोक्साइड एकाग्रता, तापमान, स्टेबलाइजर्स की उपस्थिति और प्रति दिन संचालन के घंटों की अपेक्षित संख्या प्रदान की जानी चाहिए जो लागत बनाम अनुमानित हाइड्राइड फ्रैक्चर जीवन को संतुलित करती है।
