Warum kann Quarzglas keinen Schutzfilm bilden, um der Erosion durch alkalische Flüssigkeiten zu widerstehen?

# Warum kann Quarzglas keinen Schutzfilm bilden, der der Erosion alkalischer Flüssigkeiten standhält? Die stabile Siliziumdioxid-Kristallstruktur von Quarzheizrohren, die Säure- und Fluoriderosion widersteht, macht sie zu einer beliebten Wahl für Fermentationsprozesse, die einen hohen Chlorid- und Flusssäuregehalt erfordern. Allerdings ist Quarzglas nicht in der Lage, bei Kontakt mit alkalischem Reinigungsmittel eine Selbstschutzschicht zu bilden, im Gegensatz zu Metallheizrohren wie Edelstahl 316 und Titan der Güteklasse 2, die regenerierbare Korrosionsschutz-Passivierungsfilme erzeugen. Sobald eine alkalische Flüssigkeit mit der Rohrwand in Kontakt kommt, führt sie zu dauerhaften Ätzschäden, die eine versteckte Gefahr einer mikrobiellen Kontamination und eines anschließenden Rohrbruchs mit sich bringen. In der folgenden Tabelle werden die Unterschiede in den Schutzmechanismen zwischen vier korrosionsbeständigen Heizrohrmaterialien untersucht.|Heizrohrmaterial|Schutzfolientyp|Zustand der Filmregeneration|Reaktion mit alkalischer Flüssigkeit|Schadensumkehrbarkeit|| ----|----|----|----|----|| Edelstahl 316|Chromreicher Oxid-Passivfilm|Wiederherstellung durch Beizpassivierung|Vorübergehende Filmauflösung unter 60 Grad Alkali|Reparierbar durch erneute Passivierung|| Titan Grad 2|Titandioxid-Passivfilm|Selbstreparaturen mit gelöstem Sauerstoff|Leichte Filmverdünnung unter schwacher Lauge|Rückgewinnbar bei sauerstoffreicher Zirkulation|| Quarzglas|Kein sekundärer Schutzfilm, Kristall selbst dient als Barriere|Kein Regenerationsmechanismus|Chemische Zersetzung von SiO₂-Kristallen|Irreversible dauerhafte Ätzung|| PFA-beschichtete Heizung|Fluorpolymer-Beschichtungsbarriere|Keine Selbstreparaturfunktion|Langsamer Molekülkettenbruch der Beschichtung|Teilweiser Austausch nach Beschädigung erforderlich|Die chemische Kernzusammensetzung von hochreinem Industriequarzglas ist Siliziumdioxid mit einer Reinheit von über 99,99 %, und seine innere Struktur ist ein stabiles dreidimensionales Netzwerk, das durch kovalente Silizium-Sauerstoff-Bindungen aufgebaut ist. Die chemische Inertheit dieses umfassenden Kristallnetzwerks ist die Quelle seiner Säurebeständigkeit. Wenn die Kristalloberfläche sauren oder fluoridhaltigen Medien ausgesetzt wird, findet keine chemische Verdrängungsreaktion statt und die Kristalloberfläche bleibt auf natürliche Weise intakt. Somit ist die Herstellung einer zusätzlichen Schutzfolie zur Isolierung nicht erforderlich. In alkalischen Lösungen sind große Mengen an Hydroxidionen vorhanden, die durch Natriumhydroxid repräsentiert werden. Die stabile kovalente Silizium-Sauerstoff-Bindung auf der Quarzoberfläche wird bei der Heiztemperatur des CIP-Kreislaufs durch Hydroxidionen aufgebrochen, was zur Produktion von löslichem Natriumsilikat führt. Der Quarzkristallkörper wird direkt von der zirkulierenden Flüssigkeit verbraucht, die das lösliche Produkt kontinuierlich wegwäscht, anstatt lediglich einen dünnen Oberflächenfilm zu beschädigen. Die beschädigte Milchschicht kann nicht durch Reinigung, Neutralisierung oder Erhaltungsbehandlung wiederhergestellt werden, da Quarz nicht in der Lage ist, neues Siliziumdioxid zu synthetisieren, um die geätzten Vertiefungen zu füllen. Die primäre Metallmatrix unter der Folie bleibt unberührt und Metallheizrohre sind zum Schutz auf dünne Oberflächenfolien angewiesen. Das Grundmaterial ist in der Lage, unter bestimmten Umständen eine neue Folie zu produzieren, auch wenn die Folie teilweise beschädigt ist. Allerdings gibt es bei Quarz keinen Unterschied zwischen „Matrix“ und „Schutzschicht“. Die primäre tragende Struktur des Heizkanals ist die sichtbare glatte Oberfläche. Die Rohrwand wird ungleichmäßig dünner, es bilden sich unsichtbare Mikrorisse im Kristall und schließlich kommt es aufgrund der kontinuierlichen Erosion durch Alkali zu einem plötzlichen Bruch unter der wechselnden Belastung von Kälte und Hitze während der Produktion. In Fermentationslaboren, die mit Quarzheizrohren ausgestattet sind, müssen an Alkalileitungen mechanische Festverriegelungen installiert werden, um sicherzustellen, dass die Säure- und Alkalizirkulationskreisläufe vollständig getrennt sind. Während der zweiwöchentlichen Lichtdurchlässigkeitsprüfungen müssen sich die Bediener auf die Prüfung von Vereisungen und matten Bereichen an der Rohrwand konzentrieren, die durch versehentliches Austreten von Alkali entstehen. Wenn die Frostfläche mehr als 30 % der Gesamtfläche ausmacht, muss das Rohrbündel sofort verschrottet werden, da die strukturelle Festigkeit auf ein unsicheres Niveau gesunken ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Quarz aufgrund seiner besonderen Kristallstruktur keinen regenerierbaren Schutzfilm bilden kann, der der Erosion durch Alkali standhält. Die einzige zuverlässige Methode zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs und einer längeren Lebensdauer von Quarzheizrohren ist die vollständige Isolierung alkalischer Reinigungsmittel.