التآكل والحماية في مجالات صناعة الكلور القلوي، مثل تنقية المياه المالحة، وتحليل الماء المالح بالكهرباء، وتبريد وتجفيف غاز الكلور، وإنتاج حمض كلوريد الهيدروجين، وحمض هيبوكلوروس، وملح هيبوكلوريت، ومسحوق التبييض، وكلوريد الفينيل، وكربيد الكالسيوم، وتركيز القلويات (القلويات ذات درجة الحرارة العالية، والقلويات المنصهرة).

تُعدّ صناعة الكلور القلوي صناعةً كبيرةً، كما أنها سوق نهائيّة رئيسية للاستخدام المكثف للبوليمرات المقاومة للتآكل. ويُعتقد أنّ معهد تشنغدو الثامن هو صاحب العدد الأكبر من الحلول التصميمية في هذا المجال داخل الصين. في هذا المنشور، سأوجز بشكل مختصر حلول البوليمرات المقاومة للتآكل في صناعة الكلور القلوي.

ما هي صناعة الكلور القلوي، وما هي وسائط التآكل النموذجية فيها؟

تُستخدم محاليل ملح الطعام الكهربائيّة لإنتاج الصودا الكاوية والهيدروجين وكلور الغاز ومنتجات الكلور، وهذا ما يُعرف بصناعة الكلورة القلوية. جميع المواد الخام والمركبات الوسيطة والمنتجات شبه الجاهزة والمنتجات النهائية التي تدخل في هذه العملية تتمتع بخصائص تآكل قوية. وخلال عملية التحليل الكهربائي، وبسبب تدفق كميات كبيرة من التيار الكهربائي، فإن التآكل الناتج عن التيار غير المقصود يكون شديدًا بشكل خاص.

الوسطان التآكلي الرئيسيان في صناعة الكلور القلوي هما: المحلول الملحي والوسط داخل خلايا التحليل الكهربائي، وغاز الكلور الرطب والأحماض غير العضوية، والأكاسيد، والمحاليل القلوية.

من المواد الهيكلية المقاومة للتآكل الشائعة حالياً في الصناعة: الفولاذ الكربوني، والفولاذ المصبوب، والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، والفولاذ المقاوم للصدأ الفيريتية فائقة النقاء، والسبائك النيكلية والعالية النيكل، والنحاس، والتيتانيوم، وغيرها من المواد المعدنية؛ وكذلك المواد غير المعدنية مثل الجرافيت، وبولي كلوريد الفينيل، والبلاستيك الزجاجي، والمطاط المبطّن. وتندرج مادة الراتنج المقاومة للتآكل ضمن فئة بولي كلوريد الفينيل (البطانة الحرارية) والبلاستيك الزجاجي.

المواقع الرئيسية للتآكل في صناعة الكلور القلوي والاستراتيجيات المقابلة لها؟

أولًا، التآكل بالمحلول الملحي.

لا يمكن استخدام معدات أنظمة المياه المالحة مباشرة مع مواد الحديد، لأن التآكل الذي يحدث للمعادن في المياه المالحة هو تآكل يُحفَّز بواسطة إزالة القطبية بواسطة الأكسجين، مما يؤدي بسرعة إلى الصدأ. تستخدم المعدات المحلية الخاصة بأنظمة المياه المالحة، مثل أجهزة إذابة الملح والخزانات العلوية وخزانات التوزيع والخطوط الأنابيب، بشكل رئيسي طلاءً من المطاط أو حماية من الفايبرغلاس، وهي تلبي بشكل أساسي احتياجات الإنتاج. كما يمكن تبطين أجهزة الترسيب بمادة الإيبوكسي-فايبرغلاس أو بالإيبوكسي-قطران الفحم. ومن بين هذه المكونات، فإن مبادل الحرارة الخاص بمضخة المياه المالحة هو الأكثر عرضة للتآكل، لأن التيار الكهربائي الشارد الناتج عن المياه المالحة الساخنة يكون شديد الخطورة. لذلك، تقوم بعض مصانع الكلور القلوي الآن باستثمار مباشر وشامل (باستخدام المعادن التيتانيوم) لتجنب حدوث هذه المشاكل المستقبلية في مبادلات الحرارة. (بالنسبة للتيار الشارد، توضيح مفصّل: هو تيار كهربائي يتسرب خارج المسارات الكهربائية الطبيعية. وعندما يتلامس الجزء المتسرب مع مناطق غير معزولة جيدًا على الأرض، فإنه يؤدي إلى تآكل الأجزاء المعدنية مثل الفولاذ الكربوني. الطرق الشائعة للوقاية من تآكل التيار الشارد تشمل: تعزيز العزل بشكل أكبر، وإضافة أجهزة كهربائية قصيرة إضافية، واستخدام الأنودات المضحية لحماية الكاثود).

المواد الخام والمنتجات في خلايا التحليل الكهربائي شديدة التآكل، سواء كانت خلايا التحليل ذات الغشاء العازل أو خلايا التحليل بالزئبق. وتتعرض جدران الخلايا للتآكل الشديد، خاصةً عند منطقة التلامس بين السائل والجدار على المدى الطويل، حيث يكون التآكل أكثر حدةً. كما أن درجة حرارة المواد الخام والمنتجات التي تلامس قاع الخلايا تكون أعلى، وتركيزها أكبر، وهي عبارة عن محاليل قلوية شديدة التآكل تؤدي إلى تآكل طويل الأمد. أما الأغطية في الجزء العلوي من الخلايا فتتعرض بشكل رئيسي للتآكل الناتج عن الأبخرة ذات درجات الحرارة العالية، وأكثر أنواع التآكل شيوعًا هو تآكل غاز الكلور الرطب ذي التركيز العالي ودرجات الحرارة العالية. حالياً، تُقدم مكاتب التصميم المحلية (كما هو الحال في المخطط الرئيسي لمعهد الثامن) حلولاً تشمل التبطين بالمطاط، والتبطين بألواح من الرخام، والبلاستيك الزجاجي المقاوم للتحلل الكيميائي الثقيل، والتبطين الداخلي من البلاستيك الزجاجي الملفوف مع البولي فينيل كلوريد الحراري PVC/FRP. هذه الطرق شائعة الاستخدام، وتُعدّ من الحلول ذات الجودة والتكلفة المقبولة نسبيًا التي تتوافر لدى مكاتب التصميم حالياً. ولإطالة عمر الخدمة، يمكن استخدام مواد التيتانيوم؛ إلا أن هذا المaterial يعاني من ارتفاع أسعاره حالياً، ولذلك فإن استخدام الجهات المالكة للمواد التيتانيومية بالكامل لا يزال نادرًا جدًا.

ثانيًا، غاز الكلور.

تعدّ تآكل غاز الكلور نطاقًا واسعًا يشمل منتجات مثل غاز الكلور الرطب عالي الحرارة، وغاز الكلور الجاف، وحمض الكبريتيك المركز المحتوي على الكلور، وحمض الهيدروكلوريك عالي الحرارة، وحمض الهيدروكلوريك المركز، بالإضافة إلى المركبات العضوية المحتوية على الكلور. إن تآكل غاز الكلور الرطب هو في الواقع تآكل ناتج عن حمض الهيدروكلوريك وحمض الهيبوكلوروز. بالنسبة لغاز الكلور الرطب عند درجات حرارة أقل من 80 درجة مئوية، يمكن استخدام أنابيب FRP مبطنة براتنج إستير فينولي من نوع ثنائي الفينول A؛ أما إذا انخفضت درجة الحرارة أكثر، فيمكن مباشرةً استخدام أنابيب PVC التي هي أسهل في المعالجة وأقل تكلفة. وفي حال اقتربت درجة الحرارة من 100 درجة مئوية أو تجاوزتها لفترة قصيرة (عادةً ما لا تزيد عن 30 دقيقة) وتصل إلى أكثر من 120 درجة مئوية، فإن الأمر يستدعي استخدام أنابيب مبطنة براتنج إستير فينولي من نوع فينولي. وفي درجات حرارة عالية جدًا، قد يكون من الضروري اللجوء إلى راتنجات إستير فينولي ذات كثافة تشابك عالية. ورغم ذلك، فإن معدن التيتانيوم أو السبائك المصنوعة منه يظل خيارًا أفضل، إلا أن ارتفاع تكلفته يبقى مشكلة كبيرة. لكن في السنوات الأخيرة، أصبح العديد من المصنعين يعتمدون بشكل متزايد على سبائك التيتانيوم باهظة الثمن في الأجزاء الحيوية العاملة في درجات حرارة مرتفعة. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن معاهد التصميم، خلال هذه السنوات، استخدمت مواد أخرى أدت إلى حدوث بعض الحوادث، مما أدى إلى عدم اليقين لديها. كما أنهم لم يعمدوا إلى التواصل بشكل معمق مع مطوري مواد راتنجات الإستير فينولي، ففضلوا الالتزام بالبساطة والتجنب للمسؤولية عبر كتابة «سبائك خاصة». بالطبع، يمكن أيضًا استخدام البلاستيك الفلوري القابل للتشكيل حراريًا وكذلك الطلاءات والراتنجات غير المشبعة من نوع حمض الكلوروبروبين في بيئة غاز الكلور الرطب، لكن هذه المواد تواجه قيودًا كثيرة، ولذلك لا تظهر بكثرة في طروحات المشاريع الهندسية العملية حاليًا.

ثالثًا، القلويات المركزة والقلويات ذات درجة الحرارة العالية.

عند تسخين المحلول القلوي، يتم تبخير الماء منه لتكوين محلول قلوي مركز عالي الحرارة. خلال هذه المرحلة، تكون المواد الخام للمحلول القلوي الخفيف المحتوي على الكلور، والمنتجات الوسيطة من المحلول القلوي المركز المحتوي على الكلور، وكذلك المحلول القلوي المركز عالي الحرارة جميعها شديدة التآكل، وخاصة المحلول القلوي المركز عالي الحرارة، إذ يكون تآكله مروّعًا جدًا؛ فالمحلول القلوي المركز الذي تتجاوز حرارته 80 درجة مئوية يصبح شديد التآكل. في الوقت الحالي، بالنسبة للمحاليل القلوية الخفيفة و المحلول القلوي المركز عند درجات حرارة منخفضة، فإن الخيار الأفضل من حيث التكلفة والأداء هو استخدام البطانات المطاطية، أو الفيبر غلاس المغلف بالزجاج، أو PVC/FRP. أما بالنسبة للمحلول القلوي المركز عالي الحرارة في نطاق درجات الحرارة بين 40 و80 درجة مئوية، فإن خيار الوقاية من التآكل هو الأكثر جدلًا حاليًا: هل نختار PVC/FRP أم الفيبر غلاس المغلف مباشرة براتنج الفينيل؟ لكل من الخيارين مزايا وعيوب. حاليًا، تلجأ معظم الشركات المصنعة للمعدات في هذا القطاع إلى أحد هذين النهجين: عندما تكون درجة الحرارة منخفضة نسبيًا، أي أقل من 60 درجة مئوية، يُفضَّل استخدام PVC/FRP بشكل أكبر؛ أما عند درجات حرارة تقارب 70 درجة مئوية أو أعلى، فيُكثر استخدام الفيبر غلاس المغلف براتنج الفينيل بشكل كامل. وتختلف محتوى روابط الإسترات في راتنجات الفينيل من شركة مصنعة لأخرى، ولذلك فإن عدم اختيار العلامة التجارية المناسبة، وعدم اختيار الشركة المصنعة ذات المقاومة الأفضل للقلويات، هما السببان الرئيسيان وراء حدوث الحوادث في نهاية المطاف. وحتى الآن، فإن الفيبر غلاس المغلف براتنج الفينيل الاستراني من نوع ثنائي الفينول A، ذو المحتوى المنخفض من روابط الإسترات، هو المادة الأساسية التي تستخدمها معظم الشركات المصنعة لمعدات الفيبر غلاس في قطاع صناعة الكلور القلوي. أما في المحلول القلوي المركز الذي يقترب من درجة الغليان عند حوالي 100 درجة مئوية، فقد يستخدم أيضًا راتنجات الفينيل التي سبق الحديث عنها. لكن بغض النظر عن نوع الراتنج المستخدم، فإن العمر الافتراضي لهذه المواد لا يدوم طويلًا عمومًا (فعادةً ما تحتاج المعدات التي تعمل لفترات طويلة بالقرب من درجة الغليان إلى إصلاحات بعد عامين فقط). لذلك، تميل مؤسسات التصميم والجهات المسؤولة إلى قبول استخدام سبائك خاصة مثل النيكل والكروم، التي تقاوم التآكل الناتج عن القلويات عالية الحرارة بنفس الطريقة التي تقاوم بها القلويات المذابة في درجات الحرارة العالية. وعلى سبيل المثال، تُستخدم هذه السبائك بكثرة في معدات مثل المبخرات المركزية وأنابيب التسخين، وهي معدات ذات تكلفة مرتفعة، لكنها تضمن عمرًا افتراضيًا أطول وأداءً أفضل في مقاومة التآكل.

أكتبُ هذا الآن، وعندما يتوفر وقت لاحق، سأخبر الجميع عن مصنعي معدات FRP الذين يبدعون في صناعة الكلور القلوي. يمكنكم التحدث أكثر مع هؤلاء الخبراء الحقيقيين والمهرة!