La silice è uno dei contaminanti in tracce più dannosi nei sistemi di acqua ad alta purezza e compare in due settori che non possono permettersi di ignorarlo.
Ma come funziona un analizzatore di silice in linea? Questa pagina spiega la combinazione di chimica del silicomolibdato, fotometria basata su LED e preparazione ingegnerizzata del campione che consente agli analizzatori di fornire letture affidabili della silice a concentrazioni inferiori ai ppb.
Nella generazione di energia, la silice disciolta viene trascinata con il vapore, si deposita sulle pale delle turbine e incrosta le superfici delle caldaie, riducendo l’efficienza e accorciando la vita dei componenti. Nella produzione di semiconduttori, la silice a concentrazioni inferiori ai ppb nell’acqua ultrapura (UPW) contamina i wafer, causa difetti e riduce la resa di fabbricazione.
Le concentrazioni rilevanti sono troppo basse e troppo transitorie perché il campionamento di laboratorio possa intercettarle in tempo; pertanto, devono essere monitorate in modo continuo, in linea e in tempo reale, per proteggere il processo.
La silice non è una singola specie nell'acqua. Esiste in diverse forme, tra cui quella reattiva (monomerica), polimerica e colloidale, ma gli analizzatori in linea misurano solo la frazione reattiva.
Questa distinzione è importante perché la silice reattiva è la forma che partecipa alla chimica delle incrostazioni sulle palette delle turbine e alla deposizione sulle superfici dei wafer. È anche la forma che risponde alla reazione colorimetrica utilizzata in ogni analizzatore online della chimica dell'acqua presente sul mercato.
Se si misura la silice online, tre vincoli definiscono ciò che è realmente possibile:
La chimica del ciclo energetico e l’UPW richiedono entrambe un rilevamento nell’intervallo sub-ppb. La maggior parte dei metodi analitici non distingue con chiarezza a quel livello.
Le specie disciolte, in particolare il fosfato, reagiscono con lo stesso reagente molibdato utilizzato per rilevare la silice e possono produrre una reazione cromatica concorrente se non vengono mascherate chimicamente.
La misurazione sub-ppb richiede un volume di campione rappresentativo e stabile a ogni ciclo. Le fluttuazioni di portata o pressione introducono errori che sovrastano il segnale.
Il principio di misurazione descritto di seguito affronta direttamente ciascuno di questi vincoli.
Gli analizzatori di silice online utilizzano un metodo di chimica umida chiamato colorimetria al silicomolibdato. Il principio è impiegato da decenni nelle analisi di laboratorio e i moderni analizzatori online lo automatizzano come un ciclo sequenziale di reagenti. Di seguito è riportata la sequenza così come avviene all'interno del METTLER TOLEDO 2850Si.
Il metodo di misurazione del 2850Si è conforme alla norma di prova ASTM D7126, lo standard per la misurazione colorimetrica online della silice.
L'intero ciclo è autonomo, si esegue automaticamente e si ripete a intervalli fissi. Il risultato è una registrazione continua della silice reattiva nel flusso del campione.
L'analizzatore di silice e fosfati 2850Si supporta le capacità di misurazione online combinate di un analizzatore di silice e fosfati. Ciò consente di risparmiare tempo prezioso e costi di manutenzione grazie a una maggiore funzionalità in un unico strumento. Il video spiega come il complesso silicomolibdato produca un cambiamento di colore che consente all'analizzatore di silice e fosfati di misurare le concentrazioni di silice e fosfato.
Il dosaggio del fosfato fa parte del controllo della chimica dell'acqua di caldaia nella produzione di energia. Se stai misurando la silice in acqua ultrapura per applicazioni nei semiconduttori o nella microelettronica, questa sezione non si applica alla tua installazione.
Nei modelli in grado di misurare il fosfato, un secondo ciclo viene eseguito immediatamente dopo il ciclo della silice con la fase con acido ossalico omessa. Senza il reagente mascherante, il fosfato reagisce con il molibdato formando un proprio complesso colorato, misurato fotometricamente nello stesso modo della silice. Questa architettura a due cicli fornisce entrambe le letture da un unico strumento senza interferenze incrociate.
Per la chimica del ciclo di potenza, questo è importante perché silice e fosfato sono entrambi parametri critici e storicamente hanno richiesto due analizzatori separati. Combinarli in un unico strumento riduce l'ingombro, la logistica dei reagenti e l'onere della calibrazione.
Per saperne di più sul controllo del fosfato nella chimica del ciclo di potenza, consulta il nostro white paper sulla misurazione di silice e fosfato.
La maggior parte degli analizzatori di silice in linea di uso industriale è basata su reagenti e utilizza la chimica del silicomolibdato descritta sopra. Esistono approcci senza reagenti, in genere basati sull'assorbimento UV diretto o su altre tecniche ottiche, ma presentano limitazioni pratiche alle concentrazioni inferiori al ppb richieste dalle applicazioni nel settore dell'energia e dei semiconduttori.
Il metodo colorimetrico amplifica una quantità molto piccola di silice in un segnale ottico misurabile, ed è per questo che rimane lo standard per le analisi a livello di tracce.
Quando confronti analizzatori basati su reagenti e analizzatori senza reagenti, il compromesso reale è il consumo di reagenti. Gli analizzatori chimici a umido necessitano di una fornitura di reagenti e la loro sostituzione è un costo operativo in termini di tempo, materiali e smaltimento dei rifiuti. Si tratta di una considerazione legittima quando si sceglie un analizzatore, ed è uno degli ambiti in cui il design dei moderni analizzatori ha compiuto progressi misurabili.
L'analizzatore 2850Si, ad esempio, utilizza fino al 75 percento in meno di reagente rispetto ad analizzatori comparabili, il che estende gli intervalli di assistenza e riduce il carico di manutenzione per gli operatori dell'impianto e i team dei servizi di fabbrica.
Una buona chimica, da sola, non basta. Una reazione colorimetrica che funziona perfettamente su un banco di laboratorio può comunque fallire come misura di processo se l’ingegneria che la supporta non è adeguata. Le tre seguenti caratteristiche di progettazione dell’analizzatore distinguono un analizzatore di livello industriale da un metodo di laboratorio:
Una camera di troppopieno crea una pressione costante alimentata per gravità all'ingresso del campione, indipendentemente dalle fluttuazioni della portata a monte. Questo fornisce a ogni ciclo un volume di campione rappresentativo e stabile alla camera di reazione, che è la condizione preliminare per la ripetibilità sub-ppb. In assenza di ciò, il solo rumore idraulico supererebbe il segnale.
L'intera sequenza di prelievo del campione, calibrazione zero, aggiunta del reagente, sviluppo del colore, misurazione fotometrica e trasmissione del risultato avviene senza intervento dell'operatore, su un ciclo regolabile a partire da 10 minuti, con 20 minuti come valore tipico. I modelli compatibili con il fosfato eseguono il secondo ciclo sulla stessa automazione. Il tempo di ciclo è sufficientemente breve da rendere l'output utile per il controllo di processo e non solo per la conservazione dei dati.
Se è necessario coprire più punti di campionamento - un anello di lucidatura UPW in una fabbrica di semiconduttori, oppure diverse posizioni lungo un ciclo acqua-vapore - un singolo analizzatore può sequenziare tra questi e misurare ciascuno in rotazione. Il 2850Si supporta fino a quattro flussi da un'unica impronta compatta, e spesso questa è la differenza tra monitorare tutto ciò che conta e monitorare solo ciò che rientra nel budget.
Se state valutando 2850Si per la generazione di energia o per l’UPW dei semiconduttori, ecco come ciascun principio sopra descritto si manifesta nello strumento stesso.
Rilevazione della silice al di sotto del ppb per il controllo della qualità dell'acqua ultrapura negli stabilimenti di semiconduttori e microelettronica, dove la resa dei wafer dipende dalla conferma che la silice sia al di sotto del limite di rilevazione all'uscita del circuito di lucidatura. |
Rilevazione della silice al di sotto del ppb per la chimica del ciclo di potenza e il monitoraggio della purezza del vapore, dove la rilevazione precoce del passaggio della silice protegge le pale della turbina e le parti interne della caldaia. |
Fino al 75% in meno di consumo di reagente rispetto ad analizzatori comparabili, con intervalli di assistenza più lunghi e costi operativi ridotti. |
Sequenziamento fino a quattro flussi in un unico ingombro, per coprire più punti di campionamento in fabbrica o diverse posizioni del ciclo di potenza con un solo strumento. |
Diagnostica intelligente per l'uso dei reagenti, le condizioni dei tubi e lo stato del filtro, a supporto di una pianificazione proattiva della manutenzione anziché di una risposta reattiva ai guasti. |
Integrato trasmettitore M800 con un'interfaccia che guida la configurazione e semplifica il funzionamento, così che configurazione e uscita del segnale siano gestite in un'unica unità. |
Monitoraggio combinato di silice e fosfato disponibile sui modelli per centrali elettriche, che fornisce silice al di sotto del ppb e fosfato in ppm da un unico analizzatore, utilizzando l'architettura a doppio ciclo descritta sopra. |
Che tu stia proteggendo una turbina, qualificando un circuito UPW o sostituendo un analizzatore obsoleto, il principio di funzionamento è la base. Il 2850Si lo applica in modo affidabile a livelli inferiori al ppb, e la progettazione che lo circonda riduce il costo totale di proprietà: meno reagente da acquistare e smaltire, più punti di campionamento coperti per strumento e diagnostica che segnala la manutenzione prima che si trasformi in fermo impianto.
