Киселинна хидролиза-корозия на кварц в разтвори на железен сулфат
Железният сулфат (Fe₂(SO₄)3) се използва широко при декапиране на метали (неръждаема стомана и мед), обработка на вода (коагулант за отстраняване на фосфати) и като ецвач в производството на печатни платки. Типичните промишлени концентрации варират от 10–20% Fe₂(SO₄)3 спрямо теглото, с работни температури от 60–90 градуса в резервоари за ецване и коагулационни реактори. Разтворът е силно кисел поради екстензивна хидролиза на железния йон: Fe³⁺ + H2O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H2O ⇌ Fe(OH)2⁺ + H⁺; и по-нататък до Fe(OH)3. Нетният ефект е концентрация на свободна сярна киселина, еквивалентна на 0,05–0,2 M H₂SO₄ при 10–20% Fe₂(SO₄)₃. Кварцовите потопяеми нагреватели често се използват при обслужване на железен сулфат, тъй като стопеният силициев диоксид предлага отлична устойчивост на разредена сярна киселина. Железният сулфат обаче има двоен механизъм на разграждане: равномерна киселинна корозия от генерираната H₂SO4 и образуване на отлагания от утаяване на железен хидроксид (Fe(OH)3). Отложеният железен хидроксид е термично изолиращ и може да създаде горещи точки. Освен това железният йон е окислител (като FeCl3, но по-малко агресивен), но сулфатният анион не атакува кварца. Този анализ определя количествено как концентрацията на Fe₂(SO₄)₃ (10–20%), температурата (60–90 градуса) и киселинността на разтвора влияят върху равномерната корозия и образуването на отлагания върху разтопен силициев диоксид.
Кинетика на корозия на стопен силициев диоксид в горещи разтвори на железен сулфат
Корозията на кварца в железен сулфат се задвижва от свободната сярна киселина, генерирана от железната хидролиза. При 80 градуса в 15% Fe₂(SO4)3 (приблизително 0,25 M Fe³⁺), концентрацията на свободна H2SO4 е приблизително 0,1–0,15 M (pH 0,8–1,0). При тази киселинност равномерната скорост на корозия на кварца е 0,0003–0,0006 mm/час. При 90 градуса скоростта се увеличава до 0,0006–0,001 mm/час. При 60 градуса скоростта е 0,0001–0,0002 mm/час. За сравнение, 0,1 M H₂SO₄ при 80 градуса корозира кварца при 0,0002–0,0004 mm/час. Железният йон не ускорява значително атаката извън ефекта на свободната киселина. При 80 градуса 2,0 mm кварцова обвивка би загубила 0,0005 mm/час × 4000 часа=2.0 mm, осигурявайки живот от приблизително 4000 часа (5,5 месеца). 2,5 mm стена осигурява 5000 часа; 3,0 mm стена осигурява 6000 часа. Тези експлоатационни срокове са практични за непрекъснато промишлено обслужване с тримесечна до полу-годишна поддръжка.
Образуване на отлагания от железен хидроксид
Реакцията на хидролиза, която генерира свободна киселина, също произвежда железен хидроксид, особено близо до кварцовата повърхност, където температурата е най-висока: Fe³⁺ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H⁺. Fe(OH)₃ е желатинова, кафеникаво-червена утайка, която прилепва към кварцовата повърхност. Този депозит е топлоизолиращ; слой от 0,1 mm може да намали преноса на топлина с 10–15%. Тъй като депозитът се сгъстява, кварцът отдолу става по-горещ, ускорявайки както хидролизата, така и всяка подлежаща киселинна корозия. В тежки случаи отлаганията могат да се отцепят, носейки малки кварцови фрагменти. Депозитът също така намалява ефективната дебелина на стената, като изолира повърхността. Редовното почистване с разредена сярна киселина (5–10%) разтваря отлаганията от железен хидроксид, без да атакува кварца.
Как дебелината на стената променя експлоатационния живот
За равномерна киселинна корозия животът се увеличава линейно с дебелината на стената. При 80 градуса стена от 2,0 mm осигурява 4000 часа; 3,0 mm стена осигурява 6000 часа. За термичен стрес,-предизвикан от отлагания, по-дебелите стени осигуряват по-голяма устойчивост на напукване, но не предотвратяват образуването на отлагания. Препоръчва се стена от 2,5–3,0 mm за вани със значително утаяване на железен хидроксид.
Термично наказание на по-дебели стени
Разтворите на железен сулфат при 15% и 80 градуса имат топлопроводимост от приблизително 0,55–0,60 W/(m·K). За 1,5 mm стена, R_cond=0.00109; за 3,0 mm стена, R_cond=0.00217. С h=800 W/(m²·K), U пада от 427 на 292 W/(m²·K), намаление с 32%.
Матрица за-избор, базирана на сценарий
| Сценарий на приложение и работни параметри | Препоръчителна дебелина на стената | Основна обосновка |
|---|---|---|
| Декапиране на метал (15% Fe₂(SO₄)3, 80 градуса, непрекъснато, седмично почистване) | 2,0 – 2,5 mm, стандартен клас, пламъчно-полиран | Равномерна скорост на корозия ~0,0005 mm/час. По-дебелата стена осигурява граница на безопасност срещу топлинен стрес на депозита. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Коагулант за пречистване на вода (10% Fe₂(SO₄)3, 70 градуса, периодично) | 2,0 мм, както-начертано | По-ниска температура и периодична употреба. Приемливо. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Високо{0}}температурно ецване (90 градуса, 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2,5 – 3,0 мм | По-висока степен на корозия. По-дебелата стена удължава живота. |
Допълнителни модификации на дизайна:Поддържането на ниско pH на разтвора (добавяне на свободна H₂SO₄) потиска хидролизата на желязото и образуването на отлагания. Доброто разбъркване предотвратява утаяването на частиците. Периодичното почистване с 10% H₂SO₄ разтваря Fe(OH)3 отлаганията. Полираната повърхност намалява адхезията на отлаганията.
