Кислотний гідроліз-корозії кварцу в розчинах сульфату заліза
Сульфат заліза (Fe₂(SO₄)₃) широко використовується для травлення металів (нержавіючої сталі та міді), очищення води (коагулянт для видалення фосфатів) і як травитель у виробництві друкованих плат. Типові промислові концентрації варіюються від 10–20% Fe₂(SO₄)₃ за вагою, з робочою температурою 60–90 градусів у травильних резервуарах і коагуляційних реакторах. Розчин сильно кислий через інтенсивний гідроліз іона заліза: Fe³⁺ + H₂O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; і далі до Fe(OH)3. Чистим ефектом є концентрація вільної сірчаної кислоти, еквівалентна 0,05–0,2 М H₂SO₄ при 10–20% Fe₂(SO₄)₃. Кварцові занурювальні нагрівачі часто використовуються для роботи з сульфатом заліза, оскільки плавлений кремнезем забезпечує чудову стійкість до розбавленої сірчаної кислоти. Однак сульфат заліза (III) має подвійний механізм розкладання: рівномірна кислотна корозія з утвореної H₂SO₄ та утворення відкладень із випадання гідроксиду заліза (Fe(OH)3). Відкладений гідроксид заліза є теплоізоляційним і може створювати гарячі точки. Крім того, іон заліза є окислювачем (як FeCl₃, але менш агресивний), але сульфат-аніон не атакує кварц. Цей аналіз кількісно визначає, як концентрація Fe₂(SO₄)₃ (10–20%), температура (60–90 градусів) і кислотність розчину впливають на рівномірну корозію та утворення відкладень на плавленому кремнеземі.
Кінетика корозії плавленого кремнезему в гарячих розчинах сульфату заліза
Корозію кварцу в сульфаті заліза спричиняє вільна сірчана кислота, що утворюється в результаті гідролізу заліза. При 80 градусах у 15% Fe₂(SO₄)3 (приблизно 0,25 М Fe³⁺) концентрація вільної H₂SO4 становить приблизно 0,1–0,15 М (pH 0,8–1,0). При цій кислотності рівномірна швидкість корозії кварцу становить 0,0003-0,0006 мм/год. При 90 градусах швидкість збільшується до 0,0006–0,001 мм/год. При 60 градусах швидкість становить 0,0001–0,0002 мм/год. Для порівняння, 0,1 М H₂SO₄ при 80 градусах роз'їдає кварц зі швидкістю 0,0002–0,0004 мм/год. Іон тривалентного заліза не значно прискорює атаку за межами дії вільної кислоти. При 80 градусах 2,0-мм кварцова оболонка втратить 0,0005 мм/год × 4000 годин=2.0 мм, що дасть термін служби приблизно 4000 годин (5,5 місяців). Стінка 2,5 мм забезпечує 5000 годин; стінка 3,0 мм забезпечує 6000 годин. Ці терміни служби практичні для безперервного промислового обслуговування з щоквартальним чи пів-річним обслуговуванням.
Утворення відкладень із гідроксиду заліза
Реакція гідролізу, яка генерує вільну кислоту, також утворює гідроксид заліза (III), особливо поблизу поверхні кварцу, де температура найвища: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. Fe(OH)₃ — це желатиновий коричнево-червоний осад, який прилипає до поверхні кварцу. Ця осадка є теплоізоляційною; шар 0,1 мм може знизити тепловіддачу на 10-15%. У міру того, як відкладення згущується, кварц під ним нагрівається, прискорюючи як гідроліз, так і будь-яку кислотну корозію. У важких випадках нагар може відколюватися, переносячи дрібні уламки кварцу. Нагар також зменшує ефективну товщину стінки за рахунок ізоляції поверхні. Регулярне очищення розведеною сірчаною кислотою (5–10%) розчиняє відкладення гідроксиду заліза, не пошкоджуючи кварц.
Як товщина стінки змінює термін служби
Для рівномірної кислотної корозії термін служби змінюється лінійно залежно від товщини стінки. При 80 градусах стінка 2,0 мм забезпечує 4000 годин; стінка 3,0 мм забезпечує 6000 годин. Для термічної напруги,-спричиненої відкладеннями, товщі стінки забезпечують більший опір розтріскуванням, але не перешкоджають утворенню відкладень. Для ванн із значним випаданням гідроксиду заліза рекомендується стінка 2,5–3,0 мм.
Термічна шкода більш товстих стін
Розчини сульфату заліза при 15% і 80 градусах мають теплопровідність приблизно 0,55–0,60 Вт/(м·К). Для стінки 1,5 мм R_cond=0.00109; для стіни 3,0 мм, R_cond=0.00217. З h=800 Вт/(м²·K) U падає з 427 до 292 Вт/(м²·K), що становить 32% зниження.
Матриця вибору-на основі сценарію
| Сценарій застосування та робочі параметри | Рекомендована товщина стінки | Основне обґрунтування |
|---|---|---|
| Травлення металу (15% Fe₂(SO₄)₃, 80 градусів, безперервне, щотижневе очищення) | 2,0 – 2,5 мм, стандартний сорт, полум’яне-полірування | Рівномірна швидкість корозії ~0,0005 мм/год. Більш товста стінка забезпечує запас міцності від термічного навантаження. U ≈ 380 Вт/(м²·К). |
| Коагулянт для очищення води (10% Fe₂(SO₄)₃, 70 градусів, переривчастий) | 2,0 мм, як-накреслено | Низька температура та періодичне використання. Прийнятно. U ≈ 420 Вт/(м²·К). |
| Високо{0}}температурне травлення (90 градусів, 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2,5 – 3,0 мм | Вища швидкість корозії. Більш товста стінка продовжує термін служби. |
Додаткові модифікації конструкції:Підтримання низького рН розчину (додавання вільної H₂SO₄) пригнічує гідроліз заліза та утворення відкладень. Гарне перемішування запобігає осіданню часток. Періодичне очищення 10% H₂SO₄ розчиняє відкладення Fe(OH)₃. Полірована поверхня зменшує адгезію відкладень.
