Сильнокислотна хлоридна корозія кварцу в гарячих розчинах хлориду цинку
Хлорид цинку (ZnCl₂) – це універсальна хімічна речовина, яка використовується як флюс під час паяння та гальванізації (видалення оксидних шарів), консервант деревини, каталізатор органічного синтезу (реакції Фріделя-Крафтса) і електроліт у сухих акумуляторах. Типові промислові концентрації варіюються від 50–70% за вагою з робочою температурою 60–80 градусів. На відміну від нейтральних солей, концентровані розчини хлориду цинку є сильнокислими через інтенсивний гідроліз: Zn²⁺ + H₂O ⇌ ZnOH⁺ + H⁺; ZnOH⁺ + H₂O ⇌ Zn(OH)₂ + H⁺. 60% розчин ZnCl₂ має рН приблизно 1,5–2,5 при 25 градусах, який далі падає при підвищених температурах. Вільна кислота є соляною кислотою (HCl), оскільки аніон є хлоридом. Таким чином, гарячий концентрований ZnCl₂ атакує кварц за допомогою того самого механізму, що й розведена HCl: протон-сприяє гідролізу силоксанових зв’язків, при цьому іони хлориду потенційно прискорюють атаку через комплексоутворення. Цей аналіз кількісно визначає, як концентрація ZnCl₂ (50–70%), температура (60–80 градусів) і кислотність розчину впливають на однакову швидкість корозії плавленого кремнезему.
Кінетика корозії плавленого кремнезему в гарячому хлориді цинку
Корозія кварцу в ZnCl₂ зумовлена вільним HCl у результаті гідролізу цинку. При 70 градусах у 60% ZnCl₂ концентрація вільної HCl становить приблизно 0,1–0,3 М (pH 0,5–1,0). При цій кислотності рівномірна швидкість корозії кварцу становить 0,0003-0,0008 мм/год. При 80 градусах швидкість збільшується до 0,0006–0,0015 мм/год. При 60 градусах швидкість становить 0,0002–0,0004 мм/год. Для порівняння, 0,2 М HCl при 70 градусах роз’їдає кварц зі швидкістю 0,0005–0,001 мм/год. При 70 градусах 2,0 мм кварцова оболонка втратить 0,0006 мм/год × 3300 годин=2.0 мм, забезпечуючи термін служби приблизно 3300 годин (4,6 місяців). Стінка 2,5 мм забезпечує 4200 годин; стінка 3,0 мм забезпечує 5000 годин.
Присутність надлишку хлориду (з ZnCl₂) може дещо прискорити атаку за межі чистого HCl за того самого рН, оскільки іони хлориду руйнують шар гідратованого кремнезему. Коефіцієнт підвищення становить 1,2–1,5× порівняно з чистою HCl.
Локалізована виїмка та утворення відкладень
Розчини хлориду цинку схильні до утворення основного осаду хлориду цинку або гідроксиду цинку при нагріванні або випаровуванні. Ці відкладення білі і можуть бути ізоляційними. Однак вони менш агресивні, ніж відкладення хлорного заліза. Зона меніска вразлива до кристалізації.
Як товщина стінки змінює термін служби
Життя лінійно залежить від товщини стінки. Для безперервної роботи при 70 градусах рекомендується товщина стінок 2,5–3,0 мм з інтервалом заміни 4–6 місяців.
Термічна шкода більш товстих стін
Розчини хлориду цинку при 60% і 70 градусах мають теплопровідність приблизно 0,50–0,55 Вт/(м·К). U падає з 427 до 292 Вт/(м²·K) при збільшенні з 1,5 до 3,0 мм, зменшення на 32%.
Матриця вибору-на основі сценарію
| Сценарій застосування та робочі параметри | Рекомендована товщина стінки | Основне обґрунтування |
|---|---|---|
| Флюс для гальванізації (60% ZnCl₂, 70 градусів, безперервне, щотижневе очищення) | 2,5 – 3,0 мм, стандартний сорт | Швидкість кислотної корозії ~0,0006 мм/год. Більш товста стінка для 5000 годин життя. U ≈ 350 Вт/(м²·К). |
| Консервація деревини (50% ZnCl₂, 60 градусів, періодично) | 2,0 мм, як-накреслено | Зниження температури і концентрації. U ≈ 420 Вт/(м²·K). |
| Каталізатор органічного синтезу (70% ZnCl₂, 80 градусів, партія) | 3,0 мм | Висока кислотність. Необхідна товща стінка. |
Додаткові модифікації конструкції:Додавання невеликої кількості оксиду цинку для нейтралізації вільної HCl зменшує корозію. Хороша вентиляція видаляє пари HCl. Періодичне очищення водою видаляє відкладення солей цинку.
