Korozija kvarca izazvana kiselom hidrolizom-u otopinama željeznog sulfata
Željezov sulfat (Fe₂(SO₄)₃) se široko koristi u dekapiranju metala (nerđajući čelik i bakar), tretmanu vode (koagulant za uklanjanje fosfata) i kao jetkač u proizvodnji štampanih ploča. Tipične industrijske koncentracije se kreću od 10-20% Fe₂(SO₄)₃ po težini, sa radnim temperaturama od 60-90 stepeni u rezervoarima za kiseljenje i reaktorima za koagulaciju. Otopina je jako kisela zbog opsežne hidrolize feri jona: Fe³⁺ + H₂O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; i dalje do Fe(OH)₃. Neto efekat je koncentracija slobodne sumporne kiseline ekvivalentna 0,05–0,2 M H₂SO₄ na 10–20% Fe₂(SO₄)₃. Kvarcni uranjajući grijači se često koriste u servisu željeznog sulfata jer topljeni silicijum nudi odličnu otpornost na razrijeđenu sumpornu kiselinu. Međutim, željezni sulfat predstavlja dvostruki mehanizam razgradnje: ravnomjerna kisela korozija od generiranog H₂SO₄ i formiranje naslaga iz precipitacije željeznog hidroksida (Fe(OH)₃). Nataloženi željezni hidroksid je toplinski izolacijski i može stvoriti vruće tačke. Dodatno, feri jon je oksidant (poput FeCl₃, ali manje agresivan), ali sulfatni anion ne napada kvarc. Ova analiza kvantifikuje kako koncentracija Fe₂(SO₄)₃ (10-20%), temperatura (60-90 stepeni) i kiselost rastvora utiču na ujednačenu koroziju i formiranje naslaga na fuzionisanom silicijum dioksidu.
Kinetika korozije topljenog silicijum dioksida u vrućim otopinama željeznog sulfata
Koroziju kvarca u željeznom sulfatu pokreće slobodna sumporna kiselina nastala hidrolizom željeza. Na 80 stepeni u 15% Fe₂(SO₄)₃ (približno 0,25 M Fe³⁺), koncentracija slobodnog H₂SO₄ je približno 0,1–0,15 M (pH 0,8–1,0). Pri ovoj kiselosti, ujednačena brzina korozije kvarca je 0,0003–0,0006 mm/sat. Na 90 stepeni, brzina se povećava na 0,0006–0,001 mm/sat. Na 60 stepeni, brzina je 0,0001–0,0002 mm/sat. Poređenja radi, 0,1 M H₂SO₄ na 80 stepeni korodira kvarc pri 0,0002–0,0004 mm/sat. Ion željeza ne ubrzava značajno napad izvan efekta slobodne kiseline. Na 80 stepeni, kvarcni omotač od 2,0 mm izgubio bi 0,0005 mm/sat × 4,000 sati=2.0 mm, što bi dalo životni vijek od približno 4000 sati (5,5 mjeseci). Zid od 2,5 mm pruža 5.000 sati; zid od 3,0 mm pruža 6.000 sati. Ovi vijekovi trajanja su praktični za kontinuirani industrijski servis sa kvartalnim do -godišnjim održavanjem.
Formiranje depozita iz željeznog hidroksida
Reakcija hidrolize koja stvara slobodnu kiselinu također proizvodi željezni hidroksid, posebno blizu površine kvarca gdje je temperatura najviša: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. Fe(OH)₃ je želatinast, braonkasto-crveni talog koji se prianja na površinu kvarca. Ovaj depozit je termoizolacioni; sloj od 0,1 mm može smanjiti prijenos topline za 10-15%. Kako se naslaga zgušnjava, kvarc ispod postaje topliji, ubrzavajući i hidrolizu i bilo kakvu kiselu koroziju ispod. U teškim slučajevima, naslaga se može odlijepiti, noseći male kvarcne fragmente. Nanos također smanjuje efektivnu debljinu zida izolacijom površine. Redovno čišćenje razblaženom sumpornom kiselinom (5-10%) otapa naslage željeznog hidroksida bez napada na kvarc.
Kako debljina zida mijenja vijek trajanja
Za ujednačenu kiselinsku koroziju, vijek trajanja se linearno mjeri s debljinom stijenke. Na 80 stepeni, zid od 2,0 mm obezbeđuje 4.000 sati; zid od 3,0 mm pruža 6.000 sati. Za termičko naprezanje -indukovano taloženjem, deblji zidovi pružaju veću otpornost na pucanje, ali ne sprječavaju stvaranje naslaga. Preporuča se zid od 2,5-3,0 mm za kupke sa značajnim taloženjem željeznog hidroksida.
Termička kazna debljih zidova
Rastvori željeznog sulfata na 15% i 80 stepeni imaju toplotnu provodljivost od približno 0,55-0,60 W/(m·K). Za zid od 1,5 mm, R_cond=0.00109; za zid od 3,0 mm, R_cond=0.00217. Sa h=800 W/(m²·K), U pada sa 427 na 292 W/(m²·K), smanjenje od 32%.
Scenarij{0}}Matrica odabira zasnovana na scenariju
| Scenario aplikacije i radni parametri | Preporučena debljina zida | Core Rationale |
|---|---|---|
| Kiseljenje metala (15% Fe₂(SO₄)₃, 80 stepeni, kontinuirano, nedeljno čišćenje) | 2,0 – 2,5 mm, standardna kvaliteta, plameno{2}}polirano | Ujednačena brzina korozije ~0,0005 mm/sat. Deblji zid pruža sigurnosnu granicu protiv termičkog naprezanja. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Koagulant za tretman vode (10% Fe₂(SO₄)₃, 70 stepeni, povremeno) | 2,0 mm, kao-nacrtano | Niža temperatura i povremena upotreba. Prihvatljivo. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Visoko{0}}kiseljenje (90 stepeni, 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2,5 – 3,0 mm | Veća stopa korozije. Deblji zid produžava život. |
Komplementarne modifikacije dizajna:Održavanje niskog pH rastvora (dodavanje slobodnog H₂SO₄) potiskuje hidrolizu željeza i formiranje naslaga. Dobro mešanje sprečava taloženje čestica. Periodično čišćenje sa 10% H₂SO₄ rastvara naslage Fe(OH)₃. Polirana površina smanjuje adheziju naslaga.
