Napad alkalne kompleksacije vrućih otopina cijanida na fuzionirani silicij
Kalijum cijanid (KCN) je esencijalni likvijant u eksploataciji zlata (proces cijanidacije) i primarna komponenta elektrolita u galvanizaciji zlata, srebra i bakra. Uobičajene koncentracije se kreću od 5-10% po težini u vodenom rastvoru, sa radnim temperaturama od 50-80 stepeni (povišene da bi se ubrzale stope luženja ili poboljšao kvalitet oblaganja). Rastvor je visoko alkalan (pH 11-12) zbog hidrolize cijanida: CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻. Kvarcni imerzioni grijači se ponekad koriste u otopinama cijanida jer fuzionirani silicijum nudi odličnu otpornost na većinu alkalnih otopina. Međutim, vrući koncentrirani cijanid predstavlja jedinstveni mehanizam korozije. Hidroksidni joni (OH⁻) iz hidrolize napadaju silicijumsku mrežu, formirajući rastvorljive silikate. Dodatno, jon cijanida (CN⁻) je jak agens za stvaranje kompleksa koji može formirati rastvorljive silicijum{14}}cijanidne komplekse (iako su oni manje stabilni od napada hidroksida). Brzina korozije je uporediva sa onom razrijeđenog natrijum hidroksida pri istom pH, ali s dodatnom komponentom za kompleksiranje. Ova analiza kvantifikuje kako koncentracija KCN (5-10%), temperatura (50-80 stepeni) i pH rastvora utiču na ujednačene stope korozije fuzionisanog silicijum dioksida. Izvedena je potrebna debljina stijenke kvarcnog omotača za postizanje praktičnih servisnih intervala (2.000-8.000 sati) u grijačima za rudarenje i galvanizaciju zlata.
Kinetika korozije topljenog silicijum dioksida u vrućem kalijum cijanidu
Korozija kvarca u KCN rastvorima je izazvana hidroksidnim jonima iz hidrolize cijanida. Na 5% KCN (približno 0,8 M), pH na 25 stepeni je približno 11,5–12,0. Na 70 stepeni pH blago raste zbog povećane hidrolize (pKa HCN je 9,2 na 25 stepeni, opada na višim temperaturama). Koncentracija OH⁻ je 0,001–0,01 M, slično 0,1% NaOH. Jon cijanida također može direktno učestvovati u napadu: CN⁻ se može koordinirati sa atomima silicijuma na površini, slabeći Si-O-Si vezu i olakšavajući hidrolizu. Neto efekat je stopa korozije približno 20-40% veća nego u NaOH pri istom pH.
Ispitivanje uranjanjem topljenog kvarca visoke -čistoće u 8% KCN na 70 stepeni pokazuje ujednačenu brzinu korozije od 0,0005–0,001 mm/sat. Na 80 stepeni, brzina se povećava na 0,001–0,002 mm/sat. Na 50 stepeni, brzina je 0,0002–0,0004 mm/sat. Poređenja radi, 0,01 M NaOH (pH 12) na 70 stepeni korodira kvarc pri 0,0003–0,0006 mm/sat. Na 70 stepeni, kvarcni omotač od 2,0 mm izgubio bi 0,0008 mm/sat × 2,500 sati=2.0 mm, što bi dalo životni vijek od približno 2,500 sati (3,5 mjeseca). Zid od 3,0 mm pruža 3.750 sati; zid od 4,0 mm pruža 5.000 sati. Za operacije iskopavanja zlata koje traju neprekidno, praktičan je zid od 3,0–4,0 mm sa kvartalnom zamjenom. Za galvanizaciju na nižim temperaturama (50-60 stepeni), vijek trajanja je znatno duži.
Lokalizirana udubljenja i sigurnosna razmatranja
Otopine cijanida su izuzetno toksične, a svaki kvar grijača predstavlja sigurnosni rizik. Kvarcni grijači su poželjniji od metalnih grijača jer ne korodiraju brzo i ne unose zagađivače metala koji bi mogli utjecati na oporavak zlata. Međutim, ako kvarc pukne, grijaći element (obično NiCr ili nehrđajući čelik) može reagirati s cijanidom, potencijalno stvarajući otrovne plinove. Deblji kvarcni zid pruža veću sigurnosnu granicu protiv pucanja od termičkog naprezanja ili mehaničkog udara. Za upotrebu cijanida preporučuje se minimalna debljina zida od 2,5 mm bez obzira na proračun korozije.
Zona meniskusa je osjetljiva na kristalizaciju cijanida. Kalijum cijanid je rastvorljiv i može formirati koncentrirani alkalni film koji ubrzava napad. Parni štit ili grijani gornji omotač sprječava kristalizaciju.
Termička kazna debljih zidova u rastvorima cijanida
Rastvori kalijum cijanida na 8% i 70 stepeni imaju toplotnu provodljivost od približno 0,60–0,65 W/(m·K)-slično vodi. Za zid od 2,5 mm, R_cond=0.00181; za zid od 4,0 mm, R_cond=0.00290. Sa h=800 W/(m²·K), U pada sa približno 380 na 280 W/(m²·K), smanjenje od 26%. Ova kazna je prihvatljiva s obzirom na sigurnosne prednosti debljeg zida.
Scenarij{0}}Matrica odabira zasnovana na scenariju
| Scenario aplikacije | Preporučena debljina zida | Core Rationale |
|---|---|---|
| cijanidacija zlata (8% KCN, 70 stepeni, kontinuirano, 3-mesečna zamena) | 3,0 – 4,0 mm, kvarc visoke{2}}čistoće | Brzina korozije ~0,0008 mm/sat. Deblji zid pruža sigurnosnu granicu protiv pucanja. U ≈ 300–350 W/(m²·K). |
| Galvanizacija (5% KCN, 55 stepeni, kontinuirano) | 2,5 – 3,0 mm | Rate ~0.0003 mm/hour → 3.0 mm provides >10.000 sati. Sigurnosna margina je bitna. |
| Laboratorijski cijanid (niska koncentracija, 50 stepeni) | 2,0 – 2,5 mm | Prihvatljivo uz pažljivo praćenje. |
Komplementarne modifikacije dizajna:Održavanje niske temperature (ispod 70 stepeni) smanjuje koroziju. Dodavanje vapna (CaO) stabilizuje cijanid i smanjuje hidrolizu. Redovno praćenje debljine je neophodno. PTFE parni štitnici sprečavaju napad meniskusa.
