ההידרוליזה החומצית-הקורוזיה המונעת של קוורץ בפתרונות סולפט ברזל
ברזל סולפט (Fe₂(SO₄)₃) נמצא בשימוש נרחב בכבישת מתכת (נירוסטה ונחושת), טיפול במים (חומר קרישה להסרת פוספט) וכחומר צריף בייצור מעגלים מודפסים. ריכוזים תעשייתיים אופייניים נעים בין 10-20% Fe₂(SO₄)₃ לפי משקל, עם טמפרטורות הפעלה של 60-90 מעלות במיכלי כבישה וכורי קרישה. התמיסה היא חומצית חזקה עקב הידרוליזה נרחבת של יון הברזל: Fe³⁺ + H₂O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; ובהמשך ל-Fe(OH)₃. ההשפעה נטו היא ריכוז חומצה גופרתית חופשית שווה ערך ל-0.05-0.2 M H₂SO4 ב-10-20% Fe₂(SO₄)₃. מחממי טבילה קוורץ נמצאים בשימוש תכוף בשירותי סולפט ברזל מכיוון שסיליקה מותכת מציעה עמידות מצוינת לחומצה גופרתית מדוללת. עם זאת, סולפט ברזל מציג מנגנון פירוק כפול: קורוזיה אחידה של חומצה מה-H₂SO4 שנוצר והיווצרות משקעים ממשקעים של הידרוקסיד ברזל (Fe(OH)₃). הידרוקסיד הברזל המושקע הוא מבודד תרמי ויכול ליצור נקודות חמות. בנוסף, יון הברזל הוא מחמצן (כמו FeCl₃ אך פחות אגרסיבי), אך אניון הסולפט אינו תוקף קוורץ. ניתוח זה מכמת כיצד ריכוז Fe₂(SO₄)₃ (10-20%), טמפרטורה (60-90 מעלות) וחומציות התמיסה משפיעים על קורוזיה אחידה והיווצרות משקעים על סיליקה מאוחדת.
קינטיקה קורוזיה של סיליקה ממוזגת בפתרונות חמים של סולפט ברזל
הקורוזיה של קוורץ בסולפט ברזל מונעת על ידי החומצה הגופרית החופשית הנוצרת מהידרוליזה ברזלית. ב-80 מעלות ב-15% Fe₂(SO₄)₃ (בערך 0.25 M Fe³⁺), ריכוז H₂SO₄ החופשי הוא בערך 0.1-0.15 M (pH 0.8-1.0). בחומציות זו, קצב הקורוזיה האחיד של קוורץ הוא 0.0003-0.0006 מ"מ לשעה. ב-90 מעלות, הקצב עולה ל-0.0006-0.001 מ"מ לשעה. ב-60 מעלות, הקצב הוא 0.0001-0.0002 מ"מ לשעה. לשם השוואה, 0.1M H₂SO4 ב-80 מעלות משחית קוורץ בקצב של 0.0002-0.0004 מ"מ לשעה. יון הברזל אינו מאיץ את ההתקפה בצורה משמעותית מעבר להשפעת החומצה החופשית. ב-80 מעלות, מעטפת קוורץ בגודל 2.0 מ"מ תאבד 0.0005 מ"מ לשעה × 4,000 שעות=2.0 מ"מ, ונותנת חיים של כ-4,000 שעות (5.5 חודשים). קיר של 2.5 מ"מ מספק 5,000 שעות; קיר של 3.0 מ"מ מספק 6,000 שעות. תקופות חיים אלו מעשיות לשירות תעשייתי מתמשך עם תחזוקה רבעונית עד{43}}חצי שנתית.
היווצרות משקעים מ-Ferric Hydroxide
תגובת ההידרוליזה שיוצרת חומצה חופשית מייצרת גם הידרוקסיד ברזל, במיוחד ליד משטח הקוורץ שבו הטמפרטורה היא הגבוהה ביותר: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. ה-Fe(OH)₃ הוא משקע ג'לטיני, חום -אדום, הנדבק למשטח הקוורץ. פיקדון זה מבודד תרמי; שכבה של 0.1 מ"מ יכולה להפחית את העברת החום ב-10-15%. כאשר המשקע מתעבה, הקוורץ שמתחתיו מתחמם יותר, ומאיץ הן את ההידרוליזה והן כל קורוזיה חומצית. במקרים חמורים, המשקע יכול להתנתק, לשאת שברי קוורץ קטנים. המשקע גם מפחית את עובי הדופן האפקטיבי על ידי בידוד המשטח. ניקוי רגיל עם חומצה גופרתית מדוללת (5-10%) ממיס משקעי הידרוקסיד ברזל מבלי לתקוף את הקוורץ.
כיצד עובי הקיר משנה את חיי השירות
לקבלת קורוזיה חומצית אחידה, החיים מתקדמים באופן ליניארי עם עובי הדופן. ב-80 מעלות, קיר של 2.0 מ"מ מספק 4,000 שעות; קיר של 3.0 מ"מ מספק 6,000 שעות. עבור מתח תרמי המושרה-ת, קירות עבים יותר מספקים עמידות רבה יותר בפני סדקים אך אינם מונעים היווצרות משקעים. מומלץ קיר של 2.5-3.0 מ"מ לאמבטיות עם משקעים משמעותיים של הידרוקסיד ברזל.
עונש תרמי של קירות עבים יותר
לתמיסות סולפט ברזל ב-15% ו-80 מעלות יש מוליכות תרמית של כ-0.55-0.60 W/(m·K). עבור קיר 1.5 מ"מ, R_cond=0.00109; עבור קיר של 3.0 מ"מ, R_cond=0.00217. עם h=800 W/(m²·K), U יורד מ-427 ל-292 W/(m²·K), הפחתה של 32%.
תרחיש-מטריצת בחירה מבוססת
| תרחיש אפליקציה ופרמטרי הפעלה | עובי קיר מומלץ | נימוק ליבה |
|---|---|---|
| כבישת מתכת (15% Fe₂(SO₄)₃, 80 מעלות, ניקוי רציף, שבועי) | 2.0 – 2.5 מ"מ, דרגת תקן, להבה- מלוטשת | קצב קורוזיה אחיד ~0.0005 מ"מ/שעה. קיר עבה יותר מספק מרווח בטיחות נגד מתח תרמי של משקעים. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| חומר קרישה לטיפול במים (10% Fe₂(SO₄)₃, 70 מעלות, לסירוגין) | 2.0 מ"מ, כפי-שמצויר | טמפרטורה נמוכה יותר ושימוש לסירוגין. קָבִיל. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| כבישה-בטמפרטורה גבוהה (90 מעלות, 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2.5 - 3.0 מ"מ | שיעור קורוזיה גבוה יותר. קיר עבה יותר מאריך חיים. |
שינויי עיצוב משלימים:שמירה על pH נמוך בתמיסה (הוספת H₂SO₄ חופשי) מדכאת הידרוליזה של ברזל ויצירת משקעים. ערבול טוב מונע שקיעת חלקיקים. ניקוי תקופתי עם 10% H₂SO4 ממיס משקעי Fe(OH)₃. משטח מלוטש מפחית הידבקות משקעים.
