בעיית ה-pH הזוחל
אמבט ציפוי נחושת חומצי פועל ב-pH 0.8-1.2, נשמר על ידי ריכוז חומצה גופרתית של 180-220 גרם/ליטר. ה-pH אינו נשלט באופן אקטיבי-ריכוז החומצה הגבוה חוסם את האמבטיה, וה-pH נשאר בדרך כלל יציב למעט הפסדי גרירה. עם זאת, המעבדה האנליטית מדווחת שה-pH יורד כלפי מטה מ-1.0 ל-0.7 במשך שישה שבועות. יותר חומצה גופרתית קיימת ממה שתוספות האיפור מספקות. החומצה נוצרת באופן פנימי.
המקור הוא לא האנודות. אנודות נחושת מפוספסת מתמוססות ביעילות זרם של כמעט 100%, ומייצרות יוני נחושת, לא חומצה. המקור אינו המיישר. המקור הוא מחליף החום מפלדת אל-חלד, שקורוזיה באיטיות בחומצה החמה ומשחררת יוני ברזל וכרום אשר עוברים הידרוליזה ליצירת חומצה חופשית.
מנגנון יצירת חומצה זה אינו נראה לניטור ייצור יומיומי. האמבטיה נראית רגילה. הפיקדונות עומדים במפרט. הסחף של ה-pH מופיע כמגמה הדרגתית בניתוח השבועי, המיוחסת לרוב לטעות אנליטית או לגרור-ווריאציות עד שהשינוי הופך גדול מדי לביטול.
מנגנון יצירת חומצות הידרוליזה
נירוסטה קורוזיה בחומצה גופרתית חמה בקצב איטי אך ניתן למדידה. מוצרי הקורוזיה-יוני ברזל, ניקל וכרום-נכנסים לאלקטרוליט הציפוי. יוני מתכת אלה אינם נשארים כמו מלחים מומסים פשוטים. הם עוברים תגובות הידרוליזה עם מים המשחררות יוני מימן, מה שמגדיל את ריכוז החומצה החופשית.
ברזל ברזל עובר הידרוליזה בתהליך שלבים. כל יון ברזל יכול לשחרר עד שלושה יוני מימן כשהוא יוצר קומפלקסים של הידרוקסיד. ב-pH 1.0, ההידרוליזה היא חלקית, אך שיווי המשקל מעדיף שחרור מתקדם של חומצה ככל שריכוז הברזל גדל. כרום (III) מתנהג באופן דומה, משחרר יוני מימן כשהוא יוצר קומפלקסים של הידרוקסיד רב-גרעיני.
יצירת החומצה היא סטוכיומטרי. כל גרם של ברזל המומס ממחליף החום ועובר הידרוליזה מייצר כ-0.054 שווי ערך של חומצה-שווה ערך ל-2.6 גרם חומצה גופרתית. במשך שישה שבועות של קורוזיה מתמשכת בקצב של 0.15 מ"מ לשנה על פני משטח סליל בגודל 2 מ"ר, נכנסים לאמבטיה כ-180 גרם ברזל, מה שמייצר את המקבילה ל-470 גרם חומצה גופרתית. באמבטיה של 8,000 ליטר, זה מעביר את ריכוז החומצה הגופרתית כלפי מעלה באופן מדיד.
טבלה 1: השפעת ה-pH של מוצרי קורוזיה מחליף חום באמבט נחושת חומצי (8,000 ליטר, תקופה של 6 חודשים)
| פָּרָמֶטֶר | סליל נירוסטה 316L | סליל טיטניום | מחליף חום PTFE |
|---|---|---|---|
| קצב קורוזיה ב-H₂SO4 ב-60 מעלות (מ"מ לשנה) | 0.10-0.20 | 0.02-0.08 | 0 |
| מתכת מומסת תוך 6 חודשים (גרם) | 160-320 (Fe, Ni, Cr) | 30-120 (Ti) | 0 |
| שווי ערך חומצה שנוצר באמצעות הידרוליזה | 8-17 מקבילות | 2-8 מקבילות | 0 |
| H₂SO4 שווה ערך נוסף לאמבטיה (גרם) | 390-830 | 100-390 | 0 |
| שינוי pH חזוי לאחר 6 חודשים | -0.15 עד -0.35 יחידות pH | -0.05 עד -0.15 יחידות pH | 0 |
| נדרשת פעולת תיקון | הפחתת חומצה גופרתית; דילול אמבטיה | התאמת חומצה קלה | אַף לֹא אֶחָד |
אינטראקציית המבהיר
שינוי ה-pH אינו התוצאה היחידה של הצטברות יוני מתכת. יוני ברזל וכרום מורכבים עם מבהירים ומפלסים אורגניים, מפחיתים את הריכוז האפקטיבי שלהם. קצב צריכת חומרי ההבהרה גדל ככל שהאמבטיה מזדקנת, גם כאשר תפוקת האמפר-שעה קבועה.
המפעילים מפצים על ידי הגדלת שיעורי הוספת חומרי ההבהרה. ריכוז חומרי ההבהרה הגבוה מקזז חלקית את אובדן המורכבות אך מגדיל את עלות התפעול ומסכן פגמים במינון יתר של חומרי ההבהרה. האינטראקציה בין סחף ה-PH המונע על ידי קורוזיה- וצריכת חומרי ההבהרה יוצרת ירידה מתקדמת בביצועי האמבט שקשה לאבחן מכיוון ששתי ההשפעות מתפתחות לאט.
PTFE: אפס קורוזיה, אפקט pH אפס
מחליף חום PTFE משחית בשיעור של אפס בחומצה גופרתית בכל הריכוזים והטמפרטורות מתחת ל-260 מעלות. יוני מתכת לא נכנסים לאמבטיה. לא מתרחשות תגובות הידרוליזה. לא תיתכן סחף של pH כתוצאה מיצירת חומצה פנימית.
יציבות ה-pH באמבטיה משתפרת באופן מדיד לאחר ההמרה ל-PTFE. הגורמים היחידים המשפיעים על ריכוז החומצה הם גרירת-הפסדים, תוספות-איפור ויעילות פירוק האנודה-כל המשתנים שניתן לנטר ולשלוט בהם באמצעות שיטות ייצור סטנדרטיות. תרומת החומצה הבלתי צפויה-שמונעת מהקורוזיה מתבטלת.
קצב צריכת המבהיר מתייצב. ללא הצטברות מתקדמת של יוני מתכת מורכבים, דרישת חומרי ההבהרה עוקבת באופן צפוי על תפוקת אמפר-שעה. ניתן לקבוע שיעורי תוספת בהתבסס על ניסויים מבוקרים במקום להתאים באופן תגובתי לתנאי האמבט המשתנים.
תַקצִיר
סחף pH בלתי מוסבר באמבטיות ציפוי נחושת חומצי מופעלת על ידי הידרוליזה של יוני מתכת ממוצרי קורוזיה של מחליף חום. יוני ברזל וכרום המומסים מסלילי נירוסטה מייצרים חומצה חופשית באמצעות הידרוליזה, מורידים בהדרגה את ה-pH של האמבט ומגדילים את צריכת חומרי ההבהרה באמצעות מורכבות.
מחליפי חום PTFE מבטלים את המנגנון הזה לחלוטין. אפס קורוזיה פירושו אפס יוני מתכת, אפס הידרוליזה, אפס סחיפה של pH וצריכת מבהיר יציבה. כימיית האמבט הופכת לפונקציה של משתני ייצור מבוקרים ולא של השפלת ציוד בלתי מבוקרת.
ניתוח הנדסי למפרט מחליף חום PTFE באמבטיות ציפוי נחושת חומצי זמין עם הגשת נפח האמבטיה, נתוני מגמת ה-pH הנוכחיים, החומר והגיל של מחליף החום והיסטוריית צריכת חומרי ההבהרה.
