สารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตเข้มข้น (10–20% Fe₂(SO₄)₃) แบบร้อนที่ 60–90 องศา จะเปลี่ยนความหนาของผนังเปลือกควอตซ์ที่จำเป็นสำหรับเครื่องทำความร้อนดองโลหะและบำบัดน้ำได้อย่างไร

การไฮโดรไลซิสด้วยกรด-การกัดกร่อนของควอตซ์ในสารละลายเฟอร์ริกซัลเฟต

เฟอริกซัลเฟต (Fe₂(SO₄)₃) ใช้กันอย่างแพร่หลายในการดองโลหะ (สแตนเลสและทองแดง) การบำบัดน้ำ (สารตกตะกอนเพื่อกำจัดฟอสเฟต) และเป็นสารกัดกรดในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ ความเข้มข้นทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10–20% Fe₂(SO₄)₃ โดยน้ำหนัก โดยมีอุณหภูมิในการทำงาน 60–90 องศาในถังดองและเครื่องปฏิกรณ์การจับตัวเป็นก้อน สารละลายมีความเป็นกรดสูงเนื่องจากการไฮโดรไลซิสของเฟอร์ริกไอออนอย่างกว้างขวาง: Fe³⁺ + H₂O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; และต่อไปถึง Fe(OH)₃ ผลสุทธิคือความเข้มข้นของกรดซัลฟิวริกอิสระเทียบเท่ากับ 0.05–0.2 MH₂SO₄ ที่ 10–20% Fe₂(SO₄)₃ เครื่องทำความร้อนแบบแช่ควอตซ์มักใช้ในบริการเฟอร์ริกซัลเฟต เนื่องจากซิลิกาที่หลอมละลายมีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อกรดซัลฟิวริกเจือจาง อย่างไรก็ตาม เฟอร์ริกซัลเฟตมีกลไกการย่อยสลายแบบคู่: การกัดกร่อนของกรดสม่ำเสมอจาก H₂SO₄ ที่เกิดขึ้น และการก่อตัวของตะกอนจากการตกตะกอนของเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์ (Fe(OH)₃) เฟอร์ริกไฮดรอกไซด์ที่สะสมอยู่นั้นเป็นฉนวนความร้อนและสามารถสร้างจุดร้อนได้ นอกจากนี้ เฟอร์ริกไอออนยังเป็นตัวออกซิไดเซอร์ (เช่น FeCl₃ แต่มีฤทธิ์รุนแรงน้อยกว่า) แต่ไอออนซัลเฟตจะไม่โจมตีควอตซ์ การวิเคราะห์นี้จะวัดปริมาณว่าความเข้มข้นของ Fe₂(SO₄)₃ (10–20%) อุณหภูมิ (60–90 องศา ) และความเป็นกรดของสารละลายส่งผลต่อการกัดกร่อนที่สม่ำเสมอและการก่อตัวของตะกอนบนซิลิกาที่หลอมละลายอย่างไร

จลนพลศาสตร์การกัดกร่อนของซิลิกาผสมในสารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตร้อน

การกัดกร่อนของควอตซ์ในเฟอร์ริกซัลเฟตถูกขับเคลื่อนโดยกรดซัลฟิวริกอิสระที่เกิดจากการไฮโดรไลซิสของเฟอร์ริก ที่ 80 องศาใน 15% Fe₂(SO₄)₃ (ประมาณ 0.25 M Fe³⁺) ความเข้มข้นของ H₂SO₄ อิสระจะอยู่ที่ประมาณ 0.1–0.15 M (pH 0.8–1.0) ที่ความเป็นกรดนี้ อัตราการกัดกร่อนสม่ำเสมอของควอตซ์อยู่ที่ 0.0003–0.0006 มม./ชั่วโมง ที่ 90 องศา อัตราจะเพิ่มขึ้นเป็น 0.0006–0.001 มม./ชม. ที่ 60 องศา อัตรา 0.0001–0.0002 มม./ชม. สำหรับการเปรียบเทียบ 0.1 MH₂SO₄ ที่ 80 องศา กัดกร่อนควอตซ์ที่ 0.0002–0.0004 มม./ชั่วโมง เฟอร์ริกไอออนไม่ได้เร่งการโจมตีอย่างมีนัยสำคัญเกินกว่าผลของกรดอิสระ ที่ 80 องศา ปลอกควอตซ์ 2.0 มม. จะสูญเสีย 0.0005 มม./ชั่วโมง × 4,000 ชั่วโมง=2.0 มม. ทำให้มีอายุการใช้งานประมาณ 4,000 ชั่วโมง (5.5 เดือน) ผนัง 2.5 มม. ใช้งานได้ 5,000 ชั่วโมง ผนังหนา 3.0 มม. ใช้งานได้ 6,000 ชม. อายุการใช้งานเหล่านี้ใช้งานได้จริงสำหรับการบริการทางอุตสาหกรรมอย่างต่อเนื่องโดยมีการบำรุงรักษารายไตรมาสถึงครึ่ง-ต่อปี

การสะสมของตะกอนจากเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์

ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่สร้างกรดอิสระยังทำให้เกิดเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใกล้กับพื้นผิวควอตซ์ซึ่งมีอุณหภูมิสูงที่สุด: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺ Fe(OH)₃ เป็นตะกอนสีแดงที่เป็นวุ้นสีน้ำตาล-ซึ่งเกาะติดกับพื้นผิวควอตซ์ เงินฝากนี้เป็นฉนวนความร้อน ชั้น 0.1 มม. สามารถลดการถ่ายเทความร้อนได้ 10–15% เมื่อคราบสะสมหนาขึ้น ควอตซ์ที่อยู่ด้านล่างจะร้อนขึ้น โดยเร่งทั้งไฮโดรไลซิสและการกัดกร่อนของกรดใดๆ ที่แฝงอยู่ ในกรณีที่รุนแรง คราบสะสมอาจหลุดออกไปโดยนำเศษควอตซ์ขนาดเล็กไปด้วย การสะสมยังช่วยลดความหนาของผนังที่มีประสิทธิภาพด้วยฉนวนพื้นผิว การทำความสะอาดเป็นประจำด้วยกรดซัลฟิวริกเจือจาง (5–10%) จะละลายคราบเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์โดยไม่ทำลายควอตซ์

ความหนาของผนังปรับเปลี่ยนอายุการใช้งานอย่างไร

สำหรับการกัดกร่อนของกรดสม่ำเสมอ อายุการใช้งานจะแปรผันตามความหนาของผนัง ที่ 80 องศา ผนัง 2.0 มม. ใช้งานได้ 4,000 ชั่วโมง ผนังหนา 3.0 มม. ใช้งานได้ 6,000 ชม. สำหรับความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากการสะสม- ผนังที่หนาขึ้นจะต้านทานการแตกร้าวได้ดีกว่าแต่ไม่ได้ป้องกันการก่อตัวของคราบสะสม แนะนำให้ใช้ผนัง 2.5–3.0 มม. สำหรับอ่างอาบน้ำที่มีการตกตะกอนของเฟอร์ริกไฮดรอกไซด์อย่างมีนัยสำคัญ

โทษความร้อนของผนังหนา

สารละลายเฟอร์ริกซัลเฟตที่ 15% และ 80 องศามีค่าการนำความร้อนประมาณ 0.55–0.60 W/(m·K) สำหรับผนัง 1.5 มม. R_cond=0.00109; สำหรับผนัง 3.0 มม. R_cond=0.00217. เมื่อ h=800 W/(m²·K) U จะลดลงจาก 427 เป็น 292 W/(m²·K) ซึ่งลดลง 32%

สถานการณ์-เมทริกซ์การเลือกตาม

การปรับเปลี่ยนการออกแบบเสริม:การรักษา pH ของสารละลายต่ำ (การเติม H₂SO₄ อิสระ) จะยับยั้งไฮโดรไลซิสของเฟอร์ริกและการก่อตัวของคราบสะสม การกวนที่ดีจะป้องกันการตกตะกอนของอนุภาค การทำความสะอาดเป็นระยะด้วย 10% H₂SO₄ จะละลายตะกอน Fe(OH)₃ พื้นผิวขัดเงาช่วยลดการยึดเกาะของคราบสกปรก