การสลายตัวด้วยความร้อน-การสะสมของซัลเฟอร์ที่ขับเคลื่อนบนซิลิกาที่หลอมละลาย
โซเดียมไธโอซัลเฟต (Na₂S₂O₃) เป็นสารยึดเกาะมาตรฐานในการประมวลผลภาพ (การละลายซิลเวอร์เฮไลด์ที่ยังไม่ถูกสัมผัส) และเป็นสารลิซิเวียนต์ทางเลือกสำหรับการชะล้างทองคำในกระบวนการที่ไม่ใช่-ไซยาไนด์ ความเข้มข้นโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 10–30% โดยน้ำหนัก โดยมีอุณหภูมิในการทำงาน 60–80 องศา (ยกระดับขึ้นเพื่อเร่งอัตราการยึดเกาะหรือการชะล้าง) เครื่องทำความร้อนแบบแช่ควอตซ์มักใช้ในสารละลายไทโอซัลเฟต เนื่องจากซิลิกาที่หลอมละลายมีความทนทานต่อเกลือที่เป็นกลางได้ดีเยี่ยม และไม่เร่งการสลายตัวของไทโอซัลเฟต อย่างไรก็ตาม ไธโอซัลเฟตเข้มข้นที่ร้อนจะไม่เสถียรทางความร้อนและสลายตัวที่อุณหภูมิสูง: Na₂S₂O₃ + ความร้อน → Na₂SO₃ + S (กำมะถันคอลลอยด์) การสลายตัวจะถูกเร่งด้วยความร้อน ค่า pH ต่ำ และพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาบางชนิด ซัลเฟอร์ที่เกิดขึ้นจะตกตะกอนเป็นสีเหลืองซีดสะสมอยู่บนพื้นผิวควอตซ์ แหล่งกำมะถันนี้เป็นฉนวนความร้อน ทำให้เกิดจุดร้อนที่เร่งการสลายตัวเพิ่มเติม นอกจากนี้ หากสารละลายมีสภาพเป็นกรด (จากการดูดซับ CO₂ หรือจากการสลายตัวของไทโอซัลเฟตไปจนถึงโพลีไทโอเนต) อัตราการสลายตัวจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) อาจมีการพัฒนา ซึ่งสามารถโจมตีควอตซ์ที่อุณหภูมิสูงได้ การวิเคราะห์นี้จะวัดปริมาณว่าความเข้มข้นของโซเดียมไธโอซัลเฟต (10–30%) อุณหภูมิ (60–80 องศา ) และค่า pH ของสารละลายส่งผลต่ออัตราการสะสมของซัลเฟอร์บนซิลิกาที่หลอมรวมและการกัดกร่อนของควอตซ์ ความหนาของผนังเปลือกควอทซ์ที่ต้องการเพื่อให้บรรลุระยะเวลาการบำรุงรักษาจริง (2,000–8,000 ชั่วโมง) ในเครื่องทำความร้อนแบบถ่ายภาพและเครื่องชะล้างทองคำ
จลนพลศาสตร์การสะสมของซัลเฟอร์บนพื้นผิวควอตซ์
การย่อยสลายของควอตซ์ในสารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตไม่ได้เกิดจากการกัดกร่อนทางเคมีเป็นหลัก แต่เป็นการสะสมตัวของกำมะถัน การสลายตัวของไทโอซัลเฟตจะเป็นไปตามลำดับแรก-จลน์ศาสตร์เกี่ยวกับความเข้มข้นของไทโอซัลเฟต และเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตามอุณหภูมิ พลังงานกระตุ้นการสลายตัวจะอยู่ที่ประมาณ 80–100 กิโลจูล/โมล ที่ 70 องศา ครึ่ง-ชีวิตของโซเดียมไธโอซัลเฟต 20% ที่ pH เป็นกลางจะอยู่ที่ประมาณ 500–1,000 ชั่วโมง ที่ 80 องศา ครึ่งชีวิต-จะลดลงเหลือ 150–300 ชั่วโมง ที่ 60 องศา จะเพิ่มขึ้นเป็น 2,000–4,000 ชั่วโมง คอลลอยด์ซัลเฟอร์ที่เกิดขึ้นมีแนวโน้มสูงที่จะเกาะติดกับพื้นผิวที่มีความร้อน รวมถึงปลอกควอตซ์
การทดสอบการแช่ควอตซ์หลอมละลายในโซเดียมไธโอซัลเฟต 20% ที่ 70 องศา pH 7 แสดงอัตราการเติบโตของการสะสมของกำมะถันที่ความหนาเทียบเท่า 0.01–0.05 มม. ต่อสัปดาห์ ตะกอนจะอ่อนตัวและเป็นสีเหลืองแต่อาจแข็งตัวเมื่อเวลาผ่านไป ฝากเป็นฉนวนความร้อน ชั้นหนา 0.1 มม. สามารถลดการถ่ายเทความร้อนได้ 10–20% เมื่อคราบสะสมหนาขึ้น ควอตซ์ที่อยู่ด้านล่างจะร้อนขึ้น และเร่งการสลายตัวในท้องถิ่น ในกรณีที่รุนแรง คราบซัลเฟอร์อาจละลาย (ซัลเฟอร์ละลายที่ 115 องศา) และไหลออกมา ทำให้เกิดจุดร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ พื้นผิวควอตซ์ที่อยู่ด้านล่างไม่แสดงการกัดกร่อนของสารเคมีที่สามารถวัดได้ที่ pH เป็นกลาง อย่างไรก็ตาม หาก pH ของสารละลายลดลงต่ำกว่า 5 (เช่น จากการดูดซับ CO₂ ในชั้นบรรยากาศ หรือจากการสลายตัวของไทโอซัลเฟตไปจนถึงกรดโพลีไทโอนิก) การสลายตัวของไทโอซัลเฟตจะเร่งขึ้นอย่างมาก และสภาวะที่เป็นกรดสามารถโจมตีควอตซ์ได้ช้าๆ (0.0001–0.0005 มม./ชั่วโมง)
โซนวงเดือนเป็นจุดที่การสะสมของกำมะถันรุนแรงที่สุด การระเหยทำให้ไทโอซัลเฟตเข้มข้นเร่งการสลายตัว เปลือกสีเหลืองหรือสีขาวมักก่อตัวที่เส้นของเหลว การรักษาระดับของเหลวให้คงที่และการใช้แผงป้องกันไอจะช่วยป้องกันการก่อตัวของเปลือกวงเดือน
ความหนาของผนังปรับเปลี่ยนอายุการใช้งานในเครื่องทำความร้อนไทโอซัลเฟตอย่างไร
เนื่องจากกลไกความล้มเหลวเกิดจากการสะสมตัว-ความเครียดจากความร้อนมากกว่าการทำให้ผนังบางลง การเพิ่มความหนาของผนังควอตซ์จึงไม่ป้องกันการสะสมของซัลเฟอร์ อย่างไรก็ตาม ผนังที่หนากว่าจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีกว่าหากเกิดจุดร้อนขึ้น สำหรับอ่างอาบน้ำที่มีการสะสมของกำมะถันอย่างรวดเร็ว (อุณหภูมิสูง pH ต่ำ) แนะนำให้ใช้ผนังที่หนาขึ้น (2.5–3.0 มม.) เพื่อความปลอดภัยจากการแตกร้าว สำหรับอ่างอาบน้ำที่มีการควบคุม pH ที่ดีและอุณหภูมิต่ำกว่า (60–65 องศา) ผนังมาตรฐาน 1.5–2.0 มม. ก็เพียงพอแล้ว การทำความสะอาดพื้นผิวควอตซ์เป็นประจำด้วยแอมโมเนียเจือจางหรือสารละลายโซเดียมซัลไฟต์จะละลายตะกอนกำมะถัน รอบการทำความสะอาดรายสัปดาห์หรือรายเดือนสามารถยืดอายุเครื่องทำความร้อนได้อย่างไม่มีกำหนด โดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนัง
โทษทางความร้อนของผนังหนาในสารละลายไทโอซัลเฟต
สารละลายโซเดียมไธโอซัลเฟตที่ความเข้มข้น 20% และ 70 องศามีค่าการนำความร้อนประมาณ 0.50–0.55 W/(m·K)-ต่ำกว่าน้ำเล็กน้อย สำหรับผนัง 1.5 มม. R_cond=0.00109; สำหรับผนัง 3.0 มม. R_cond=0.00217. เมื่อ h=800 W/(m²·K) R_boundary=0.00125. U ลดลงจาก 427 เป็น 292 W/(m²·K) ซึ่งลดลง 32% ผนังบางเป็นที่ต้องการสำหรับการประหยัดพลังงาน แต่การสะสมตัวอาจทำให้ผนังหนาขึ้นเพื่อความทนทานทางกล
สถานการณ์-เมทริกซ์การเลือกตามความหนาของผนังเปลือกควอตซ์ในบริการโซเดียมไธโอซัลเฟตร้อน
| สถานการณ์การใช้งานและพารามิเตอร์การทำงาน | ความหนาของผนังที่แนะนำ | เหตุผลหลักกับการค้าเชิงปริมาณ-ปิด |
|---|---|---|
| การซ่อมภาพ (20% Na₂S₂O₃, 70 องศา , ต่อเนื่อง, pH 7, ทำความสะอาดรายสัปดาห์) | 2.0 – 2.5 มม. เกรดมาตรฐาน ขัดเงาด้วยเปลวไฟ- | การสะสมของซัลเฟอร์ปานกลาง ผนังหนาขึ้นต้านทานความเครียดจากความร้อนจากจุดสะสมร้อน น้ำยาขัดเงา-เปลวไฟช่วยลดการยึดเกาะ U 380 วัตต์/(ตร.ม.·K) |
| การชะล้างทองคำ (10% Na₂S₂O₃, 65 องศา , pH 8, ทำความสะอาดอย่างต่อเนื่องทุกเดือน) | 2.0 มม. ตามที่วาดไว้ | อุณหภูมิที่ต่ำกว่าจะทำให้การสลายตัวช้าลง ผนังบางเพื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงาน U หยาบคาย 420 วัตต์/(ตร.ม.·K) |
| ไธโอซัลเฟตที่อุณหภูมิสูง- (80 องศา ใดๆ) | 2.5 – 3.0 มม. พร้อมแผงป้องกันไอ | การสลายตัวอย่างรวดเร็ว จำเป็นต้องทำความสะอาดบ่อยๆ เกราะป้องกันไอช่วยลดการสะสมของวงเดือน |
| ไธโอซัลเฟตที่เป็นกรด (pH<5, any temperature) | ไม่ใช่ควอตซ์ – ใช้ PTFE | กรดเร่งการสลายตัวและโจมตีควอตซ์ จำเป็นต้องมีฝักสำรอง |
การปรับเปลี่ยนการออกแบบเสริม:การรักษา pH ให้เป็นกลางถึงเป็นด่างเล็กน้อย (7–8) จะช่วยลดการสลายตัว การเติมสารเพิ่มความคงตัวของซัลไฟต์ (Na₂SO₃) จะยับยั้งการสลายตัวของไทโอซัลเฟต การโปรยไนโตรเจนจะกำจัดออกซิเจนและCO₂ การทำความสะอาดเป็นระยะด้วยแอมโมเนีย 5% หรือโซเดียมซัลไฟต์จะละลายตะกอนกำมะถัน พื้นผิวขัดเงาช่วยลดการยึดเกาะของคราบสกปรก
