Silne kyslá chloridová korózia kremeňa v horúcich roztokoch chloridu zinočnatého
Chlorid zinočnatý (ZnCl₂) je všestranná chemikália používaná ako tavidlo pri spájkovaní a galvanizácii (odstraňovanie oxidových vrstiev), konzervačný prostriedok na drevo, katalyzátor organickej syntézy (Friedel-Craftsove reakcie) a elektrolyt v batériách so suchými článkami. Typické priemyselné koncentrácie sa pohybujú od 50 do 70 % hmotnosti, s prevádzkovými teplotami 60 až 80 stupňov. Na rozdiel od neutrálnych solí sú koncentrované roztoky chloridu zinočnatého silne kyslé v dôsledku rozsiahlej hydrolýzy: Zn2⁺ + H2O ⇌ ZnOH⁺ + H⁺; ZnOH+ H207Zn(OH)2 + H+. 60 % roztok ZnCl₂ má pH približne 1,5 – 2,5 pri 25 stupňoch, pričom pri zvýšených teplotách ďalej klesá. Voľnou kyselinou je kyselina chlorovodíková (HCl), pretože aniónom je chlorid. Horúci koncentrovaný ZnCl2 teda napáda kremeň rovnakým mechanizmom ako zriedená HCl: protónom-podporovaná hydrolýza siloxánových väzieb, pričom chloridové ióny potenciálne urýchľujú útok prostredníctvom tvorby komplexov. Táto analýza kvantifikuje, ako koncentrácia ZnCl2 (50–70 %), teplota (60–80 stupňov) a kyslosť roztoku ovplyvňujú rovnomernú rýchlosť korózie taveného oxidu kremičitého.
Kinetika korózie taveného oxidu kremičitého v horúcom chloride zinočnatém
Korózia kremeňa v ZnCl2 je spôsobená voľným HCl z hydrolýzy zinku. Pri 70 stupňoch v 60 % ZnCl2 je koncentrácia voľnej HCl približne 0,1 – 0,3 M (pH 0,5 – 1,0). Pri tejto kyslosti je rovnomerná rýchlosť korózie kremeňa 0,0003–0,0008 mm/hod. Pri 80 stupňoch sa rýchlosť zvyšuje na 0,0006–0,0015 mm/hod. Pri 60 stupňoch je rýchlosť 0,0002 – 0,0004 mm/hod. Pre porovnanie, 0,2 M HCl pri 70 stupňoch koroduje kremeň rýchlosťou 0,0005–0,001 mm/hod. Pri 70 stupňoch stratí 2,0 mm kremenný plášť 0,0006 mm/h × 3 300 hodín=2.0 mm, čo dáva životnosť približne 3 300 hodín (4,6 mesiaca). 2,5 mm stena poskytuje 4 200 hodín; 3,0 mm stena poskytuje 5 000 hodín.
Prítomnosť nadbytku chloridu (zo ZnCl2) môže mierne urýchliť napadnutie za čistou HCl pri rovnakom pH, pretože chloridové ióny narušujú vrstvu hydratovaného oxidu kremičitého. Faktor zosilnenia je 1,2–1,5× v porovnaní s čistou HCl.
Lokalizované jamky a tvorba usadenín
Roztoky chloridu zinočnatého majú tendenciu vytvárať zásadité zrazeniny chloridu zinočnatého alebo hydroxidu zinočnatého pri zahrievaní alebo odparovaní. Tieto usadeniny sú biele a môžu byť izolačné. Sú však menej agresívne ako usadeniny z chloridu železitého. Zóna menisku je náchylná na kryštalizáciu.
Ako hrúbka steny mení životnosť
Životnosť sa lineárne mení s hrúbkou steny. Pre nepretržitú prevádzku pri 70 stupňoch sa odporúčajú steny s hrúbkou 2,5–3,0 mm pre intervaly výmeny 4–6 mesiacov.
Tepelná penalizácia hrubších stien
Roztoky chloridu zinočnatého pri 60 % a 70 stupňoch majú tepelnú vodivosť približne 0,50–0,55 W/(m·K). U klesá zo 427 na 292 W/(m²·K) pri zvýšení z 1,5 na 3,0 mm, čo predstavuje zníženie o 32 %.
Matica výberu{0}}založená na scenári
| Aplikačný scenár a prevádzkové parametre | Odporúčaná hrúbka steny | Základné zdôvodnenie |
|---|---|---|
| Galvanizačné tavidlo (60% ZnCl₂, 70 stupňov, nepretržité, týždenné čistenie) | 2,5 – 3,0 mm, štandardná trieda | Rýchlosť kyslej korózie ~0,0006 mm/hod. Hrubšia stena pre životnosť 5 000 hodín. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| Konzervácia dreva (50% ZnCl₂, 60 stupňov, prerušovaná) | 2,0 mm, ako-nakreslený | Nižšia teplota a koncentrácia. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Katalyzátor organickej syntézy (70 % ZnCl2, 80 stupňov, šarža) | 3,0 mm | Vysoká kyslosť. Hrubšia stena je nevyhnutná. |
Doplnkové úpravy dizajnu:Pridanie malého množstva oxidu zinočnatého na neutralizáciu voľnej HCl znižuje koróziu. Dobré vetranie odstraňuje výpary HCl. Pravidelné čistenie vodou odstraňuje usadeniny zinkovej soli.
