Viegla hidrolīze{0}}karsta nātrija acetāta uzbrukums kausētam silīcija dioksīdam
Nātrija acetāts (CH₃COONa) ir plaši izmantota ķīmiska viela tekstilizstrādājumu krāsošanā (kā pH buferis un palīgviela), pārtikas konservēšanā, farmaceitiskajā ražošanā un kā sildīšanas spilventiņu ķīmiskā viela (nātrija acetāta trihidrāts). Tipiskā rūpnieciskā koncentrācija ūdens šķīdumā svārstās no 20 līdz 40 svara % ar darba temperatūru 80–120 grādi krāsošanas vannās, bufersistēmas sildītājos un iztvaicētājos. Kvarca iegremdējamie sildītāji bieži ir paredzēti nātrija acetāta lietošanai, jo kvarcam ir augsta ķīmiskā tīrība (novērš metāla jonu piesārņojumu, kas varētu ietekmēt krāsošanu vai farmaceitiskos procesus) un lieliskā izturība pret lielāko daļu sāls šķīdumu. Tomēr karsts koncentrēts nātrija acetāts rada smalku korozijas risku kausētam silīcija dioksīdam, izmantojot mehānismu, kas nav tiešs sāls uzbrukums, bet gan hidrolīze. Acetāta jons (CH3COO⁻) ir etiķskābes konjugētā bāze (pKa 4,76) un tāpēc hidrolizējas ūdenī: CH3COO⁻ + H2O⇌ CH3COOH + OH⁻. Paaugstinātā temperatūrā šis līdzsvars mainās, radot hidroksīda jonus un padarot šķīdumu nedaudz sārmainu. 30% nātrija acetāta šķīduma 25 grādu temperatūrā pH ir aptuveni 8,5–9,0. Pie 100 grādiem pH var paaugstināties līdz 9,5–10,0 pastiprinātas hidrolīzes un disociācijas konstantu izmaiņu dēļ. Radītie hidroksīda joni uzbrūk silīcija dioksīda tīklam, izmantojot tādu pašu mehānismu kā atšķaidīta kodīga viela: SiO₂ + 2 OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O. Turklāt acetāta joni var veidot kompleksus ar silīciju, lai gan tie ir vāji. Šī analīze nosaka, kā nātrija acetāta koncentrācija (20–40%), temperatūra (80–120 grādi) un šķīduma pH ietekmē vienmērīgu kausētā silīcija dioksīda korozijas ātrumu. Ir iegūts nepieciešamais kvarca apvalka sieniņu biezums, lai sasniegtu praktiskus apkopes intervālus (5000–20 000 stundas) tekstilizstrādājumu krāsošanas un bufersistēmas sildītājos, kā arī biezāku sienu termiskā ietekme šajā augsta -blīvuma sāls šķīdumā.
Karstā nātrija acetātā sakausēta silīcija dioksīda korozijas kinētika: hidroksīda{0}}starpniecības uzbrukums
Kvarca koroziju karstā nātrija acetātā veicina hidroksīda joni, kas rodas acetāta hidrolīzē. Hidrolīzes konstante K_h=K_w/K_a=1e-14/1.8e-5=5.6e-10 pie 25 grādiem. 30% nātrija acetāta šķīdumam (aptuveni 3,7 M) aprēķinātais pH pie 25 grādiem ir aptuveni 9,4 ([OH⁻]=√(K_h × C)=√(5,6e-10 × 3,7) =}.07′5. M, pOH=4.34, pH=9.66). Pie 100 grādiem K_w palielinās līdz aptuveni 5,5e-13, un etiķskābes K_a arī mainās (nedaudz palielinās), padarot aprēķinu sarežģītu, bet pH parasti paaugstinās līdz 9,5-10,0. Pie pH 9,5–10,0 OH⁻ koncentrācija ir no 10⁻⁴ līdz 10⁻⁵ M, kas ir pietiekama, lai izraisītu lēnu, bet izmērāmu kvarca koroziju.
Augstas-tīrības kausēta kvarca iegremdēšanas tests 30% nātrija acetātā 95 grādu temperatūrā uzrāda vienmērīgu korozijas ātrumu 0,00005–0,0001 mm/stundā. Pie 120 grādiem (zem spiediena, piemēram, spiediena krāsošanas mašīnā) ātrums palielinās līdz 0,0002–0,0004 mm/stundā. Pie 80 grādiem ātrums ir mazāks par 0,00003 mm/stundā. Salīdzinājumam, 0,001 M NaOH (pH 11) 95 grādu temperatūrā korodē kvarcu ar ātrumu 0,005 mm/stundā -par divām kārtām augstāku. Zemais korozijas ātrums atspoguļo zemo līdzsvara stāvokļa -OH⁻ koncentrāciju nātrija acetāta šķīdumos. Pie 95 grādiem 2,0 mm kvarca apvalks 30% nātrija acetātā zaudētu 0,00008 mm/stundā × 25 000 stundu=2.0 mm, nodrošinot aptuveni 25 000 stundu (2,8 gadu) kalpošanas laiku. 1,5 mm siena nodrošina 18 750 stundas (2,1 gadu). Tādējādi kvarcs ir ļoti izturīgs karstā nātrija acetātā, un vienmērīga korozija reti ir kalpošanas ilgumu{39}}ierobežojošs faktors. Pat 120 grādos 2,0 mm siena nodrošina 5000–10 000 stundu (7–14 mēnešus), kas ir pieņemams daudziem rūpnieciskiem lietojumiem.
Brīvās etiķskābes klātbūtne (lieto pH regulēšanai bufersistēmās) samazina korozijas ātrumu. Etiķskābe nomāc acetāta hidrolīzi (kopējo jonu efektu), pazeminot OH⁻ koncentrāciju. Pie pH 7–8 (piemēram, nātrija acetāta -etiķskābes buferšķīdumā) korozijas ātrums ir vēl mazāks, zem 0,00002 mm/stundā. Un otrādi, ja šķīdums kļūst sārmaināks piesārņojuma dēļ (piemēram, ar nātrija hidroksīdu), korozijas ātrums palielinās proporcionāli OH⁻ koncentrācijai. Kvarca ilgmūžībai optimāla ir buferšķīduma uzturēšana pH 7–9.
Nātrija acetāta lokalizēta bedrīšu veidošanās un kristalizācija
Nātrija acetātam ir augsta šķīdība ūdenī (apmēram 46 g/100 ml 20 grādu temperatūrā, palielinoties temperatūrai). Tomēr iztvaikošanas apstākļos (piemēram, uz šķidruma virsmas vai uz karstām virsmām virs šķidruma līnijas) nātrija acetāts var kristalizēties kā trihidrāts vai bezūdens sāls. Šie kristāli nav kodīgi pret kvarcu, taču tie var veidot cietu, izolējošu zvīņu uz kvarca virsmas. Mērogs samazina siltuma pārnesi, liekot apakšā esošajam kvarcam sakarst, kas var lokāli paātrināt koroziju (lai gan korozijas ātrums jau ir ļoti zems). Vēl svarīgāk ir tas, ka siltumizolācija var izraisīt termisko spriegumu un iespējamu kvarca plaisāšanu, ja skala ir nevienmērīga. Turklāt nātrija acetāta trihidrāts kūst 58 grādos, tāpēc karsētā sistēmā kristāli var izkausēt un pēc tam pārkristalizēties pēc atdzesēšanas, radot mehānisku spriegumu uz kvarca virsmu. Pulēta kvarca virsma samazina kristāla saķeri, un periodiska tīrīšana ar karstu ūdeni izšķīdina katlakmens.
Meniska zona ir vieta, kur kristalizācija ir vissmagākā. Ūdens iztvaikošana koncentrē nātrija acetātu, izraisot pārsātinājumu un kristālu augšanu. Pastāvīga šķidruma līmeņa uzturēšana vai tvaika vairoga lietošana novērš meniska garozas veidošanos. Krāsošanas lietojumos, kur šķidruma līmenis svārstās (piemēram, pievienojot audumu), uzkarsēts augšējais apvalks (virs 100 grādiem) novērš kristalizāciju, jo nātrija acetāts paliek izkusis vai ūdens iztvaiko, neatstājot cietu garozu.
Kā sienas biezums maina kalpošanas laiku karstos nātrija acetāta sildītājos
Tā kā vienmērīgs korozijas ātrums ir ļoti zems (0,00005–0,0004 mm/stundā), nepieciešamā korozijas pielaide 5–10 gadu iekārtas ekspluatācijas laikā ir tikai 0,005–0,04 mm. Tāpēc sienu biezums netiek izvēlēts, pamatojoties uz pielaidi korozijai, bet gan pēc mehāniskās izturības, spiediena ierobežošanas (ja piemērojams) un izturības pret termisko triecienu un lietošanas radītajiem bojājumiem. Standarta kvarca sildītāja sieniņu biezums 1,5–2,0 mm ir vairāk nekā pietiekams nātrija acetāta lietošanai. Biezākas sienas (3,0–4,0 mm) nerada korozijas priekšrocības un tikai palielina nevajadzīgu termisko pretestību un svaru. Lietojumprogrammām ar biežu termisko ciklu (piemēram, sērijveida krāsošanas mašīnām, kurās sildītājs katru dienu tiek uzkarsēts un atdzesēts), biezākas sienas var būt izturīgākas pret termiskā stresa plaisāšanu, taču ieguvums ir nenozīmīgs, jo kvarcs jau ir ļoti izturīgs pret termisko triecienu. Spiediena krāsošanas sistēmām, kas darbojas 120 grādu leņķī, spiediena ierobežošanas prasība (parasti<10 bar) is easily met by 1.5–2.0 mm walls.
Bufersistēmām, kurās nātrija acetāta šķīdums tiek cirkulēts un labi{0}}filtrēts, optimālai siltuma pārnesei ir ieteicama plānākā praktiskā siena (1,5 mm).
Biezāku sienu termiskā iedarbība nātrija acetāta šķīdumos
Nātrija acetāta šķīdumiem 30% koncentrācijā un 95 grādu siltumvadītspēja ir aptuveni 0,55–0,60 W/(m·K)-nedaudz zemāka nekā tīram ūdenim. Blīvums ir 1,10–1,15 g/cm³, viskozitāte 1,0–1,5 cP. Konvektīvās siltuma pārneses koeficienti maisītās krāsošanas iekārtās vai bufera tvertnēs ir robežās no 600 līdz 1200 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond.=0.00217. Ar h=800 W/(m²·K), R_robeža=0.00125. Kopējā pretestība 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m²·K), samazinājums par 32%. Šis sods ir ievērojams. Tā kā biezākas sienas nerada korozijas priekšrocības, no tām jāizvairās. Optimālais sienas biezums ir minimālais, kas nodrošina atbilstošu mehānisko izturību, -parasti 1,5–2,0 mm.
Scenārijs-Pamatota atlases matrica kvarca apvalka sieniņu biezumam karstā nātrija acetāta servisā
| Lietojumprogrammas scenārijs un darbības parametri | Ieteicamais sienas biezums | Pamata pamatojums ar kvantitatīvu{0}}atlaidi |
|---|---|---|
| Tekstilizstrādājumu krāsošanas buferis (30% nātrija acetāts, 95 grādi, pH 8, nepārtraukta cirkulācija, 1 gada apkope) | 1,5–2,0 mm, standarta klase, liesmas-pulēts | Korozijas ātrums<0.00008 mm/hour → 2.0 mm provides >25 000 stundu (2,8 gadi). Liesmas-pulēšana samazina kristāla saķeri. U ≈ 450 W/(m²·K). |
| Krāsošanas iekārta zem spiediena (120 grādi, 20% nātrija acetāts, pH 7,5, partijas cikli, 5 bāri) | 1,5 – 2,0 mm, atkausēta | Rate ~0.0003 mm/hour → 2.0 mm provides >6600 stundas (9 mēneši). Atkausētais kvarcs iztur termisko triecienu, ko izraisa pakešu ciklu darbība. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Nātrija acetāta iztvaicētājs (40% koncentrācija, 105 grādi, ar kristalizāciju, iknedēļas tīrīšanu) | 2,0 mm, kā-nozīmēts | Korozija nenozīmīga. Sienas biezums izvēlēts mehāniskai izturībai tīrīšanas laikā. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Buffer system with high pH (>9.5 no piesārņojuma) | 2,0 mm, uzraugiet pH | Ātruma palielināšanās līdz 0,001 mm/stundā pie pH 10. 2.0 mm nodrošina 2000 stundas. Kontrolējiet pH zem 9. |
| Zemas-temperatūras nātrija acetāts (80 grādi, 25%, pārtikas pārstrāde) | 1,5 mm, standarta klase | Korozija nenozīmīga (<0.00003 mm/hour). Thin wall maximizes heat transfer. Life >30 000 stundas. |
Papildu dizaina modifikācijas karstajiem nātrija acetāta sildītājiem
Trīs stratēģijas vēl vairāk uzlabo kvarca sildītāja kalpošanas laiku, lai gan sienas biezums jau ir pietiekams. Pirmkārt, pH kontrole: uzturot nātrija acetāta šķīdumu pH 7–9, pēc vajadzības pievienojot nelielu daudzumu etiķskābes vai nātrija acetāta, tiek nomākta brīvā hidroksīda koncentrācija. pH regulators ar atgriezeniskās saites cilpu var novērst sārmu novirzes, kas paātrina koroziju. Otrkārt, periodiska tīrīšana: sildītāja mērcēšana karstā dejonizētā ūdenī (vai atšķaidītā etiķskābes šķīdumā) 1–2 stundas izšķīdina nātrija acetāta kristālus un atjauno siltuma pārneses efektivitāti. Ikmēneša tīrīšanas cikls novērš katlakmens veidošanos. Treškārt, tvaika -telpas apkure: uzstādot sildītāju uz kvarca apvalka virs šķidruma līnijas, virsmas temperatūra tiek uzturēta virs 100 grādiem, novēršot kristalizāciju augšējā apvalkā. Kā alternatīvu var izmantot tvaika{12}}apsildāmu tvaika vairogu. Ceturtkārt, pulēta virsma: liesmas{14}}pulētas kvarca virsmas noteikšana samazina kristāla saķeri, padarot tīrīšanas laikā vieglāk noņemamu nogulsnēšanos.
Secinājums: kvarca sienas biezuma noteikšana karstam nātrija acetātam ar pārliecību par izturību
Kvarca iegremdējamie sildītāji ir īpaši labi-piemēroti karsta koncentrēta nātrija acetāta lietošanai 80–120 grādu temperatūrā ar vienmērīgu korozijas ātrumu zem 0,0004 mm/stundā pH 7–9 diapazonā, kas ir raksturīgs šiem šķīdumiem. Standarta sienu biezums 1,5–2,0 mm nodrošina kalpošanas laiku 10 000–25 000 stundas (1–3 gadi) atkarībā no temperatūras, un korozijai ir nenozīmīga loma atteices gadījumā. Galvenā apkopes problēma nav korozija, bet gan nātrija acetāta kristālu uzkrāšanās uz kvarca virsmas, kas var samazināt siltuma pārneses efektivitāti. Kristalizāciju vislabāk var pārvaldīt, periodiski tīrot, tvaiku{17}}sildot un uzturot nemainīgu šķidruma līmeni. Biezākas sienas (3,0–4,0 mm) nerada priekšrocības pret koroziju un rada 30–35% termisko sodu, tāpēc tās nav ieteicamas. Spiediena sistēmām vai lietojumiem ar termisko ciklu atkvēlināts kvarcs ar 1,5–2,0 mm sienām nodrošina izcilu izturību. Pieprasot piedāvājumus nātrija acetāta sildītājiem, norādiet koncentrāciju, darba temperatūru, pH diapazonu, paredzamo kristalizācijas biežumu un tīrīšanas protokolu. Tas ļauj ražotājam ieteikt optimālo sienas biezumu -parasti 1,5–2,0 mm-, nodrošinot energoefektīvu,{32}}ilgtermiņa darbību tekstilizstrādājumu krāsošanā, bufersistēmās un citos nātrija acetāta apstrādes lietojumos.
