Termiskā sadalīšanās{0}}Sēra nogulsnēšanās uz kausēta silīcija dioksīda
Nātrija tiosulfāts (Na2S₂O3) ir standarta fiksācijas līdzeklis fotogrāfiju apstrādē (izšķīdinot neeksponētus sudraba halogenīdus) un alternatīvs šķidrinātājs zelta izskalošanai procesos, kas nav -cianīds. Tipiskās koncentrācijas svārstās no 10 līdz 30 % no svara, ar darba temperatūru 60–80 grādi (paaugstināta, lai paātrinātu fiksācijas vai izskalošanās ātrumu). Tiosulfāta šķīdumos bieži izmanto kvarca iegremdēšanas sildītājus, jo kausētais silīcija dioksīds nodrošina lielisku izturību pret neitrāliem sāļiem un nekatalizē tiosulfāta sadalīšanos. Tomēr karsts koncentrēts tiosulfāts ir termiski nestabils un sadalās paaugstinātā temperatūrā: Na2S2O3 + siltums → Na2SO₃ + S (koloidālais sērs). Sadalīšanos paātrina karstums, zems pH līmenis un noteiktas katalītiskās virsmas. Izveidotais sērs izgulsnējas kā gaiši dzeltenas, koloidālas nogulsnes uz kvarca virsmas. Šī sēra nogulsne ir termiski izolējoša, radot karstos punktus, kas paātrina turpmāku sadalīšanos. Turklāt, ja šķīdums kļūst skābs (no CO₂ absorbcijas vai no tiosulfāta sadalīšanās līdz politionātiem), sadalīšanās ātrums ievērojami palielinās un var izdalīties sērūdeņraža (H2S) gāze, kas augstā temperatūrā var uzbrukt kvarcam. Šī analīze nosaka, kā nātrija tiosulfāta koncentrācija (10–30%), temperatūra (60–80 grādi) un šķīduma pH ietekmē sēra nogulsnēšanās ātrumu uz kausēta silīcija dioksīda un pamatā esošo kvarca koroziju. Tiek iegūts nepieciešamais kvarca apvalka sieniņu biezums, lai sasniegtu praktiskus apkopes intervālus (2000–8000 stundas) fotogrāfiskajos un zelta izskalošanās sildītājos.
Sēra nogulsnēšanās kinētika uz kvarca virsmām
Kvarca noārdīšanās nātrija tiosulfāta šķīdumos galvenokārt nav ķīmiska korozija, bet gan sēra nogulšņu veidošanās. Tiosulfāta sadalīšanās notiek pēc pirmās-kārtas kinētikas attiecībā uz tiosulfāta koncentrāciju un palielinās eksponenciāli līdz ar temperatūru. Sadalīšanās aktivācijas enerģija ir aptuveni 80–100 kJ/mol. Pie 70 grādiem 20% nātrija tiosulfāta pusperiods pie neitrāla pH ir aptuveni 500–1000 stundas. Pie 80 grādiem pussabrukšanas{14}}periods samazinās līdz 150–300 stundām. Pie 60 grādiem tas palielinās līdz 2000–4000 stundām. Izveidotajam koloidālajam sēram ir spēcīga tendence pielipt pie sakarsētām virsmām, ieskaitot kvarca apvalkus.
Kausēta kvarca iegremdēšanas pārbaude 20% nātrija tiosulfātā pie 70 grādiem, pH 7, parāda sēra nogulšņu pieauguma ātrumu 0,01–0,05 mm ekvivalenta biezuma nedēļā. Sākotnēji nogulsnes ir mīkstas un dzeltenas, bet laika gaitā var sacietēt. Depozīts ir siltumizolējošs; 0,1 mm biezs slānis var samazināt siltuma pārnesi par 10–20%. Kad nogulsnes sabiezē, zem tā esošais kvarcs kļūst karstāks, paātrinot vietējo sadalīšanos. Smagos gadījumos sēra nogulsnes var izkausēt (sērs kūst 115 grādu temperatūrā) un plūst, radot nevienmērīgus karstos punktus. Pamatā esošā kvarca virsma neuzrāda izmērāmu ķīmisku koroziju pie neitrāla pH. Tomēr, ja šķīduma pH pazeminās zem 5 (piemēram, no atmosfēras CO₂ absorbcijas vai no tiosulfāta sadalīšanās līdz politionskābēm), tiosulfāta sadalīšanās strauji paātrinās, un skābie apstākļi var lēnām uzbrukt kvarcam (0,0001–0,0005 mm/stundā).
Meniska zona ir vieta, kur sēra nogulsnēšanās ir vissmagākā. Iztvaikošana koncentrē tiosulfātu, paātrinot sadalīšanos. Pie šķidruma līnijas bieži veidojas dzeltena vai balta garoza. Pastāvīga šķidruma līmeņa uzturēšana un tvaika vairoga lietošana novērš meniska garozas veidošanos.
Kā sienas biezums maina kalpošanas laiku tiosulfāta sildītājos
Tā kā atteices mehānisms ir nogulšņu{0}}izraisīts termiskais spriegums, nevis sieniņu retināšana, kvarca sieniņu biezuma palielināšana nenovērš sēra nogulsnēšanos. Tomēr biezāka siena nodrošina lielāku izturību pret termisko šoku, ja veidojas karstie punkti. Vannām ar ātru sēra nogulsnēšanos (augsta temperatūra, zems pH līmenis) ieteicama biezāka siena (2,5–3,0 mm), lai nodrošinātu drošības rezervi pret plaisāšanu. Vannām ar labu pH kontroli un zemāku temperatūru (60–65 grādi) ir piemērotas standarta 1,5–2,0 mm sienas. Regulāra kvarca virsmas tīrīšana ar atšķaidītu amonjaka vai nātrija sulfīta šķīdumu izšķīdina sēra nogulsnes. Iknedēļas vai ikmēneša tīrīšanas cikls var pagarināt sildītāja kalpošanas laiku uz nenoteiktu laiku, neatkarīgi no sienas biezuma.
Biezāku sienu termiskais sods tiosulfāta šķīdumos
Nātrija tiosulfāta šķīdumiem 20% koncentrācijā un 70 grādu siltumvadītspēja ir aptuveni 0,50–0,55 W/(m·K)-nedaudz zemāka nekā ūdens. 1,5 mm sienai R_cond=0.00109; 3,0 mm sienai, R_kond.=0.00217. Ar h=800 W/(m²·K), R_robeža=0.00125. U samazinās no 427 līdz 292 W/(m²·K), kas ir samazinājums par 32%. Energoefektivitātes nolūkos priekšroka tiek dota plānām sienām, taču, veidojot nogulsnes, var būt nepieciešamas biezākas sienas, lai nodrošinātu mehānisko izturību.
Scenārijs-Pamatota atlases matrica kvarca apvalka sieniņu biezumam karstā nātrija tiosulfāta servisā
| Lietojumprogrammas scenārijs un darbības parametri | Ieteicamais sienas biezums | Pamata pamatojums ar kvantitatīvu{0}}atlaidi |
|---|---|---|
| Fotofiksācija (20% Na₂S₂O3, 70 grādi, nepārtraukta, pH 7, iknedēļas tīrīšana) | 2,0–2,5 mm, standarta klase, liesmas-pulēts | Sēra nogulsnēšanās mērena. Biezāka siena iztur termisko spriegumu no nogulšņu karstajiem punktiem. Liesmas-pulējums samazina saķeri. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Zelta izskalošana (10% Na2S₂O3, 65 grādi, pH 8, nepārtraukta, ikmēneša tīrīšana) | 2,0 mm, kā-nozīmēts | Zemāka temperatūra palēnina sadalīšanos. Plāna siena energoefektivitātei. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Augstas-temperatūras tiosulfāts (80 grādi, jebkurš) | 2,5 – 3,0 mm, ar tvaika vairogu | Ātra sadalīšanās. Nepieciešama bieža tīrīšana. Tvaika vairogs samazina meniska nogulsnes. |
| Skābs tiosulfāts (pH<5, any temperature) | Nav kvarca – izmantojiet PTFE | Skābe paātrina sadalīšanos un uzbrūk kvarcam. Nepieciešams alternatīvs apvalks. |
Papildu dizaina modifikācijas:Saglabājot neitrālu vai viegli sārmainu pH (7–8), tiek samazināta sadalīšanās. Sulfīta stabilizatoru (Na2SO3) pievienošana kavē tiosulfāta sadalīšanos. Slāpekļa izsmidzināšana noņem skābekli un CO₂. Periodiska tīrīšana ar 5% amonjaku vai nātrija sulfītu izšķīdina sēra nogulsnes. Pulēta virsma samazina nogulšņu saķeri.
