एसिडिक हाइड्रोलिसिस-फेरिक सल्फेट समाधान में क्वार्ट्ज का प्रेरित क्षरण
फेरिक सल्फेट (Fe₂(SO₄)₃) का व्यापक रूप से धातु अचार (स्टेनलेस स्टील और तांबा), जल उपचार (फॉस्फेट हटाने के लिए कौयगुलांट), और मुद्रित सर्किट बोर्ड निर्माण में एक नक़्क़ाशी के रूप में उपयोग किया जाता है। विशिष्ट औद्योगिक सांद्रता वजन के हिसाब से 10-20% Fe₂(SO₄)₃ तक होती है, अचार बनाने वाले टैंकों और जमावट रिएक्टरों में ऑपरेटिंग तापमान 60-90 डिग्री के साथ होता है। फेरिक आयन के व्यापक हाइड्रोलिसिस के कारण समाधान अत्यधिक अम्लीय है: Fe³⁺ + H₂O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; और आगे Fe(OH)₃ तक। शुद्ध प्रभाव 10-20% Fe₂(SO₄)₃ पर 0.05-0.2 M H₂SO₄ के बराबर एक मुक्त सल्फ्यूरिक एसिड सांद्रता है। क्वार्ट्ज विसर्जन हीटर का उपयोग अक्सर फेरिक सल्फेट सेवा में किया जाता है क्योंकि फ़्यूज्ड सिलिका पतला सल्फ्यूरिक एसिड के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध प्रदान करता है। हालाँकि, फेरिक सल्फेट एक दोहरी गिरावट तंत्र प्रस्तुत करता है: उत्पन्न H₂SO₄ से एक समान एसिड संक्षारण और फेरिक हाइड्रॉक्साइड (Fe(OH)₃) वर्षा से जमा गठन। जमा हुआ फेरिक हाइड्रॉक्साइड थर्मल रूप से इन्सुलेट करता है और गर्म स्थान बना सकता है। इसके अतिरिक्त, फेरिक आयन एक ऑक्सीडाइज़र है (FeCl₃ की तरह लेकिन कम आक्रामक), लेकिन सल्फेट आयन क्वार्ट्ज पर हमला नहीं करता है। यह विश्लेषण मात्रा निर्धारित करता है कि Fe₂(SO₄)₃ सांद्रता (10-20%), तापमान (60-90 डिग्री), और समाधान अम्लता फ़्यूज्ड सिलिका पर समान संक्षारण और जमा गठन को कैसे प्रभावित करते हैं।
हॉट फेरिक सल्फेट समाधान में फ़्यूज्ड सिलिका का संक्षारण कैनेटीक्स
फेरिक सल्फेट में क्वार्ट्ज का क्षरण फेरिक हाइड्रोलिसिस से उत्पन्न मुक्त सल्फ्यूरिक एसिड द्वारा संचालित होता है। 15% Fe₂(SO₄)₃ (लगभग 0.25 M Fe³⁺) में 80 डिग्री पर, मुक्त H₂SO₄ सांद्रता लगभग 0.1–0.15 M (pH 0.8–1.0) है। इस अम्लता पर, क्वार्ट्ज की एकसमान संक्षारण दर 0.0003–0.0006 मिमी/घंटा है। 90 डिग्री पर, दर बढ़कर 0.0006–0.001 मिमी/घंटा हो जाती है। 60 डिग्री पर, दर 0.0001-0.0002 मिमी/घंटा है। तुलना के लिए, 80 डिग्री पर 0.1 एम एच₂SO₄ क्वार्ट्ज को 0.0002-0.0004 मिमी/घंटा पर संक्षारित करता है। फेरिक आयन मुक्त एसिड के प्रभाव से परे हमले को महत्वपूर्ण रूप से तेज नहीं करता है। 80 डिग्री पर, 2.0 मिमी क्वार्ट्ज म्यान 0.0005 मिमी/घंटा × 4,000 घंटे=2.0 मिमी खो देगा, जिससे लगभग 4,000 घंटे (5.5 महीने) का जीवन मिलेगा। 2.5 मिमी की दीवार 5,000 घंटे प्रदान करती है; 3.0 मिमी की दीवार 6,000 घंटे प्रदान करती है। ये जीवनकाल त्रैमासिक से अर्धवार्षिक रखरखाव के साथ निरंतर औद्योगिक सेवा के लिए व्यावहारिक हैं।
फेरिक हाइड्रॉक्साइड से निक्षेप निर्माण
हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया जो मुक्त एसिड उत्पन्न करती है वह फेरिक हाइड्रॉक्साइड भी उत्पन्न करती है, विशेष रूप से क्वार्ट्ज सतह के पास जहां तापमान सबसे अधिक होता है: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺। Fe(OH)₃ एक जिलेटिनस, भूरे रंग का लाल अवक्षेप है जो क्वार्ट्ज सतह से चिपक जाता है। यह जमा थर्मल रूप से इन्सुलेटिंग है; 0.1 मिमी परत गर्मी हस्तांतरण को 10-15% तक कम कर सकती है। जैसे-जैसे जमा गाढ़ा होता जाता है, नीचे का क्वार्ट्ज गर्म होता जाता है, जिससे हाइड्रोलिसिस और किसी भी अंतर्निहित एसिड क्षरण दोनों में तेजी आती है। गंभीर मामलों में, जमा राशि छोटे क्वार्ट्ज टुकड़ों को लेकर फैल सकती है। जमाव सतह को इन्सुलेट करके दीवार की प्रभावी मोटाई को भी कम कर देता है। तनु सल्फ्यूरिक एसिड (5-10%) के साथ नियमित सफाई से क्वार्ट्ज पर हमला किए बिना फेरिक हाइड्रॉक्साइड जमा घुल जाता है।
दीवार की मोटाई सेवा जीवन को कैसे संशोधित करती है
एक समान एसिड संक्षारण के लिए, जीवन दीवार की मोटाई के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है। 80 डिग्री पर, 2.0 मिमी की दीवार 4,000 घंटे प्रदान करती है; 3.0 मिमी की दीवार 6,000 घंटे प्रदान करती है। जमाव प्रेरित थर्मल तनाव के लिए, मोटी दीवारें दरार के प्रति अधिक प्रतिरोध प्रदान करती हैं लेकिन जमाव के गठन को नहीं रोकती हैं। महत्वपूर्ण फेरिक हाइड्रॉक्साइड वर्षा वाले स्नान के लिए 2.5-3.0 मिमी की दीवार की सिफारिश की जाती है।
मोटी दीवारों पर थर्मल जुर्माना
15% और 80 डिग्री पर फेरिक सल्फेट समाधान में लगभग 0.55–0.60 W/(m·K) की तापीय चालकता होती है। 1.5 मिमी की दीवार के लिए, R_cond=0.00109; 3.0 मिमी की दीवार के लिए, R_cond=0.00217. h=800 W/(m²·K) के साथ, U 427 से घटकर 292 W/(m²·K) हो जाता है, जो कि 32% की कमी है।
परिदृश्य-आधारित चयन मैट्रिक्स
| अनुप्रयोग परिदृश्य और संचालन पैरामीटर | अनुशंसित दीवार की मोटाई | मूल तर्क |
|---|---|---|
| धातु का अचार बनाना (15% Fe₂(SO₄)₃, 80 डिग्री, निरंतर, साप्ताहिक सफाई) | 2.0 - 2.5 मिमी, मानक ग्रेड, लौ -पॉलिश | समान संक्षारण दर ~0.0005 मिमी/घंटा। मोटी दीवार जमा थर्मल तनाव के खिलाफ सुरक्षा मार्जिन प्रदान करती है। यू ≈ 380 डब्लू/(एम²·के)। |
| जल उपचार कौयगुलांट (10% Fe₂(SO₄)₃, 70 डिग्री, रुक-रुक कर) | 2.0 मिमी, जैसा कि खींचा गया है | कम तापमान और रुक-रुक कर उपयोग। स्वीकार्य. यू ≈ 420 डब्ल्यू/(एम²·के)। |
| उच्च -तापमान अचार बनाना (90 डिग्री, 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2.5 – 3.0 मिमी | उच्च संक्षारण दर. मोटी दीवार जीवन का विस्तार करती है। |
पूरक डिज़ाइन संशोधन:कम घोल पीएच बनाए रखना (मुक्त H₂SO₄ जोड़ना) फेरिक हाइड्रोलिसिस और जमा गठन को दबा देता है। अच्छा आंदोलन कणों को जमने से रोकता है। 10% H₂SO₄ के साथ आवधिक सफाई Fe(OH)₃ जमा को घोल देती है। पॉलिश की गई सतह जमा आसंजन को कम कर देती है।
