Kāpēc dzelzs jonu (Fe³⁺) klātbūtne 30% HCl paātrina PFA caurlaidību par koeficientu 2–3 pie 100 grādiem?

Rūpnieciskajā sālsskābes servisā (piemēram, kodināšanas līnijas, minerālu apstrāde, ķīmiskā tīrīšana) izšķīdušie dzelzs joni (Fe³⁺) uzkrājas kā dzelzs hlorīds. Fe3+ paātrina PFA uzsūkšanos 2–3 reizes, salīdzinot ar tīru HCl tādā pašā koncentrācijā un temperatūrā. Mehānisms ir katalītisks, kurā Fe3+ sugas iekļūst PFA amorfajās daļās un reaģē ar nelielu mitruma daudzumu, veidojot FeCl3·6H2O. Šim mitrajam sālim ir lielāks molekulārais tilpums nekā sausajam PFA, kā rezultātā rodas lokalizēts pietūkums un mikro tukšumi. Mikrotukšumi veido zemas pretestības kanālus HCl un ūdens difūzijai. Fe3+ arī katalizē PFA ķēdes galu oksidatīvo sadalīšanos, palielinot brīvo tilpumu. Laiks līdz kodola korozijai tika samazināts no 8000-10000 stundām līdz 3000-5000 stundām 30% HCl 100 grādu temperatūrā ar 2 mm PFA sienu, kas satur 500 ppm Fe3+. Kritiskiem lietojumiem saglabājiet Fe 3+ sienas biezumu < 50 līdz 3 mm vai palieliniet.

Dzelzs jonu paātrinātas caurlaidības mehānisms
HCl iekļūšana caur PFA notiek pēc šķīduma -difūzijas modeļa P=SD, kur S apzīmē šķīdību un D difūzijas koeficientu. Tīrā HCl D nosaka pēc polimēra brīvā tilpuma. Fe3+ joni (rādiuss 0,06 nm, hidratētais rādiuss 0,43 nm) ir pārāk lieli difūzijai caur neskartu PFA. Tomēr Fe3+ šķīdumā pastāv kā kompleksi ar FeCl4-, kas ir neitrāli un kuriem ir zema šķīdība fluorpolimēros. Šie kompleksi difundē uz PFA virsmu un hidrolizējas līdz Fe(OH)3 un izgulsnējas kā nano-daļiņas (5-20 nm). Nokrišņu mehāniskais spriegums izraisa mikrotukšumus. Mikrotukšumu veidošanās uzlabo efektīvo difūzijas koeficientu, jo HCl var izkliedēties caur tukšumu tīklu (gāzes fāzes difūzija), nevis caur polimēra matricu. Šī caurlaidība ar tukšumu ir 10–100 X ātrāka nekā matricas difūzija.

Katalītiskā darbība ir atkarīga no koncentrācijas. Fe 3+ šķīst tikai 1000–2000 ppm 100 grādu temperatūrā (kā FeCl 3 ) pie 30% HCl. Caurlaidības paātrinājuma koeficients (AF) ir AF=1 + 0.003 × [Fe 3+ ] (ppm) (līdz 1000 ppm). 500 ppm Fe 3+ AF=2.5× . 1000 ppm Fe 3+ AF=4 × FeCl₃ kristāli var nogulsnēties uz PFA virsmas koncentrācijās, kas pārsniedz 1500 ppm, fiziski kaitējot apvalkam.

Caurlaidības dati: Fe3+ pret tīru HCl-piesārņotu HCl (100 grādi, 2 mm PFA siena)
Fe3+ Koncentrācija (ppm) Pastāvīga-Stāvokļa caurlaidības ātrums (g/m2.dienā) Laiks līdz 1,0 mm Sienas retināšana (stundas) Laiks līdz kodola korozijai (stundās) Paātrinājuma koeficients (salīdzinājumā ar tīru) Virsmas stāvoklis
0 (tīrs) 0,8–1.2 12,000–15,000 8,000–10,000 1.0× Gluda, caurspīdīga 50 1.0–1.5 10,000–12,000 6,000–8,000 1.2–1,4× Neliela dūmaka
100 1.3-1.8 8,000-10,000 5,000-7,000 1.5-1.8x Migla, pēdas nosēdumi 250 1.8-2.5 5,000-7,000 3,500-5,000 2.0-2.5x Redzams balts nogulsnējums 500 2.5-3.5 3,500-5,000 2,{{01}br/3} 1,000 4.0-6.0 2,000-3,000 1,500-2,000 4.0-5.0x kristāliskais nogulsnējums 2000 (piesātināts) 6.0-10.0 1,000-1,500 800-1,200 6.0-10.0x spēcīga mērogošana, plaisāšana
Rūpnieciskie Fe 3+ avoti HCl
Dzelzs joni nonāk HCl plūsmās no:

Tērauda kodināšanas dzelzs oksīda skala (parasti 200–1000 ppm Fe3+)

Augšējā oglekļa tērauda tvertņu vai cauruļvadu korozija

Katalītiskie procesi (FeCl3 katalizators hlorēšanā)

Reģenerēta skābe (piesārņota neapstrādāta HCl)

Fe³+ ir neizbēgams kodināšanas līnijās. Koncentrācija palielinās līdz ar vannas vecumu. Svaiga vanna var būt 0-50 ppm. Izlietotā vannā var sasniegt 2000–5000 ppm Fe3+. PFA sildītājiem lietotās kodināšanas vannās ir ievērojami īsāks kalpošanas laiks nekā svaigā skābē.

Seku mazināšanas alternatīvas
Lai samazinātu Fe{0}} paātrināto caurlaidību:

Nogulsnējiet Fe3+ un filtrējiet Pievienojiet izgulsnēšanas līdzekli (piemēram, skābeņskābi vai fosfātu), lai Fe3+ pārvērstu par nešķīstošu FePO4 vai Fe2(C2O4)3. Filtrējiet pirms sildītāja. Fe3+ ir samazināts no 1000 ppm līdz 50–100 ppm.

Izmantojiet upura dzelzs apmaiņas ierīci. Pārlaidiet skābi virs jonu -apmaiņas sveķu (stipra skābes katjona) slāņa, lai noņemtu Fe3+. Sveķiem ir jābūt saderīgiem ar HCl.

Palieliniet PFA sienas biezumu: 3 mm sienai ar vienādu Fe3+ koncentrāciju ir dubults kalpošanas laiks. 2 mm siena ilgst 2500–3500 stundas ar 500 ppm Fe3+. 3 mm siena kalpo 5000–7000 stundas.

Samaziniet darba temperatūru: ja temperatūra tiek samazināta no 100 grādiem līdz 80 grādiem, difūzija tiek samazināta divas reizes. Samazinās arī AF no Fe 3+ (zemākā temperatūrā veidojas maz mikrotukšumu).

Izmantojiet PFA starpliku ar Fe³⁺ barjerpārklājumu. Plāns (0,1 mm) amorfā oglekļa vai dimantam līdzīga oglekļa (DLC) slānis novērš Fe³⁺ difūziju. Pieejams no specializētiem ražotājiem.

Bojājumu noteikšana, izmantojot Fe³⁺ trigeri
Pārbaudiet PFA apvalku:

- Virsmas nogulsnes, baltas vai dzeltenbrūnas (FeCl₃ hidrolīzes produkti)

Virsmas raupjums (mikroveidi redzami 50x palielinājumā)

Increased water absorption (weigh dry sample before and after immersion; weight rise >0,2% parāda mikrotukumu)

IR spektroskopija - Signāls pie 1040 cm-1 liecina par Fe-O saiti virsmas nogulsnēs.

Ja ir Fe³⁺ nogulsnes, sildītājs jau ir bojāts. Ieteicams to nomainīt.

Lauka lieta
Tērauda kodināšanas līnija tika darbināta 100 grādu temperatūrā ar 30% HCl un 600–800 ppm Fe3+. PFA sildītājiem (standarta marka, 2 mm siena) darbojās 2000–3000 stundas (3–4 mēnešus). Rūpnīcā tika uzcelta kristalizācijas tvertne, kas atdzesēja skābi līdz 20 grādiem augšpus Fe3+, kas pazemināta līdz 80–120 ppm, lai noņemtu FeCl3.6H2O kristālus. Sildītāja kalpošanas laiks ir pagarināts līdz 7000–9000 stundām (10–12 mēneši), kas ir 3 reizes ilgāks. Kristalizators (20 000 USD) tika atmaksāts 8 mēnešos, samazinot sildītāja nomaiņu un dīkstāves laiku.

Secinājums Fe{0}} palielina PFA caurlaidību par 2–3 reizēm pie 500 ppm
30% HCl 100 grādu temperatūrā dzelzs joni (Fe³⁺) palielina PFA caurlaidību par 2–3 × pie 500 ppm un līdz 10 × pie 2000 ppm. Fe 3+ sugas iekļūst PFA, izgulsnējas kā hidrāti, veido mikrotukšumus un nodrošina zemas pretestības difūzijas kanālus HCl un ūdenim. Norādiet biezāku rūpniecisko HCl pakalpojumu ar Fe3+ > 100 ppm PFA sienām (3 mm) vai uzstādiet atdzelžošanas sistēmu (kristalizācija, filtrēšana, jonu apmaiņa). Pārbaudiet Fe³+ katru nedēļu. Fe³⁺ > 500 ppm: aptuvenais sildītāja kalpošanas laiks ir 2000–4000 stundas neatkarīgi no citiem faktoriem. Tīra skābe nav vardarbīga, skābe ar dzelzi ir. Kontrolējiet dzelzi, kontrolējiet caurlaidību, pagariniet mūžu. Sildītājs nevar atšķirt atšķirību, un gludeklis paātrina kļūmi. Atbrīvojieties no tā vai iegūstiet mazāk dzīves. Tā ir ekonomiska iespēja. Aprēķiniet, pēc tam nosakiet.