Mengapakah Kadar Penyerapan Hidrogen Pemanas Rendaman Titanium Meningkat Secara Ddrastik Apabila Potensi Perlindungan Katodik Melebihi –0.7V lwn Ag/AgCl?

Titanium terkenal agresif terhadap asid sulfurik pada suhu tinggi. Hanya titanium gred 2 dibenarkan di bawah sekitar 10% H2SO4 pada 80 darjah atau di bawah 50% H2SO4 pada suhu ambien. Asid sulfurik cair dengan pantas menyerang secara seragam atau mencipta pitting pada suhu melebihi 80 darjah . Walau bagaimanapun, banyak aliran perindustrian asid sulfurik mengandungi ion logam terlarut yang diperoleh daripada aktiviti larut lesap hulu, penjerukan atau elektrowinning. Ion kuprum (Cu²⁺) sering ditemui dalam proses penyusutan papan litar hidrometalurgi dan bercetak. Ion kuprum mempunyai pengaruh yang ketara terhadap kelakuan kakisan titanium dalam asid sulfurik panas. Proses kerosakan berubah daripada penipisan seragam kepada serangan yang sangat disasarkan. Mengetahui perubahan ini adalah kunci untuk menganggarkan hayat pemanas dan mencegah penembusan yang tidak dijangka.

Mekanisme Pengubahsuaian Ion Kuprum Kakisan Titanium

Titanium mengalami pembubaran aktif dalam asid sulfurik tulen: Ti → Ti⁴⁺ + 4e⁻, proses katodik ialah evolusi hidrogen. Kadar kakisan dikawal oleh kadar evolusi hidrogen pada permukaan titanium. Dengan kehadiran ion kuprum, satu lagi tindak balas katodik mungkin: Cu 2+ + 2e- > Cu 0 (plat logam kuprum keluar pada permukaan titanium). Tindak balas pemendapan kuprum mempunyai ketumpatan arus pertukaran yang jauh lebih besar daripada proses evolusi hidrogen dan dengan itu meningkatkan kadar tindak balas katodik. Dalam kes ini terdapat pasangan galvanik antara kuprum termendap (katod) dan titanium terdedah (anod). Sel-sel galvanik setempat terbentuk di pulau-pulau kuprum dan pembubaran anodik titanium yang cepat berlaku di sekitar mendapan kuprum. Morfologi kakisan berkembang daripada kekasaran seragam permukaan kepada terowong sempit dalam mengelilingi setiap zarah kuprum.

Perubahan Kuantitatif dalam Kadar Kakisan dan Morfologi

Ujian rendaman terkawal dalam 15% H₂SO₄ pada 85 darjah telah menunjukkan hubungan berikut untuk titanium gred 2:

Asid sulfurik tulen (tiada kuprum): Seragam kadar kakisan, 0.8 mm/thn Permukaan menunjukkan kekasaran yang meluas dengan maks. kedalaman lubang kira-kira bersamaan dengan penembusan purata. Sesuai untuk kegunaan jangka pendek-dengan tiub berdinding-tebal.

Penambahan kuprum 10 ppm: Kadar kakisan 1.5 mm/th, walaupun serangan setempat. Kedalaman lubang adalah sehingga 2.0 mm manakala penipisan biasa adalah kurang daripada 0.5 mm. Penembusan berlaku melalui lubang; majoriti tiub mengekalkan ketebalan dinding asal.

Bahan tambahan kuprum 50 ppm: kadar kakisan purata 2.5 mm/tahun Kedalaman lubang maksimum 4.0 mm. Bintik-bintik coklat-kemerahan pada permukaan titanium ialah mendapan kuprum. Lubang menembusi 4-6 bulan dengan ketebalan dinding 1.0 mm.

Penambahan kuprum 200 ppm: Kadar kakisan purata 4.0 mm/tahun. Kedalaman lubang maksimum lebih daripada 6.0 mm. Serangan pantas kimpalan dan rekahan. Penembusan setempat membawa kepada kegagalan tiub manakala 70–80% permukaan secara perbandingan tidak rosak.

Penambahan kuprum melebihi 500 ppm Penyaduran kuprum pantas membentuk lapisan kuprum yang berterusan pada titanium. Titanium di bawahnya didapati mengikis secara seragam antara muka-titanium kuprum, mengakibatkan kehilangan lekatan dan pengelupasan kuprum. Plat kuprum dan titanium larut, banyak lapisan, dalam proses kitaran.

Morfologi Kakisan bergantung kepada Kepekatan Kuprum

Jadual berikut memberikan klasifikasi morfologi kakisan dan nasihat reka bentuk untuk pemanas titanium dalam kuprum-asid sulfurik tercemar.

Kepekatan Ion Kuprum (ppm) dalam Morfologi Hakisan Dominan H2SO4Kadar Penembusan Berkesan (mm/tahun pada 85 darjah , 15% H2SO4) Respon Reka Bentuk Yang Disyorkan
0-5 (latar belakang)Penipisan seragam 0.6-0.9Gred 2 dengan toleransi untuk ketebalan dinding (min. 1.5 mm ketebalan)
5–30 Pitting setempat dengan pulau tembaga terpencil 1.5-2.5 Tingkatkan ketebalan dinding kepada 2.0 mm. Semak setiap tahun untuk mengadu.
30–100 Parit dalam di sekitar mendapan tembaga 3.0–5.0 (disetempatkan) Pertimbangkan titanium Gred 7. - Lakukan pengukuran kedalaman lubang setiap suku tahun.
100–500 Accelerated galvanic couple corrosion 4.0–8.0 (severe localization) Grade 7. Reduce operating temperature to max 75°C.500 Cyclic copper plating with titanium dissolution >10.0 Gunakan pemanas bergaris zirkonium atau Teflon-bukan titanium.
Interaksi Suhu dan Kepekatan Asid

Effect of copper ion is increased with temperature and sulfuric acid concentration. At 80°C 50 ppm copper doubles the corrosion rate of the pure acid. At 95 °C the same copper concentration increases the corrosion rate by 5–6 times compared with pure acid at the same temperature. High quantities of sulfuric acid (>30%) mengurangkan keterlarutan kuprum sulfat, membawa kepada pemendakan kuprum secara langsung pada permukaan titanium dan bukannya sebagai ion terlarut. Pencemaran kuprum membawa kepada kegagalan cepat dan bencana dalam beberapa minggu dalam asid pekat (60–80% H2SO4). Sebaliknya, pada suhu di bawah 60 darjah, tindak balas pemendapan kuprum adalah terhad secara kinetik malah 500 ppm kuprum menyebabkan pecutan kakisan yang boleh diabaikan.

Menulis Spesifikasi yang Dimaklumkan Dengan Baik

If you specify a titanium heater for use with sulfuric acid, you must request a thorough study of the dissolved metal ions, not just acid concentration and temperature. Where copper levels are in excess of 30 ppm state Grade 7 titanium (palladium stabilized). The inclusion of palladium raises the titanium surface potential, making it more noble and reducing the driving force for copper deposition. Grade 7 at 50 ppm copper at 85°C corrodes at around 0.6 mm per year with just moderate pitting. This is similar to Grade 2 in pure acid. For copper concentrations >200 ppm, bahan pemanas alternatif (cth, zirkonium, yang tidak membentuk pasangan galvanik dengan kuprum termendap) harus dipertimbangkan. Pantau cecair proses semasa operasi untuk pancang dalam kepekatan kuprum. Tetapi, kenaikan sementara 50 ppm hingga 500 ppm untuk tempoh 24 jam mungkin mencetuskan pitting yang terus merambat selepas paras kuprum kembali normal. Jika kuprum kelihatan pada pemanas, matikan unit dan bilas permukaan tiub dengan asid nitrik cair (5% HNO₃) untuk mengeluarkan kuprum, dan mulakan semula unit. Jurutera membincangkan pengubahsuaian ion kuprum bagi morfologi kakisan untuk mengelakkan tanggapan berbahaya bahawa kepekatan asid sahaja mempengaruhi keserasian titanium.