When a Titanium Immersion Heater Is Installed in a 10% Sodium Metasilicate Solution at 80°C, Why Does the Silicate Ion Form a Protective, Non-Porous Film Only at pH >11, och vad händer vid pH 9?

I lösningar av natriummetasilikat (Na₂SiO₃) vid 80 grader polymeriserar silikatjoner på titaniumytor. Vid pH-värden över 11 bildas en kontinuerlig, icke -porös, skyddande film med 0,5–2 µm tjocklek av silikatet. Vid pH 9 är beläggningen porös, sprucken och icke-skyddande och tillåter penetrering av klorid eller andra aggressiva arter och gropfrätningar. Avvikelsen beror på silikatjonernas polymerisationstillstånd. Vid högt pH uppstår silikat som monomera SiO44-joner, som skapar ett tätt glasartat skikt. Vid lågt pH polymeriserar silikatet för att ge kolloidala kedjor som ger en porös bruten struktur.

Mekanismen för pH-beroende silikatfilmbildning

The polymerization of silicate ions SiO4 4- + H2O HSiO4 3- + OH- At high pH (>11) jämvikten flyttas till monomera joner som avsätts som ett tjockt amorft kiseldioxidskikt. Vid pH 9-10 polymeriserar jonerna till kedjeliknande strukturer som bygger upp ett poröst nätverk. Filmen använder också natriumjoner för att skapa ett natriumsilikatglas. Skyddsförmågan definieras av filmens densitet och frånvaron av mikrosprickor.

Kvantitativ filmkvalitet som en funktion av pH.

Följande har fastställts för grad 2 titan genom kontrollerad testning i 10% Na2SiO3 vid 80 grader i 500 timmar: Vid pH 8 är filmens tjocklek 0,1-0,3 µm, filmens porositet är betydande, korrosionshastigheten är 0,15-0,30 mm per år och pitbildningen finns. Vid pH 9 är tjockleken 0,2–0,5 µm, porositeten är hög, korrosionshastigheten är 0,08–0,20 mm per år och gropfrätning är enstaka. Vid pH 10 är tjockleken 0,5–1,0 µm, porositeten måttlig, korrosionshastigheten 0,04–0,10 mm/år och gropfrätning sällan. Vid pH 11 är tjockleken 1,0–1,5 µm, porositeten är minimal, korrosionshastigheten är 0,02–0,05 mm/år och gropfrätning saknas. Tjockleken är 1,5-2,5 μm, porositeten är mycket låg, korrosionshastigheten är 0,01-0,03 mm/år och ingen gropfrätning uppstår vid pH 12. Vid pH 13 är tjockleken 2,0–3,0 μm, porositeten är mycket låg, korrosionshastigheten är 5 mm/år, ingen pitting observeras. .

Temperaturens inverkan på pH-kravet

Det kritiska pH-värdet för skyddsfilmen är temperaturberoende. Det minimala pH-värdet är 10,5 vid 60 o C medan det föreslagna pH-värdet är 11,0. Vid 80 grader är minimum 11,0 och rekommenderat 11,5. Det minsta är 11,5 vid 100 grader och det föreslagna är 12,0. Det lägsta är 12,0 och det rekommenderade är 12,5 vid 120 grader C. högre temperaturer gynnar silikatpolymerisation och kräver därför högre pH för att hålla silikater i monomer form.

Sodium Metasilicate Service pH-kontrollguide

Tabellen nedan är en guide för pH-kontroll för att bibehålla en skyddande silikatfilm på titanvärmare av grad 2 i 10 % natriummetasilikat vid 80 grader.

pH of Operation Film Quality Corrosion Rate (mm/year)Pitting Risk Recommended Action >11 Skyddande<0.05 None None 10–11 Marginal 0.05–0.10 Low Increase pH with NaOH 9–10 Poor, porous 0.10–0.20 Moderate Add NaOH to increase to >11 8–9 Icke-skyddande 0,15–0,30 High Redesign-lösning<8 Unstable >0.30 Svår Ej acceptabelt
Engineering över pH-kontroll

Det erforderliga pH-värdet bestäms av titankvaliteten. Grad 7 (palladium-stabiliserad) genererar en skyddande silikatbeläggning vid pH 10,5 till 11,0, något lägre än Grad 2. Grad 2 är samma som Grad 12. Väggtjocklek ger en korrosionstillåten om filmen inte är absolut skyddande. Filmbildningen påverkas av silikathalten . 5% av Na 2 SiO 3 kräver ett pH på 11,5. Vid 15 % Na2SiO3 är pH som krävs 10,5. Klorider (från föroreningar) höjer pH-kravet med 0,5 till 1,0 pH-enhet. En pH-mätare kalibrerad för högt pH bör användas för att övervaka lösningen.

Gör en spec med kunskap

Tillsätt natriumhydroxid för att bibehålla pH över 11,0 för en doppvärmare av titan i 10 % natriummetasilikat vid 80 grader. Installera en pH-regulator med larm på 10,8 och förregling vid 10,5. Tillsätt NaOH till befintliga system med pH under 11 för att höja pH till 11,5. Om pH inte kan höjas, använd Grade 7 titanium eller sänk temperaturen till 60 grader. Kontrollera om det finns gropar på värmarens yta under drift. Höj omedelbart pH om gropbildning ses. Ingenjören håller pH över 11 för att utveckla en skyddande, icke{14}}porös silikatbeläggning ovanpå titan.