Trong dịch vụ axit clohydric công nghiệp (ví dụ: dây chuyền tẩy rửa, chế biến quặng, làm sạch bằng hóa chất), các ion sắt hòa tan (Fe³⁺) tích tụ dưới dạng clorua sắt. Fe³⁺ tăng tốc độ thẩm thấu PFA lên 2–3 × so với HCl nguyên chất ở cùng nồng độ và nhiệt độ. Cơ chế này là xúc tác: Các loài Fe³⁺ khuếch tán vào các vùng vô định hình của PFA, nơi chúng phản ứng với hơi ẩm để tạo thành FeCl₃·6H₂O. Muối ngậm nước này có khối lượng phân tử lớn hơn PFA khô, tạo ra các vết sưng tấy và lỗ rỗng nhỏ cục bộ. Các lỗ rỗng vi mô trở thành con đường kháng-thấp đối với sự khuếch tán của HCl và nước. Ngoài ra, Fe³⁺ xúc tác quá trình phân hủy oxy hóa ở đầu chuỗi PFA, làm tăng thể tích tự do. Đối với tường PFA dày 2 mm trong HCl 30% ở 100 độ, sự hiện diện của 500 ppm Fe³⁺ giúp giảm thời gian ăn mòn lõi từ 8.000–10.000 giờ xuống còn 3.000–5.000 giờ. Đối với các ứng dụng quan trọng, giới hạn Fe³⁺ ở mức<50 ppm or increase wall thickness to 3 mm.
Cơ chế thẩm thấu sắt-tăng tốc ion
Sự thẩm thấu PFA của HCl tuân theo mô hình khuếch tán-dung dịch: P=S × D, trong đó S là độ hòa tan và D là hệ số khuếch tán. Trong HCl nguyên chất, D được điều khiển bởi thể tích tự do của polyme. Các ion Fe³⁺ (bán kính 0,06 nm, bán kính ngậm nước 0,43 nm) quá lớn để khuếch tán qua PFA nguyên vẹn. Tuy nhiên, Fe³⁺ trong dung dịch tồn tại dưới dạng phức FeCl₄⁻ trung tính và ít tan trong fluoropolyme. Các phức chất này khuếch tán vào bề mặt PFA, thủy phân thành Fe(OH)₃ và kết tủa dưới dạng hạt nano-(5–20 nm). Lượng mưa tạo ra ứng suất cơ học, hình thành các lỗ rỗng vi mô. Khi các lỗ rỗng vi mô hình thành, hệ số khuếch tán hiệu quả sẽ tăng lên vì HCl có thể di chuyển qua mạng lưới trống (khuếch tán pha khí) thay vì qua ma trận polyme. Sự thẩm thấu được tạo điều kiện thuận lợi cho khoảng trống này nhanh hơn 10–100× so với khuếch tán ma trận.
Hiệu ứng xúc tác phụ thuộc vào nồng độ-. Ở 30% HCl, độ hòa tan của Fe³⁺ bị giới hạn ở mức 1.000–2.000 ppm ở 100 độ (dưới dạng FeCl₃). Hệ số gia tốc thẩm thấu (AF) tuân theo AF=1 + 0.003 × [Fe³⁺] (ppm) lên tới 1.000 ppm. Ở tốc độ 500 trang/phút Fe³⁺, AF=2.5×. Ở tốc độ 1.000 ppm Fe³⁺, AF=4×. Trên 1.500 ppm, các tinh thể FeCl₃ có thể kết tủa trên bề mặt PFA, gây hư hỏng vật lý lớp vỏ.
Dữ liệu thẩm thấu: HCl nguyên chất so với Fe³⁺-HCl bị ô nhiễm (tường PFA 2 mm, 100 độ )
| Nồng độ Fe³⁺ (ppm) | Ổn định-Tỷ lệ thẩm thấu trạng thái (g/m2·ngày) | Thời gian để làm mỏng tường 1,0 mm (giờ) | Thời gian ăn mòn lõi (giờ) | Hệ số tăng tốc (so với thuần túy) | Tình trạng bề mặt |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 (tinh khiết) | 0.8–1.2 | 12,000–15,000 | 8,000–10,000 | 1.0× | Mịn màng, trong suốt |
| 50 | 1.0–1.5 | 10,000–12,000 | 6,000–8,000 | 1.2–1.4× | Sương mù nhẹ |
| 100 | 1.3–1.8 | 8,000–10,000 | 5,000–7,000 | 1.5–1.8× | Khói mù, dấu vết cặn lắng |
| 250 | 1.8–2.5 | 5,000–7,000 | 3,500–5,000 | 2.0–2.5× | Có thể nhìn thấy cặn trắng |
| 500 | 2.5–3.5 | 3,500–5,000 | 2,500–3,500 | 2.5–3.5× | Vết bẩn màu trắng/nâu |
| 1,000 | 4.0–6.0 | 2,000–3,000 | 1,500–2,000 | 4.0–5.0× | tiền gửi tinh thể |
| 2.000 (bão hòa) | 6.0–10.0 | 1,000–1,500 | 800–1,200 | 6.0–10.0× | Đóng cặn nặng, nứt nẻ |
Nguồn công nghiệp của Fe³⁺ trong HCl
Ion sắt đi vào dòng HCl từ:
Hòa tan cặn oxit sắt từ tẩy gỉ thép (điển hình 200–1.000 ppm Fe³⁺)
Ăn mòn bể chứa bằng thép carbon hoặc đường ống ở thượng nguồn
Quá trình xúc tác (chất xúc tác FeCl₃ trong quá trình clo hóa)
HCl thô bị ô nhiễm (axit tái chế)
Đối với dây chuyền muối chua thì Fe³⁺ là điều khó tránh khỏi. Nồng độ tăng lên khi tắm già đi. Tắm mới có thể là 0–50 ppm; bể đã qua sử dụng có thể đạt tới 2.000–5.000 ppm Fe³⁺. Máy sưởi PFA trong bể ngâm đã qua sử dụng hỏng nhanh hơn nhiều so với axit tươi.
Chiến lược giảm thiểu
Để giảm sự thẩm thấu nhanh của Fe³⁺-:
Kết tủa và lọc Fe³⁺: Thêm chất kết tủa (ví dụ: axit oxalic hoặc photphat) để chuyển Fe³⁺ thành FePO₄ hoặc Fe₂(C₂O₄)₃ không hòa tan. Lọc trước lò sưởi. Điều này làm giảm Fe³⁺ từ 1.000 ppm xuống 50–100 ppm.
Sử dụng thiết bị trao đổi sắt hy sinh: Cho axit đi qua lớp nhựa trao đổi ion-(cation axit mạnh) để loại bỏ Fe³⁺. Nhựa phải tương thích với HCl-.
Tăng độ dày thành PFA: Thành 3 mm kéo dài tuổi thọ thêm 2× ở cùng nồng độ Fe³⁺. Đối với 500 ppm Fe³⁺, bức tường 2 mm có tuổi thọ 2.500–3.500 giờ; bức tường dày 3 mm có tuổi thọ từ 5.000–7.000 giờ.
Hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn: Giảm nhiệt độ từ 100 độ xuống 80 độ độ khuếch tán giảm một nửa. AF từ Fe³⁺ cũng giảm (hình thành ít lỗ rỗng vi mô hơn ở nhiệt độ thấp hơn).
Sử dụng lớp lót PFA có lớp phủ rào cản Fe³⁺: Một lớp phủ mỏng (0,1 mm) bằng cacbon vô định hình hoặc kim cương-như cacbon (DLC) chặn sự khuếch tán Fe³⁺. Có sẵn từ các nhà sản xuất đặc biệt.
Phát hiện thiệt hại do Fe³⁺-gây ra
Kiểm tra vỏ bọc PFA xem:
Trầm tích màu trắng hoặc nâutrên bề mặt (sản phẩm thủy phân FeCl₃)
Độ nhám bề mặt(các khoảng trống siêu nhỏ có thể nhìn thấy dưới độ phóng đại 50×)
Tăng khả năng hấp thụ nước (weigh a dry sample before and after immersion; >Tăng cân 0,2% cho thấy việc đi tiểu vi mô)
quang phổ hồng ngoại– đỉnh ở 1.040 cm⁻¹ biểu thị liên kết Fe-O trong trầm tích bề mặt.
Nếu có cặn Fe³⁺ thì lò sưởi đã xuống cấp. Nên thay thế.
Ví dụ trường
Một dây chuyền tẩy gỉ thép hoạt động ở 100 độ với 30% HCl chứa 600–800 ppm Fe³⁺. Máy sưởi PFA (tường 2 mm, loại tiêu chuẩn) có tuổi thọ 2.000–3.000 giờ (3–4 tháng). Nhà máy lắp đặt một bể kết tinh ở thượng nguồn để loại bỏ các tinh thể FeCl₃·6H₂O bằng cách làm lạnh axit xuống 20 độ. Fe³⁺ giảm xuống 80–120 ppm. Tuổi thọ của lò sưởi tăng lên 7.000–9.000 giờ (10–12 tháng)-lâu hơn gấp 3 lần. Chi phí của thiết bị kết tinh ($20.000) đã được thu hồi trong 8 tháng nhờ giảm thời gian ngừng hoạt động và thay thế lò sưởi.
Kết luận: Fe³⁺ Tăng tốc độ thẩm thấu PFA lên 2–3× ở 500 ppm
Sự hiện diện của các ion sắt (Fe³⁺) trong 30% HCl ở 100 độ làm tăng tốc độ thẩm thấu PFA theo hệ số 2–3× ở 500 ppm và lên tới 10× ở 2.000 ppm. Các dạng Fe³⁺ khuếch tán vào PFA, kết tủa dưới dạng hydrat, tạo ra các lỗ rỗng vi mô và tạo ra các con đường khuếch tán có sức cản trở-thấp đối với HCl và nước. Đối với dịch vụ HCl công nghiệp có Fe³⁺ > 100 ppm, hãy chỉ định vách PFA dày hơn (3 mm) hoặc lắp đặt hệ thống loại bỏ sắt (kết tinh, lọc, trao đổi ion). Theo dõi nồng độ Fe³⁺ hàng tuần. Nếu Fe³⁺ vượt quá 500 ppm, tuổi thọ của bộ sưởi dự kiến là 2.000–4.000 giờ bất kể các thông số khác. Axit tinh khiết không có tính ăn mòn; axit chứa đầy sắt{21}}là. Kiểm soát bàn ủi, kiểm soát sự thẩm thấu, kéo dài tuổi thọ. Máy sưởi không thể phân biệt được; bàn ủi tăng tốc sự thất bại. Loại bỏ nó, hoặc chấp nhận cuộc sống ngắn hơn. Sự lựa chọn là kinh tế. Tính toán rồi quyết định.
