Jako kisela kloridna korozija kvarca u vrućim otopinama cinkovog klorida
Cinkov klorid (ZnCl₂) svestrana je kemikalija koja se koristi kao topilo u lemljenju i galvanizaciji (uklanjanje oksidnih slojeva), konzervans za drvo, katalizator u organskoj sintezi (Friedel-Craftsove reakcije) i elektrolit u suhim baterijama. Tipične industrijske koncentracije kreću se od 50-70% težine, s radnom temperaturom od 60-80 stupnjeva. Za razliku od neutralnih soli, koncentrirane otopine cinkovog klorida su jako kisele zbog opsežne hidrolize: Zn²⁺ + H₂O ⇌ ZnOH⁺ + H⁺; ZnOH⁺ + H2O ⇌ Zn(OH)₂ + H⁺. 60%-tna otopina ZnCl₂ ima pH od približno 1,5-2,5 na 25 stupnjeva, koji dalje pada na povišenim temperaturama. Slobodna kiselina je klorovodična kiselina (HCl) jer je anion klorid. Dakle, vrući koncentrirani ZnCl₂ napada kvarc putem istog mehanizma kao i razrijeđeni HCl: proton-potpomognuta hidroliza siloksanskih veza, s kloridnim ionima koji potencijalno ubrzavaju napad putem kompleksiranja. Ova analiza kvantificira kako koncentracija ZnCl₂ (50-70%), temperatura (60-80 stupnjeva) i kiselost otopine utječu na ravnomjerne stope korozije topljenog silicija.
Kinetika korozije taljenog silicija u vrućem cinkovom kloridu
Koroziju kvarca u ZnCl₂ pokreće slobodni HCl iz hidrolize cinka. Na 70 stupnjeva u 60% ZnCl₂, koncentracija slobodne HCl je približno 0,1-0,3 M (pH 0,5-1,0). Pri ovoj kiselosti, ujednačena brzina korozije kvarca je 0,0003-0,0008 mm/sat. Na 80 stupnjeva brzina se povećava na 0,0006–0,0015 mm/sat. Na 60 stupnjeva brzina je 0,0002–0,0004 mm/sat. Za usporedbu, 0,2 M HCl na 70 stupnjeva nagriza kvarc brzinom od 0,0005–0,001 mm/sat. Na 70 stupnjeva, kvarcni omotač od 2,0 mm izgubio bi 0,0006 mm/sat × 3300 sati=2.0 mm, dajući životni vijek od približno 3300 sati (4,6 mjeseci). Stjenka od 2,5 mm osigurava 4200 sati; stijenka od 3,0 mm osigurava 5000 sati.
Prisutnost viška klorida (iz ZnCl₂) može malo ubrzati napad izvan čistog HCl pri istom pH jer kloridni ioni ometaju hidratizirani sloj silicijevog dioksida. Faktor povećanja je 1,2–1,5× u usporedbi s čistom HCl.
Lokalizirano stvaranje jama i naslaga
Otopine cinkovog klorida imaju tendenciju stvaranja taloga bazičnog cinkovog klorida ili cinkovog hidroksida nakon zagrijavanja ili isparavanja. Ove naslage su bijele i mogu biti izolacijske. Međutim, oni su manje agresivni od naslaga željeznog klorida. Zona meniskusa osjetljiva je na kristalizaciju.
Kako debljina stijenke mijenja vijek trajanja
Životni vijek raste linearno s debljinom stijenke. Za kontinuiranu uslugu pri 70 stupnjeva, preporučuju se stijenke od 2,5–3,0 mm u intervalima zamjene od 4 do 6 mjeseci.
Toplinska kazna debljih zidova
Otopine cinkovog klorida pri 60% i 70 stupnjeva imaju toplinsku vodljivost od približno 0,50–0,55 W/(m·K). U pada s 427 na 292 W/(m²·K) kada se povećava s 1,5 na 3,0 mm, što je smanjenje od 32%.
Matrica odabira-temeljena na scenariju
| Scenarij primjene i radni parametri | Preporučena debljina stijenke | Temeljno obrazloženje |
|---|---|---|
| Topilo za galvanizaciju (60% ZnCl₂, 70 stupnjeva, kontinuirano, tjedno čišćenje) | 2,5 – 3,0 mm, standardna kvaliteta | Brzina kiselinske korozije ~0,0006 mm/sat. Deblji zid za životni vijek od 5000 sati. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| Zaštita drva (50% ZnCl₂, 60 stupnjeva, povremeno) | 2,0 mm, kako-je nacrtano | Niža temperatura i koncentracija. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Katalizator organske sinteze (70% ZnCl₂, 80 stupnjeva, serija) | 3,0 mm | Visoka kiselost. Neophodan deblji zid. |
Komplementarne izmjene dizajna:Dodavanje male količine cinkovog oksida za neutralizaciju slobodnog HCl smanjuje koroziju. Dobra ventilacija uklanja pare HCl. Periodično čišćenje vodom uklanja naslage soli cinka.
