Проблема растущего pH
Ванны кислотного лужения на основе метансульфокислоты или серной кислоты работают при pH ниже 1,0. Высокая кислотность предотвращает гидролиз олова (Sn²⁺) и осаждение в виде оксида олова. Ожидается, что pH останется стабильным, за исключением незначительных колебаний, связанных с-задержкой и пополнением. Тем не менее, операторы наблюдают медленное, прогрессивное повышение pH в течение нескольких недель работы. Уровень pH повышается от 0,5 до 1,5, приближаясь к порогу, при котором начинается осаждение олова.
Причиной повышения pH не является-перетягивание или ошибка добавления химикатов. Это погружной нагреватель из нержавеющей стали. Кислый электролит разъедает поверхность нагревателя, поглощая ионы водорода в катодной полу-реакции процесса коррозии. Каждый потребляемый ион водорода незначительно повышает pH ванны. За несколько недель непрерывной коррозии совокупное повышение pH становится значительным.
Теплообменник из ПТФЭ не подвержен коррозии. Он не потребляет ионы водорода. Повышение pH из этого источника исключается.
Механизм изменения pH, вызванный коррозией-
Нержавеющая сталь в горячем кислотно-оловянном электролите подвергается коррозии по гальваническому механизму. Анодная реакция представляет собой растворение железа, хрома и никеля из сплава: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Катодная реакция на той же поверхности представляет собой восстановление ионов водорода: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂. Ионы водорода поступают из кислого электролита. Каждый растворенный атом металла потребляет два иона водорода.
Скорость коррозии нержавеющей стали в метансульфоновой кислоте при 50 градусах составляет примерно 0,05-0,15 мм/год. За год непрерывной работы обогреватель площадью 2 м² теряет примерно 150-450 граммов металла. Потребление ионов водорода, стехиометрически связанное с этой потерей металла, составляет 5-16 молей H⁺ в год.
Для ванны объемом 8000-литров, содержащей 0,1 М кислоты (первоначально 800 молей H⁺), годовое потребление 5–16 молей представляет собой снижение концентрации кислоты на 0,6–2,0%. Хотя процент кажется небольшим, шкала pH является логарифмической. Снижение концентрации ионов водорода на 2% в сильной кислоте заметно сдвигает pH (обычно от 0,5 до 1,0–1,5) в течение года.
| Параметр стабильности pH | Нагреватель из нержавеющей стали | Титановый нагреватель | ПТФЭ теплообменник |
|---|---|---|---|
| Скорость коррозии в MSA при 50 градусах (мм/год) | 0.05-0.15 | 0.02-0.08 | 0 |
| Годовое растворение металла (граммы) | 150-450 | 60-240 | 0 |
| Годовое потребление H⁺ (моль) | 5-16 | 2-8 | 0 |
| Сдвиг pH за 12 месяцев (от 0,5) | 0.5 → 1.0-1.5 | 0.5 → 0.8-1.2 | Нет смены |
| Корректирующие добавки кислоты в год | 4-8 | 2-4 | 0 |
Вторичные эффекты растворенных металлов
Ионы железа, хрома и никеля, выделяющиеся в результате коррозии, оказывают дополнительное воздействие на оловянную ванну. Двухвалентное железо (Fe²⁺) окисляется растворенным кислородом до трехвалентного железа (Fe³⁺). Трехвалентное железо затем окисляет олово (Sn²⁺) до олова (Sn⁴⁺), которое гидролизуется и осаждается в виде осадка оксида олова. Железо действует как катализатор окисления олова, ускоряя потерю ценного олова из ванны.
Растворенные металлы также способствуют шероховатости и пористости отложений. Железо соосаждается с оловом, изменяя состав осадка и снижая его коррозионную стойкость. Влияние на качество отложений усугубляет проблему стабильности pH.
ПТФЭ устраняет как сдвиг pH, так и металлические загрязнения. Химический состав ванны остается стабильным. Окисление олова ограничивается неизбежной реакцией с кислородом воздуха, которую можно контролировать с помощью защиты инертным газом или добавлением антиоксидантов.
Упрощение управления процессом
При использовании металлического нагревателя оператор должен контролировать pH и периодически добавлять кислоту, чтобы компенсировать расход,-вызванный коррозией. Добавки являются реактивными-вносятся, когда уровень pH уже изменился-и в ванне происходит циклическое изменение pH между добавками. Процесс нанесения покрытия происходит при различных значениях pH, что приводит к соответствующим изменениям в качестве отложений.
При использовании теплообменника из ПТФЭ уровень pH стабилен. Добавление кислоты необходимо только для длительной-замены. Ванна работает при постоянном pH. Качество депозита стабильное. Время оператора и химические затраты на реактивную регулировку pH исключаются.
Краткое содержание
Необъяснимое повышение pH в кислых оловянных ваннах вызвано потреблением ионов водорода в катодной полу-реакции коррозии нагревателя нержавеющей стали. Ежегодно расходуется 5-16 молей H⁺, сдвигая pH с 0,5 до 1,0-1,5 в ванне объемом 8000 литров. Теплообменники из ПТФЭ не подвержены коррозии, не потребляют ионы водорода и поддерживают стабильный уровень pH. Устранение загрязнения растворенными металлами также предотвращает катализируемое железом окисление олова и ухудшение качества покрытия.
Техническая поддержка для спецификации теплообменника из ПТФЭ в кислых оловянных и других гальванических ваннах, чувствительных к pH-, доступна после предоставления данных о химическом составе ванны, рабочей температуре, текущих данных о тенденциях pH и уровнях загрязнения металлами.
