Hidrolisis Berasid-Kakisan Didorong Kuarza dalam Larutan Ferrik Sulfat
Ferric sulfate (Fe₂(SO₄)₃) digunakan secara meluas dalam penjerukan logam (keluli tahan karat dan kuprum), rawatan air (koagulan untuk penyingkiran fosfat), dan sebagai etsa dalam pembuatan papan litar bercetak. Kepekatan industri biasa berjulat daripada 10–20% Fe₂(SO₄)₃ mengikut berat, dengan suhu operasi 60–90 darjah dalam tangki penjerukan dan reaktor pembekuan. Penyelesaian adalah sangat berasid disebabkan oleh hidrolisis meluas ion ferik: Fe³⁺ + H₂O ⇌ FeOH²⁺ + H⁺; FeOH²⁺ + H₂O ⇌ Fe(OH)₂⁺ + H⁺; dan seterusnya ke Fe(OH)₃. Kesan bersih ialah kepekatan asid sulfurik bebas bersamaan dengan 0.05–0.2 M H₂SO₄ pada 10–20% Fe₂(SO₄)₃. Pemanas rendaman kuarza sering digunakan dalam perkhidmatan ferik sulfat kerana silika bercantum menawarkan rintangan yang sangat baik untuk mencairkan asid sulfurik. Walau bagaimanapun, ferik sulfat membentangkan mekanisme degradasi dwi: kakisan asid seragam daripada H₂SO₄ yang dihasilkan dan pembentukan mendapan daripada pemendakan ferik hidroksida (Fe(OH)₃). Ferrik hidroksida yang dimendapkan adalah penebat haba dan boleh menghasilkan titik panas. Selain itu, ion ferik ialah pengoksida (seperti FeCl₃ tetapi kurang agresif), tetapi anion sulfat tidak menyerang kuarza. Analisis ini mengukur bagaimana kepekatan Fe₂(SO₄)₃ (10–20%), suhu (60–90 darjah ), dan keasidan larutan mempengaruhi kakisan seragam dan pembentukan mendapan pada silika bercantum.
Kinetik Kakisan Silika Bercantum dalam Larutan Ferrik Sulfat Panas
Kakisan kuarza dalam ferik sulfat didorong oleh asid sulfurik bebas yang dihasilkan daripada hidrolisis ferik. Pada 80 darjah dalam 15% Fe₂(SO₄)₃ (kira-kira 0.25 M Fe³⁺), kepekatan H₂SO₄ bebas adalah lebih kurang 0.1–0.15 M (pH 0.8–1.0). Pada keasidan ini, kadar kakisan seragam kuarza ialah 0.0003–0.0006 mm/jam. Pada 90 darjah, kadar meningkat kepada 0.0006–0.001 mm/jam. Pada 60 darjah , kadarnya ialah 0.0001–0.0002 mm/jam. Sebagai perbandingan, 0.1 M H₂SO₄ pada 80 darjah menghakis kuarza pada 0.0002–0.0004 mm/jam. Ion ferik tidak mempercepatkan serangan dengan ketara melebihi kesan asid bebas. Pada 80 darjah , sarung kuarza 2.0 mm akan kehilangan 0.0005 mm/jam × 4,000 jam=2.0 mm, memberikan hayat lebih kurang 4,000 jam (5.5 bulan). Dinding 2.5 mm menyediakan 5,000 jam; dinding 3.0 mm menyediakan 6,000 jam. Jangka hayat ini praktikal untuk perkhidmatan perindustrian berterusan dengan penyelenggaraan suku tahunan hingga separuh-tahunan.
Pembentukan Mendapan daripada Ferric Hydroxide
Tindak balas hidrolisis yang menjana asid bebas juga menghasilkan ferik hidroksida, terutamanya berhampiran permukaan kuarza di mana suhu paling tinggi: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. Fe(OH)₃ ialah mendakan, bergelatin,{3}}merah perang yang melekat pada permukaan kuarza. Deposit ini adalah penebat haba; lapisan 0.1 mm boleh mengurangkan pemindahan haba sebanyak 10–15%. Apabila deposit menebal, kuarza di bawahnya menjadi lebih panas, mempercepatkan kedua-dua hidrolisis dan sebarang kakisan asid yang mendasari. Dalam kes yang teruk, deposit boleh terbuang, membawa serpihan kuarza kecil. Deposit juga mengurangkan ketebalan dinding berkesan dengan menebat permukaan. Pembersihan tetap dengan asid sulfurik cair (5–10%) melarutkan mendapan ferik hidroksida tanpa menyerang kuarza.
Cara Ketebalan Dinding Mengubah Hayat Perkhidmatan
Untuk kakisan asid seragam, skala hayat secara linear dengan ketebalan dinding. Pada 80 darjah, dinding 2.0 mm menyediakan 4,000 jam; dinding 3.0 mm menyediakan 6,000 jam. Untuk tekanan terma akibat deposit-, dinding yang lebih tebal memberikan rintangan yang lebih besar kepada keretakan tetapi tidak menghalang pembentukan deposit. Dinding 2.5–3.0 mm disyorkan untuk mandian dengan pemendakan ferik hidroksida yang ketara.
Penalti Terma Dinding Lebih Tebal
Larutan ferik sulfat pada 15% dan 80 darjah mempunyai kekonduksian terma kira-kira 0.55–0.60 W/(m·K). Untuk dinding 1.5 mm, R_cond=0.00109; untuk dinding 3.0 mm, R_cond=0.00217. Dengan h=800 W/(m²·K), U jatuh daripada 427 kepada 292 W/(m²·K), pengurangan sebanyak 32%.
Senario-Matriks Pemilihan Berasaskan
| Senario Aplikasi & Parameter Operasi | Ketebalan Dinding yang Disyorkan | Rasional Teras |
|---|---|---|
| Penjerukan logam (15% Fe₂(SO₄)₃, 80 darjah , berterusan, pembersihan mingguan) | 2.0 – 2.5 mm, gred standard, nyalaan-digilap | Kadar kakisan seragam ~0.0005 mm/jam. Dinding yang lebih tebal memberikan margin keselamatan terhadap tekanan haba deposit. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Koagulan rawatan air (10% Fe₂(SO₄)₃, 70 darjah , sekejap-sekejap) | 2.0 mm, seperti-dilukis | Suhu yang lebih rendah dan penggunaan sekejap-sekejap. Boleh diterima. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Penjerukan-suhu tinggi (90 darjah , 20% Fe₂(SO₄)₃) | 2.5 – 3.0 mm | Kadar kakisan yang lebih tinggi. Dinding yang lebih tebal memanjangkan hayat. |
Pengubahsuaian Reka Bentuk Pelengkap:Mengekalkan pH larutan yang rendah (menambah H₂SO₄ percuma) menyekat hidrolisis ferik dan pembentukan mendapan. Pergolakan yang baik menghalang pengendapan zarah. Pembersihan berkala dengan 10% H₂SO₄ melarutkan mendapan Fe(OH)₃. Permukaan yang digilap mengurangkan lekatan deposit.
