Den mycket sura kloridlösningens korrosion av kvarts i het magnesiumklorid
Magnesiumklorid (MgCl₂) är en flitigt använd kemikalie i-avisningsvätskor (de-väg- och landningsbanor), dammkontroll på oasfalterade vägar, magnesiummetallproduktion (elektrolys av MgCl₂) och som koaguleringsmedel vid tofuproduktion. Typiska industriella koncentrationer sträcker sig från 20–30 viktprocent i vattenlösning, med driftstemperaturer på 80–110 grader i förångare, upplösare och elektrolytiska celler. Doppvärmare av kvarts används ibland i magnesiumkloridservice eftersom smält kiseldioxid ger bra motstånd mot de flesta saltlösningar. Varmkoncentrerad magnesiumklorid är emellertid betydligt mer frätande för kvarts än neutrala salter på grund av omfattande hydrolys: Mg²⁺ + 2H₂O ⇌ Mg(OH)⁺ + H₃O⁺; Mg(OH)+ + H2O ⇌ Mg(OH)2 + H+. En 25 % MgCl₂-lösning har ett pH på cirka 4,5–5,5 vid 25 grader, men vid 100 grader skiftar hydrolysjämvikten åt höger och pH kan sjunka till 3,5–4,5. Den fria syran är saltsyra (HCl) eftersom anjonen är klorid. Således angriper varmkoncentrerad MgCl₂ kvarts genom samma mekanism som utspädd HCl: proton-befrämjad hydrolys av siloxanbindningar, med kloridjoner som accelererar attacken genom komplexbildning. Dessutom är MgCl2-saltlösningar högkoncentrerade elektrolyter som kan avsätta magnesiumhydroxid eller basiska magnesiumkloridsalter på kvartsytan, vilket orsakar lokaliserade heta fläckar. Denna analys kvantifierar hur MgCl₂-koncentration (20–30 %), temperatur (80–110 grader) och lösningens surhet påverkar enhetliga korrosionshastigheter för smält kiseldioxid.
Korrosionskinetik för smält kiseldioxid i varm magnesiumklorid
Korrosionen av kvarts i MgCl2 drivs av fri HCl från magnesiumhydrolys. Vid 95 grader i 25 % MgCl2 är den fria HCl-koncentrationen ungefär 0,01–0,05 M (pH 1,3–2,0). Vid denna surhet är den enhetliga korrosionshastigheten för kvarts 0,0003–0,0006 mm/timme. Vid 110 grader ökar hastigheten till 0,0006–0,0012 mm/timme. Vid 80 grader är hastigheten 0,0002–0,0004 mm/timme. Som jämförelse, 0,05 M HCl vid 95 grader korroderar kvarts vid 0,0004–0,0008 mm/timme. Vid 95 grader skulle en 2,0 mm kvartsmantel förlora 0,0005 mm/timme × 4 000 timmar=2.0 mm, vilket ger en livslängd på cirka 4 000 timmar (5,5 månader). En 2,5 mm vägg ger 5 000 timmar; en 3,0 mm vägg ger 6 000 timmar. Dessa livstider är praktiska för kontinuerlig industriservice med kvartalsvis till{41}}halvårligt underhåll.
Närvaron av överskott av klorid (från MgCl2) accelererar något angrepp bortom ren HCl vid samma pH eftersom kloridjoner stör det hydratiserade kiseldioxidskiktet. Förstärkningsfaktorn är 1,2–1,5× jämfört med ren HCl.
Avlagringar från magnesiumhydroxid
När lösningen värms upp producerar hydrolysjämvikten Mg(OH)2 (magnesiumhydroxid), som har mycket låg löslighet. Mg(OH)2 fälls ut som en vit, gelatinös avlagring på kvartsytan. Denna avlagring är värmeisolerande; ett 0,1 mm skikt kan minska värmeöverföringen med 10–15 %. När avsättningen tjocknar blir kvartsen under varmare, vilket påskyndar både hydrolys och syrakorrosion. I svåra fall kan avlagringen lossna och bära med sig små kvartsfragment. Regelbunden rengöring med utspädd HCl (5–10%) löser magnesiumhydroxidavlagringar utan att angripa kvarts.
Hur väggtjocklek ändrar livslängden
För jämn syrakorrosion skalar livslängden linjärt med väggtjockleken. Vid 95 grader ger en 2,0 mm vägg 4 000 timmar; en 3,0 mm vägg ger 6 000 timmar. För avsättnings-inducerad termisk stress ger tjockare väggar större motståndskraft mot sprickbildning. En 2,5–3,0 mm vägg rekommenderas för kontinuerlig service.
Termisk straff för tjockare väggar
Magnesiumkloridlösningar vid 25 % och 95 grader har en värmeledningsförmåga på ungefär 0,55–0,60 W/(m·K)-liknande vatten. U sjunker från 427 till 292 W/(m²·K) vid ökning från 1,5 till 3,0 mm, en minskning med 32 %.
Scenario-Baserad urvalsmatris för kvartsmantelväggtjocklek i varm MgCl₂-tjänst
| Applikationsscenario och driftsparametrar | Rekommenderad väggtjocklek | Kärnmotiv med kvantifierad handel-av |
|---|---|---|
| Produktion av-avisningsvätska (25 % MgCl₂, 95 grader, kontinuerlig, veckovis rengöring) | 2,0 – 2,5 mm, standardkvalitet, flam-polerad | Syra korrosionshastighet ~0,0005 mm/timme. Tjockare vägg för 5 000-timmars liv. Flampolering minskar avlagringens vidhäftning. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Magnesiumelektrolysmatningsförvärmare (30 % MgCl2, 110 grader, kontinuerlig) | 2,5 – 3,0 mm | Högre temperatur och koncentration. Tjockare vägg viktigt. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| Låg-temperatur MgCl₂ (80 grader, 20 %, intermittent) | 2,0 mm, som-ritat | Lägre korrosionshastighet. Godtagbar. U ≈ 420 W/(m²·K). |
Kompletterande designändringar:Tillsats av en liten mängd HCl till lösningen (till pH 2–3) undertrycker Mg(OH)₂-utfällning men ökar syrakorrosion. Periodisk rengöring med 5 % HCl löser upp magnesiumhydroxidavlagringar. God omrörning förhindrar lokal avlagring. En polerad kvartsyta minskar avlagringens vidhäftning. Att bibehålla konstant vätskenivå förhindrar meniskkristallisering.
