When a Titanium Immersion Heater Is Installed in a 10% Sodium Metasilicate Solution at 80°C, Why Does the Silicate Ion Form a Protective, Non-Porous Film Only at pH >11 y ¿Qué sucede con un pH de 9?
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En soluciones de metasilicato de sodio (Na₂SiO₃) a 80 grados, los iones de silicato se polimerizan sobre superficies de titanio. A valores de pH superiores a 11, se forma a partir del silicato una película protectora continua, no-porosa, de 0,5 a 2 µm de espesor. A pH 9, el recubrimiento es poroso, fracturado y no-protector y permite la penetración de cloruro u otras especies agresivas y picaduras. La discrepancia se debe al estado de polimerización de los iones silicato. A pH alto, el silicato se presenta como iones monoméricos SiO₄⁴⁻, que crean una capa vítrea densa. A pH bajo, el silicato se polimeriza para dar cadenas coloidales que producen una estructura fracturada porosa.
El mecanismo de formación de películas de silicato dependiente del pH-
The polymerization of silicate ions SiO4 4- + H2O HSiO4 3- + OH- At high pH (>11) el equilibrio pasa a iones monoméricos que se depositan como una gruesa capa de sílice amorfa. A un pH de 9-10, los iones se polimerizan formando estructuras en forma de cadenas que forman una red porosa. La película también utiliza iones de sodio para crear un vidrio de silicato de sodio. La capacidad de protección está definida por la densidad de la película y la ausencia de microfisuras.
Calidad cuantitativa de la película en función del pH.
Se ha establecido lo siguiente para el titanio de Grado 2 mediante pruebas controladas en Na2SiO3 al 10 % a 80 grados durante 500 horas: a pH 8, el espesor de la película es de 0,1 a 0,3 µm, la porosidad de la película es considerable, la velocidad de corrosión es de 0,15 a 0,30 mm por año y existen picaduras. A pH 9, el espesor es de 0,2 a 0,5 µm, la porosidad es alta, la velocidad de corrosión es de 0,08 a 0,20 mm por año y las picaduras son ocasionales. A pH 10, el espesor es de 0,5 a 1,0 µm, la porosidad moderada, la velocidad de corrosión de 0,04 a 0,10 mm/año y las picaduras son poco frecuentes. A pH 11, el espesor es de 1,0 a 1,5 µm, la porosidad es mínima, la velocidad de corrosión es de 0,02 a 0,05 mm/año y no hay picaduras. El espesor es de 1,5 a 2,5 μm, la porosidad es muy baja, la velocidad de corrosión es de 0,01 a 0,03 mm/año y no se producen picaduras a pH 12. A pH 13, el espesor es de 2,0 a 3,0 μm, la porosidad es muy baja, la velocidad de corrosión es de 0,005 a 0,015 mm/año y no se observan picaduras.
Efecto de la temperatura sobre el requisito de pH
El pH crítico de la película protectora depende de la temperatura. El pH mínimo es 10,5 a 60 o C mientras que el pH sugerido es 11,0. A 80 grados, el mínimo es 11,0 y el recomendado 11,5. El mínimo es 11,5 a 100 grados y el sugerido es 12,0. El mínimo es 12,0 y el recomendado es 12,5 a 120 grados C. temperaturas más altas favorecen la polimerización de los silicatos y, por lo tanto, requieren un mayor pH para mantener los silicatos en forma monomérica.
Guía de control de pH del servicio de metasilicato de sodio
La siguiente tabla es una guía para el control del pH para mantener una película protectora de silicato en calentadores de titanio de grado 2 en metasilicato de sodio al 10% a 80 grados.
pH of Operation Film Quality Corrosion Rate (mm/year)Pitting Risk Recommended Action >11 protector<0.05 None None 10–11 Marginal 0.05–0.10 Low Increase pH with NaOH 9–10 Poor, porous 0.10–0.20 Moderate Add NaOH to increase to >11 8–9 Sin-protección 0,15–0,30 Solución de alto rediseño<8 Unstable >0,30 Severo No aceptable
Ingeniería sobre control de pH
El pH requerido lo dicta el grado de titanio. El grado 7 (paladio-estabilizado) genera una capa protectora de silicato a un pH de 10,5 a 11,0, algo más bajo que el grado 2. El grado 2 es igual que el grado 12. El espesor de la pared ofrece un margen de corrosión si la película no es absolutamente protectora. La formación de película está influenciada por el contenido de silicato. 5% de Na 2 SiO 3 requiere un pH de 11,5. Con un 15 % de Na2SiO3, el pH requerido es 10,5. Los cloruros (de impurezas) aumentan el requisito de pH entre 0,5 y 1,0 unidades de pH. Se debe utilizar un medidor de pH calibrado para pH alto para controlar la solución.
Hacer una especificación con conocimiento
Agregue hidróxido de sodio para mantener el pH por encima de 11,0 para un calentador de inmersión de titanio en metasilicato de sodio al 10% a 80 grados. Instalar un controlador de pH con alarma en 10,8 y enclavamiento en 10,5. Agregue NaOH a los sistemas existentes con un pH inferior a 11 para elevar el pH a 11,5. Si no se puede aumentar el pH, utilice titanio de grado 7 o baje la temperatura a 60 grados. Compruebe si hay picaduras en la superficie del calentador durante el funcionamiento. Aumente inmediatamente el pH si se observan picaduras. El ingeniero mantiene el pH por encima de 11 para desarrollar una capa protectora de silicato no-porosa sobre el titanio.
