Terminis skilimas{0}}Sieros nusodinimas ant lydyto silicio dioksido
Natrio tiosulfatas (Na2S₂O3) yra standartinė fiksavimo priemonė fotografuojant (tirpinant neeksponuotus sidabro halogenidus) ir alternatyvi aukso išplovimo tirpiklis ne{0}}cianidiniuose procesuose. Įprastos koncentracijos svyruoja nuo 10–30 % masės, o darbinė temperatūra yra 60–80 laipsnių (padidinta, kad būtų pagreitintas fiksavimo arba išplovimo greitis). Tiosulfato tirpaluose dažnai naudojami kvarciniai panardinamieji šildytuvai, nes lydytas silicio dioksidas pasižymi puikiu atsparumu neutralioms druskoms ir nekatalizuoja tiosulfato skilimo. Tačiau karštas koncentruotas tiosulfatas yra termiškai nestabilus ir suyra aukštesnėje temperatūroje: Na2S2O3 + šiluma → Na2SO3 + S (koloidinė siera). Skilimą pagreitina karštis, žemas pH ir tam tikri kataliziniai paviršiai. Susidariusi siera nusėda kaip šviesiai geltonos spalvos koloidinės nuosėdos ant kvarco paviršiaus. Šios sieros nuosėdos yra termiškai izoliuojančios, todėl susidaro karštos vietos, kurios pagreitina tolesnį skilimą. Be to, jei tirpalas tampa rūgštus (dėl CO₂ absorbcijos arba tiosulfato skilimo iki politionatų), skilimo greitis labai padidėja ir gali išsiskirti vandenilio sulfido (H2S) dujos, kurios aukštoje temperatūroje gali atakuoti kvarcą. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip natrio tiosulfato koncentracija (10–30 %), temperatūra (60–80 laipsnių) ir tirpalo pH veikia sieros nusėdimo ant lydyto silicio dioksido greitį ir pagrindinę kvarco koroziją. Išvedamas reikalingas kvarco apvalkalo sienelių storis, kad būtų galima pasiekti praktinius priežiūros intervalus (2000–8000 val.) fotografiniuose ir aukso išplovimo šildytuvuose.
Sieros nusėdimo kinetika ant kvarco paviršių
Kvarco skilimas natrio tiosulfato tirpaluose pirmiausia yra ne cheminė korozija, o sieros nuosėdų susidarymas. Tiosulfato skilimas vyksta pagal pirmos eilės kinetiką tiosulfato koncentracijos atžvilgiu ir didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. Skilimo aktyvinimo energija yra maždaug 80–100 kJ/mol. 70 laipsnių temperatūroje 20 % natrio tiosulfato pusinės eliminacijos laikas esant neutraliam pH yra maždaug 500–1 000 valandų. Esant 80 laipsnių, pusinės{14}}periodis sumažėja iki 150–300 valandų. 60 laipsnių temperatūroje jis padidėja iki 2000–4000 valandų. Susidariusi koloidinė siera turi stiprią tendenciją prilipti prie įkaitusių paviršių, įskaitant kvarco apvalkalus.
Lydyto kvarco panardinimas į 20% natrio tiosulfatą, esant 70 laipsnių, pH 7, rodo, kad sieros nuosėdų augimo greitis yra 0,01–0,05 mm ekvivalentinio storio per savaitę. Iš pradžių nuosėdos yra minkštos ir geltonos, tačiau laikui bėgant gali sukietėti. Indėlis yra šilumą izoliuojantis; 0,1 mm storio sluoksnis gali sumažinti šilumos perdavimą 10–20%. Tirštėjant nuosėdoms, po juo esantis kvarcas įkaista, pagreitindamas vietinį skilimą. Sunkiais atvejais sieros nuosėdos gali ištirpti (siera lydosi 115 laipsnių temperatūroje) ir tekėti, sukurdamos netolygius karštus taškus. Esant neutraliam pH, apatiniame kvarco paviršiuje nėra išmatuojamos cheminės korozijos. Tačiau jei tirpalo pH nukrenta žemiau 5 (pvz., dėl atmosferos CO₂ absorbcijos arba tiosulfato skilimo iki politioninių rūgščių), tiosulfato skilimas labai paspartėja, o rūgštinės sąlygos gali lėtai atakuoti kvarcą (0,0001–0,0005 mm/val.).
Menisko zonoje yra stipriausias sieros nusėdimas. Išgarinant koncentruojasi tiosulfatas, pagreitindamas skilimą. Ties skysčio linija dažnai susidaro geltona arba balta pluta. Išlaikant pastovų skysčio lygį ir naudojant garų skydą, išvengiama menisko plutos susidarymo.
Kaip sienos storis keičia tiosulfato šildytuvų tarnavimo laiką
Kadangi gedimo mechanizmas yra nuosėdų{0}}sukeltas terminis įtempis, o ne sienelių plonėjimas, didėjantis kvarco sienelės storis neapsaugo nuo sieros nusėdimo. Tačiau storesnė siena užtikrina didesnį atsparumą šiluminiam smūgiui, jei atsiranda karštų taškų. Vonioms su greitu sieros nusodinimu (aukšta temperatūra, žemas pH), rekomenduojama storesnę sienelę (2,5–3,0 mm), kad būtų apsaugota nuo įtrūkimų. Vonioms su gera pH kontrole ir žemesne temperatūra (60–65 laipsniais), pakanka standartinių 1,5–2,0 mm sienelių. Reguliarus kvarco paviršiaus valymas praskiestu amoniako arba natrio sulfito tirpalu ištirpina sieros nuosėdas. Savaitinis arba mėnesinis valymo ciklas gali pratęsti šildytuvo tarnavimo laiką neribotą laiką, neatsižvelgiant į sienelės storį.
Storesnių sienelių šiluminė nuobauda tiosulfato tirpaluose
20 % koncentracijos ir 70 laipsnių natrio tiosulfato tirpalų šilumos laidumas yra maždaug 0,50–0,55 W/(m·K)-šiek tiek mažesnis nei vandens. 1,5 mm sienai R_cond=0.00109; 3,0 mm sienai R_cond=0.00217. Kai h=800 W/(m²·K), R_riba=0.00125. U sumažėja nuo 427 iki 292 W/(m²·K), tai yra 32 %. Siekiant efektyvaus energijos vartojimo, pirmenybė teikiama plonoms sienoms, tačiau dėl mechaninio tvirtumo gali prireikti storesnių sienų.
Scenarijus-Pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio pasirinkimo matrica karšto natrio tiosulfato tarnyboje
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}nuolaida |
|---|---|---|
| Fotografinis tvirtinimas (20% Na2S₂O3, 70 laipsnių, nuolatinis, pH 7, valymas kas savaitę) | 2,0–2,5 mm, standartinė klasė, poliruota liepsna | Sieros nusėdimas vidutinio sunkumo. Storesnė siena atspari šiluminei įtampai dėl karštų nuosėdų taškų. Liepsnos-poliravimas sumažina sukibimą. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Aukso išplovimas (10 % Na2S₂O3, 65 laipsniai, pH 8, nuolatinis valymas kas mėnesį) | 2,0 mm, kaip-nubraižyta | Žemesnė temperatūra sulėtina skilimą. Plona sienelė energijos vartojimo efektyvumui užtikrinti. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Aukštos{0}}temperatūros tiosulfatas (80 laipsnių, bet koks) | 2,5 – 3,0 mm, su garų ekranu | Greitas skilimas. Būtinas dažnas valymas. Garų skydas sumažina menisko nuosėdas. |
| Rūgštinis tiosulfatas (pH<5, any temperature) | Ne kvarcas – naudokite PTFE | Rūgštis pagreitina skilimą ir atakuoja kvarcą. Reikalingas alternatyvus apvalkalas. |
Papildomi dizaino pakeitimai:Išlaikant neutralų arba šiek tiek šarminį pH (7–8), sumažėja skilimas. Sulfito stabilizatorių (Na2SO3) pridėjimas slopina tiosulfato skilimą. Azoto purškimas pašalina deguonį ir CO₂. Periodiškas valymas 5% amoniaku arba natrio sulfitu ištirpina sieros nuosėdas. Poliruotas paviršius sumažina nuosėdų sukibimą.
