Oksidacija ir hidrolizė{0}}Alavo tirpalų ataka ant lydyto silicio dioksido
Alavo (II) chloridas (alavo chloridas, SnCl₂) yra svarbi cheminė medžiaga beelektrinant dengimą (ne{0}}laidių paviršių jautrinimas prieš metalizavimą), gaminant alavu- dengtą plieną ir kaip reduktorius organinėje sintezėje. Įprastos koncentracijos svyruoja nuo 10–50 g/l SnCl₂ druskos rūgštyje (10–30 mL/L koncentruoto HCl), kad būtų išvengta hidrolizės ir oksidacijos. Darbinė temperatūra svyruoja nuo 60 iki 90 laipsnių jautrinimo vonioms ir beelektriniams procesams. Kvarciniai panardinamieji šildytuvai dažnai naudojami alavo chlorido naudojimui, nes lydytas silicio dioksidas pasižymi puikiu atsparumu vandenilio chlorido rūgščiai esant tokioms koncentracijoms. Tačiau alavo chloridas pasižymi unikaliu skilimo mechanizmu: Sn²⁺ oksidacija į Sn⁴⁺, po to hidrolizė susidaro metastano rūgštis (H2SnO3 arba SnO₂·xH2O), kuri nusėda kaip balta želatininė plėvelė ant kvarco paviršiaus. Oksidaciją pagreitina šiluma, ištirpęs deguonis ir pats karštas kvarco paviršius. Nusodinta alavo (IV) oksido / hidroksido plėvelė yra šilumą izoliuojanti, todėl susidaro karštos vietos, kurios gali sukelti šiluminį stresą. Be to, hidrolizės reakcija sunaudoja H⁺, padidindama vietinį pH šalia kvarco paviršiaus, o tai gali sukelti vietinį šarminį poveikį, jei pH pakyla virš 5–6. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip SnCl₂ koncentracija, temperatūra (60–90 laipsnių) ir tirpalo rūgštingumas veikia alavo nuosėdų susidarymo greitį ir pagrindinę rūgšties koroziją. Išvedamas reikalingas kvarco apvalkalo sienelės storis, kad būtų pasiekti praktiniai eksploatavimo intervalai (2 000–8 000 valandų) jautrinimo ir beelektrinio dengimo šildytuvuose.
Alavo (IV) rūšių nusėdimo kinetika ant kvarco paviršių
Kvarco skilimas alavo chlorido tirpaluose pirmiausia yra ne cheminė korozija, o nuosėdų susidarymas. Alavo jonai (Sn²⁺) yra nestabilūs ore ir lengvai oksiduojasi: 2Sn²⁺ + O₂ + 4H⁺ → 2Sn⁴⁺ + 2H₂O. Sn⁴⁺ jonai hidrolizuojasi agresyviai: Sn⁴⁺ + 4H2O → Sn(OH)4 (arba H2SnO3·H2O) + 4H⁺. Hidrolizės produktas, metastano rūgštis, yra netirpus ir nusėda kaip balta, želatinė kieta medžiaga. Ši kieta medžiaga turi stiprią tendenciją prilipti prie įkaitusių paviršių, įskaitant kvarcinius apvalkalus. Nusėdimo greitį valdo Sn²⁺ oksidacijos greitis, kuris atitinka pirmosios -eilės kinetiką, atsižvelgiant į ištirpusio deguonies koncentraciją, ir didėja eksponentiškai didėjant temperatūrai. Esant 70 laipsnių temperatūrai, Sn²⁺ pusinės eliminacijos laikas prisotintame oro- tirpale (be antioksidantų) yra maždaug 10–20 valandų. 90 laipsnių temperatūroje jis sumažėja iki 2–4 valandų.
Panardinant lydytą kvarcą į tipinę jautrinimo vonią (30 g/L SnCl₂, 20 ml/L HCl) 70 laipsnių temperatūroje, alavo nuosėdų augimo greitis yra 0,01–0,05 mm ekvivalentinio storio per savaitę. Iš pradžių nuosėdos yra minkštos ir želatinos, tačiau laikui bėgant gali sukietėti. Indėlis yra šilumą izoliuojantis; 0,1 mm storio sluoksnis gali sumažinti šilumos perdavimą 10–20%. Tirštėjant nuosėdoms, apačioje esantis kvarcas įkaista, pagreitindamas vietinę oksidaciją ir nuosėdų susidarymą. Sunkiais atvejais nuosėdos gali nuskilti ir su savimi atsinešti mažus kvarco fragmentus. Ant apatinio kvarco paviršiaus nėra išmatuojamos cheminės korozijos (rūgšties poveikio), nes HCl koncentracija (0,2–0,3 M) yra pakankama, kad pH būtų žemesnis nei 1, o tai apsaugotų kvarcą nuo šarminio poveikio.
If the bath acidity is too low (insufficient HCl), the local pH near the quartz surface can rise above 3–4 due to H⁺ consumption by Sn⁴⁺ hydrolysis. At pH >5, kvarcas pradeda šarmuoti (nuo vandens autojonizacijos OH⁻), korozijos greitis 0,0005–0,002 mm/val. Tai paprastai yra nereikšminga, palyginti su indėlių{4}}sukeltomis problemomis.
Menisko zonoje yra stipriausias nuosėdų susidarymas. Išgarinant susikaupia SnCl₂, todėl greitai oksiduojasi ir vyksta hidrolizė. Ties skysčio linija dažnai susidaro kieta balta pluta. Išlaikant pastovų skysčio lygį ir naudojant garų skydą, išvengiama menisko plutos susidarymo.
Kaip sienos storis keičia alavo chlorido šildytuvų tarnavimo laiką
Kadangi gedimo mechanizmas yra nuosėdų{0}}sukeltas terminis įtempis, o ne sienelės plonėjimas, didėjantis kvarco sienelės storis neapsaugo nuo nuosėdų susidarymo. Tačiau storesnė siena užtikrina didesnį atsparumą šiluminiam smūgiui, jei atsiranda karštų taškų. Vonioms, kuriose greitai susidaro nuosėdos (aukšta temperatūra, didelis deguonies poveikis), rekomenduojama storesnę sienelę (2,5–3,0 mm), kad būtų apsaugota nuo įtrūkimų. Voniose, kuriose gerai kontroliuojamas antioksidacinis poveikis (pvz., pridėta alavo chlorido stabilizatorių, tokių kaip askorbo rūgštis ar hipofosfitas), nusėdimo normos yra daug mažesnės, o standartinės 1,5–2,0 mm sienelės yra tinkamos.
Reguliarus kvarco paviršiaus valymas praskiesta druskos rūgštimi (5–10%) tirpdo alavo nuosėdas. Valomasis tirpalas nepuola kvarco kambario temperatūroje. Savaitinis arba mėnesinis valymo ciklas gali pratęsti šildytuvo tarnavimo laiką neribotą laiką, neatsižvelgiant į sienelės storį.
Storesnių sienų šiluminis poveikis alavo chlorido tirpaluose
30 g/l ir 70 laipsnių alavo chlorido tirpalų šilumos laidumas yra maždaug 0,55–0,60 W/(m·K)-, panašus į 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 nuosėdų susidarymo dažnai reikia storesnių sienų, kad būtų užtikrintas mechaninis tvirtumas.
Scenarijus-Pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio pasirinkimo matrica karšto SnCl₂ paslauga
| Taikymo scenarijus ir veikimo parametrai | Rekomenduojamas sienelės storis | Pagrindinis loginis pagrindas su kiekybine prekyba{0}}nuolaida |
|---|---|---|
| Jautrinanti vonia (30 g/l SnCl₂, 20 ml/l HCl, 70 laipsnių, nuolatinis, valymas kas savaitę) | 2,0–2,5 mm, standartinė klasė, poliruota liepsna | Skardos nuosėdos vidutinio sunkumo. Storesnė siena atspari šiluminei įtampai dėl karštų nuosėdų taškų. Liepsnos-poliravimas sumažina sukibimą. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Beelektrinis nikelio jautrinimas (50 g/l SnCl₂, 80 laipsnių, pridėtas antioksidantas) | 2,0 mm, kaip-nubraižyta | Antioksidantas lėtina oksidaciją. Indėlių palūkanos žemos. Plona sienelė energijos vartojimo efektyvumui užtikrinti. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Aukštos{0}}temperatūros alavo(II) tirpalas (90 laipsnių, bet koks) | 2,5 – 3,0 mm, su garų ekranu | Greita oksidacija. Būtinas dažnas valymas. Garų skydas sumažina menisko nuosėdas. |
| Bath with insufficient HCl (pH >2) | 2,5 mm, sureguliuokite pH | Kvarco šarminio poveikio rizika. Storesnė sienelė apsaugo nuo korozijos. Teisingas pH iki<1.5. |
Papildomi dizaino pakeitimai:Pridėjus antioksidantų (askorbo rūgšties, hipofosfito), sulėtėja Sn²⁺ oksidacija. Azoto purškimas pašalina ištirpusį deguonį. Periodiškas valymas 10% HCl tirpina alavo nuosėdas. Išlaikant aukštą rūgštingumą (pH<1.5) prevents alkaline attack. A polished surface reduces deposit adhesion.
