Kuidas muudab kuum kontsentreeritud kaaliumtsüaniidi (5–10%) lahus 50–80 kraadi juures kullakaevandus- ja galvaniseerimissoojendite jaoks vajalikku kvartskesta seina paksust?

Aluseline kompleks Kuumad tsüaniidilahused Rünnak sulatatud ränidioksiidile

KCN on kullakaevandamise (tsüaniideerimisprotsess) peamine lahusti ning kulla, hõbeda ja vase galvaniseerimisel põhiline elektrolüüdikomponent. Tüüpilised kontsentratsioonid on 5-10 massiprotsenti vesilahuses, töötemperatuuriga 50-80 °C (kõrgendatud, et suurendada leostumiskiirust või parandada plaadistuse kvaliteeti). Tsüaniidi hüdrolüüsi tulemuseks on CN− + H2O ⇌ HCN + OH− . See muudab lahuse üsna leeliseliseks (pH 11-12). Tsüaniidilahustes kasutatakse mõnikord kvartsist sukelküttekehasid, kuna sulatatud ränidioksiidil on kõrge vastupidavus enamiku leeliseliste lahuste suhtes. Kuid kuumutatud kontsentreeritud tsüaniidil on oma söövitav mehhanism. Hüdrolüüsil tekivad hüdroksiidioonid (OH-), mis ründavad ränidioksiidi võrku ja tekitavad lahustuvaid silikaate. Tsüaniidiioon (CN-) on samuti tugev kompleksimoodustaja, mis on võimeline moodustama lahustuvaid räni-tsüaniidi komplekse (kuigi vähem stabiilsed kui hüdroksiidi rünnak). Korrosioonikiirus on võrreldav lahjendatud naatriumhüdroksiidi kiirusega sama pH juures, kuid lisatud kompleksi moodustava komponendiga. Selles töös kvantifitseeritakse KCN kontsentratsiooni (5-10%), temperatuuri (50-80 kraadi) ja lahuse pH mõju sulatatud ränidioksiidi ühtlasele korrosioonikiirusele. Kullakaevandus- ja galvaniseerimissoojendite jaoks vajalik kvartskesta seinapaksus praktiliste hooldusintervallide (2000 kuni 8000 tundi) jaoks on tuletatud.

Kuumas kaaliumtsüaniidis sulatatud ränidioksiidi korrosiooni kineetika

KCN-i lahuste kvartskorrosioon on tingitud tsüaniidi hüdrolüüsil tekkivatest hüdroksiidioonidest. pH on umbes 11,5-12,0 25 kraadi juures 5% KCN (umbes . 0.8 M) pH tõuseb veidi 70 kraadi juures suurema hüdrolüüsi tõttu (HCN pKa on 25 kraadi juures 9,2, kõrgematel temperatuuridel madalam). OH- kontsentratsioon on 0,001-0,01 M. See on ligikaudu 0,1% NaOH. Tsüaniidiioon ise võib samuti olla rünnakuga otseselt seotud: CN- võib koordineerida pinnal oleva räni aatomitega, nõrgendades Si-O-Si sidet ja võimaldades hüdrolüüsi. Lõpptulemuseks on korrosioonikiirus 20-40% kõrgem kui NaOH-s sama pH juures.

Keelekümbluskatse 8% KCN-s 70 kraadi kõrge puhtusastmega sulatatud kvartsiga näitas püsivat korrosioonikiirust 0,0005–0,001 mm/h. 80 kraadi juures tõuseb tempo kuni 0,001-0,002 mm/h. 50 kraadi juures on kiirus 0,0002–0,0004 mm/h. Võrdluseks, kvarts korrodeerub 0,0003-0,0006 mm/h 0,01 M NaOH-s (pH 12) temperatuuril 70 kraadi. 2,0 mm kvartskest kaotaks 70 kraadi juures 0,0008 mm/tunnis × 2500 tundi=2.0 mm või eluiga umbes 2500 tundi (3,5 kuud). 3.0 mm sein 3750 tundi 4,0 mm sein 5000 tundi. Praktiliseks. Madalamatel temperatuuridel (50-60 kraadi) galvaniseerimisel on selle eluiga tunduvalt pikem.

Kohalikud süvendid ja ohutusprobleemid

Tsüaniidilahused on üsna mürgised ja küttekeha rike on ohutusoht. Metallist küttekehad korrodeeruvad kiiresti ja võivad lisada metallist lisandeid, mis takistavad kulla taastumist. Seetõttu kasutatakse kvartsküttekehasid. Kuid kui kvarts puruneb, võib kütteelement (tavaliselt NiCr või roostevaba teras) reageerida tsüaniidiga, tekitades võib-olla mürgiseid suitsu. Paksem kvartssein pakub suuremat ohutuspuhvrit termilise pinge või mehaanilise jõu põhjustatud pragude vastu. Tsüaniidiga töötamiseks soovitatakse minimaalseks seinapaksuseks 2,5 mm, olenemata korrosiooni hinnangutest.

Tsüaniidi kristalliseerumine on meniski tsoonis oht. Kaaliumtsüaniid on vedeldav ja võib tekitada kontsentreeritud aluselise kihi, mis soodustab rünnakut. Aurukaitse või kuumutatud ülemine kest takistab kristalliseerumist.

Tsüaniidilahuste paksemate seinte termiline karistus

70 kraadi juures on kaaliumtsüaniidi lahuste soojusjuhtivus 8% juures umbes 0,60–0,65 W/(m·K)-, mis on sarnane veega. 2,5 mm seina puhul R_cond=0.00181, 4.0 mm seina puhul R_cond=0.00290. h=800 W/(m2K) U väheneb ~380-lt 280 W/(m2K) võrra, väheneb 26%. See karistus on vastuvõetav, kuna paksema seina olemasolu toob kaasa turvalisuse eelised.

Stsenaariumipõhine valikumaatriks

Rakenduse stsenaarium Soovitatav seina paksus Südamiku põhjendus
Kulla tsüaneerimine (8% KCN, 70 kraadi, pidev, 3 kuud vahetus) 3,0 – 4,0 mm, kõrge puhtusastmega kvarts Korrosioonikiirus ~0,0008 mm/h Ohutusvaru pragunemise vastu tagab paksem sein. U ≈ 300-350 W/(m2·K)
Electroplating (5 % KCN, 55 C, continuous) 2.5 – 3.0 mm Rate ~0.0003 mm/hour → 3.0 mm yields >10 000 tundi. Ohutusvaru on kohustuslik.
Laboritsüaniid (madal kontsentratsioon, 50 kraadi) 2,0–2,5 mm Vastuvõetav, kuid seda tuleb hoolikalt jälgida.
Konstruktsioonimuudatused, mis täiendavad: korrosiooni vähendatakse madala temperatuuri hoidmisega (alla 70 kraadi). Lubja (CaO) lisamine stabiliseerib tsüaniidi ja minimeerib hüdrolüüsi. Regulaarne paksuse kontrollimine on kohustuslik. PTFE aurutõkked kaitsevad meniski rünnaku eest.