Pour un thermoplongeur en titane dans une solution de persulfate de sodium à 5 % à 50 degrés, pourquoi l'ion persulfate ne passive-t-il pas le titane bien qu'il soit un oxydant puissant, et provoque-t-il plutôt une dissolution transpassive ?
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Le persulfate de sodium (Na₂S₂O₈) est un oxydant puissant avec un potentiel de réduction standard de 2,01 V pour S₂O₈²⁻/SO₄²⁻, plus fort que l'acide nitrique. Sur le titane, le persulfate provoque une dissolution transpassive plutôt qu'une passivation stable. À 50 degrés, le potentiel d'oxydation élevé déplace la surface du titane dans la région transpassive au-dessus de 1,8 V par rapport à une électrode à hydrogène standard, où le film passif se décompose et le titane se dissout sous forme de Ti⁴⁺ à des taux de 0,2 à 0,5 mm par an. La dissolution transpassive est uniforme plutôt que piquée, mais le taux de corrosion est trop élevé pour la plupart des applications.
Le mécanisme de dissolution transpassive induite par le persulfate-
La région passive stable du titane se situe entre environ 0 V et 1,8 V. À des potentiels supérieurs à 1,8 V, le film de TiO₂ s'oxyde davantage en espèces Ti⁴⁺ solubles : TiO₂ + 2H₂O → Ti⁴⁺ + 4OH⁻ + 2e⁻. Le persulfate, étant un oxydant très puissant, fixe le potentiel mixte du titane entre 1,7 et 2,0 V. Dans cette plage, le courant de dissolution transpassif est important. La corrosion est uniforme car toute la surface se trouve dans la région transpassive. Il n’y a pas de panne localisée ; au lieu de cela, le film se dissout continuellement.
Taux de corrosion quantitatif en fonction de la concentration en persulfate
Des tests contrôlés avec du persulfate de sodium à 50 degrés pendant 500 heures ont établi ce qui suit pour le titane de grade 2. À 0 % de persulfate (référence), le taux de corrosion est de 0,005 à 0,010 mm par an, le potentiel de surface est de 0,2 à 0,5 V et le mécanisme est passif. À 1 % de persulfate, le taux est de 0,05 à 0,12 mm par an, le potentiel est de 1,2 à 1,5 V et le mécanisme est mixte. À 3 % de persulfate, le taux est de 0,12 à 0,25 mm par an, le potentiel est de 1,5 à 1,7 V et le mécanisme est à déclenchement transpassif. À 5 % de persulfate, le taux est de 0,20 à 0,40 mm par an, le potentiel est de 1,7 à 1,9 V et le mécanisme est transpassif. À 10 % de persulfate, le taux est de 0,35 à 0,60 mm par an, le potentiel est de 1,8 à 2,0 V et le mécanisme est sévèrement transpassif.
Influence de la température sur la transition transpassive
La région transpassive se déplace vers des potentiels inférieurs à des températures plus élevées. À 25 degrés et 5 % de persulfate, le taux de corrosion est de 0,10 à 0,20 mm par an et le mécanisme est transpassif. À 40 degrés, le taux est de 0,15 à 0,30 mm par an. À 50 degrés, le taux est de 0,20 à 0,40 mm par an. À 60 degrés, le taux est de 0,30 à 0,60 mm par an. A 70 degrés, le taux dépasse 0,50 mm par an. Des températures plus élevées rendent la dissolution transpassive plus sévère.
**Guide de sélection des matériaux pour le service persulfate
Le tableau suivant fournit des recommandations pour les réchauffeurs dans les solutions de persulfate de sodium en fonction de la concentration et de la température.
| Concentration de persulfate (%) | Température (degré) | Taux de corrosion de niveau 2 (mm/an) | Taux de corrosion de grade 7 (mm/an) | Matériel recommandé |
|---|---|---|---|---|
| <1 | 50 | 0.05–0.10 | 0.03–0.06 | Grade 7 avec paroi épaisse |
| 1–3 | 40 | 0.08–0.15 | 0.05–0.10 | Titane avec revêtement en PTFE- |
| 1–3 | 50 | 0.12–0.25 | 0.08–0.15 | Non recommandé pour le titane |
| 3–5 | 30 | 0.10–0.20 | 0.06–0.12 | Tantale ou PTFE |
| >5 | N'importe lequel | >0.20 | >0.12 | Tantale ou PTFE |
Ingénierie au-delà de la sélection du titane
Le grade 7 a des taux de dissolution transpassive légèrement inférieurs à ceux du grade 2 (réduction de 30 à 50 %) en raison de l'enrichissement en palladium, mais l'amélioration n'est pas suffisante pour rendre le titane adapté au service au persulfate. L'épaisseur de la paroi offre une tolérance à la corrosion ; un mur de 2,0 mm avec une corrosion de 0,20 mm par an dure 10 ans, mais c'est marginal. Les éléments chauffants en titane recouverts de PTFE- isolent le métal de la solution de persulfate, offrant ainsi une excellente résistance. Le tantale a une gamme passive beaucoup plus large et résiste au persulfate. Le zirconium est également performant mais coûte cher.
Faire une spécification éclairée
Pour un thermoplongeur en titane dans 5 % de persulfate de sodium à 50 degrés, le taux de corrosion attendu est de 0,20 à 0,40 mm par an, ce qui est trop élevé pour un service à long terme. Spécifiez plutôt un élément chauffant en titane recouvert de PTFE- (couche de PTFE de 0,5 mm) ou un élément chauffant en tantale. Si du titane doit être utilisé, limitez la concentration en persulfate à 2 % et la température à 40 degrés, et utilisez une épaisseur de paroi de 2,5 mm. Pendant le fonctionnement, surveillez l'épaisseur du radiateur chaque année ; lorsque l'épaisseur de la paroi atteint 1,0 mm, remplacez le radiateur. En comprenant que le persulfate provoque une dissolution transpassive plutôt qu'une passivation, l'ingénieur sélectionne les matériaux appropriés pour cet environnement oxydant agressif.
