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, et que se passe-t-il à pH 9 ?

Dans les solutions de métasilicate de sodium (Na₂SiO₃) à 80 degrés, les ions silicate polymérisent sur les surfaces en titane. À des valeurs de pH supérieures à 11, un film protecteur continu, non -poreux, de 0,5 à 2 µm d'épaisseur, se forme à partir du silicate. À pH 9, le revêtement est poreux, fracturé et non-protecteur et permet la pénétration de chlorure ou d'autres espèces agressives et les piqûres. L’écart est dû à l’état de polymérisation des ions silicates. À pH élevé, le silicate se présente sous forme d'ions SiO₄⁴⁻ monomères, qui créent une couche vitreuse dense. À faible pH, le silicate polymérise pour donner des chaînes colloïdales qui donnent une structure poreuse fracturée.

Le mécanisme de formation du film de silicate dépendant du pH-

The polymerization of silicate ions SiO4 4- + H2O HSiO4 3- + OH- At high pH (>11) l’équilibre se déplace vers les ions monomères qui se déposent sous la forme d’une épaisse couche de silice amorphe. À pH 9-10, les ions polymérisent en structures en forme de chaîne qui construisent un réseau poreux. Le film utilise également des ions sodium pour créer un verre de silicate de sodium. La capacité de protection est définie par la densité du film et l'absence de microfissures.

Qualité quantitative du film en fonction du pH.

Ce qui suit a été établi pour le titane de grade 2 par des tests contrôlés dans 10 % de Na2SiO3 à 80 degrés pendant 500 heures : à pH 8, l'épaisseur du film est de 0,1 à 0,3 µm, la porosité du film est considérable, le taux de corrosion est de 0,15 à 0,30 mm par an et des piqûres existent. À pH 9, l'épaisseur est de 0,2 à 0,5 µm, la porosité est élevée, le taux de corrosion est de 0,08 à 0,20 mm par an et les piqûres sont occasionnelles. À pH 10, l'épaisseur est de 0,5 à 1,0 µm, la porosité modérée, le taux de corrosion de 0,04 à 0,10 mm/an et les piqûres peu fréquentes. À pH 11, l'épaisseur est de 1,0 à 1,5 µm, la porosité est minime, le taux de corrosion est de 0,02 à 0,05 mm/an et les piqûres sont absentes. L'épaisseur est de 1,5 à 2,5 μm, la porosité est très faible, le taux de corrosion est de 0,01 à 0,03 mm/an et aucune piqûre ne se produit à pH 12. À pH 13, l'épaisseur est de 2,0 à 3,0 μm, la porosité est très faible, le taux de corrosion est de 0,005 à 0,015 mm/an et aucune piqûre n'est observée.

Effet de la température sur les exigences en pH

Le pH critique du film protecteur dépend de la température. Le pH minimal est de 10,5 à 60 o C tandis que le pH suggéré est de 11,0. À 80 degrés, le minimum est de 11,0 et le recommandé de 11,5. Le minimum est de 11,5 à 100 degrés et celui suggéré est de 12,0. Le minimum est de 12,0 et le recommandé est de 12,5 à 120 °C. Des températures plus élevées favorisent la polymérisation des silicates et nécessitent donc un pH plus élevé pour conserver les silicates sous forme monomère.

Guide de contrôle du pH du service de métasilicate de sodium

Le tableau ci-dessous est un guide pour le contrôle du pH afin de maintenir un film protecteur de silicate sur les éléments chauffants en titane de grade 2 dans 10 % de métasilicate de sodium à 80 degrés.

pH of Operation Film Quality Corrosion Rate (mm/year)Pitting Risk Recommended Action >11 Protection<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 Non-protecteur 0,15–0,30 Solution de refonte élevée<8 Unstable >0,30 Grave Inacceptable
Ingénierie sur le contrôle du pH

Le pH requis est dicté par la qualité du titane. Le grade 7 (palladium-stabilisé) génère un revêtement protecteur de silicate à un pH de 10,5 à 11,0, légèrement inférieur au grade 2. Le grade 2 est le même que le grade 12. L'épaisseur de la paroi offre une marge de corrosion si le film n'est pas absolument protecteur. La formation du film est influencée par la teneur en silicate. 5 % de Na 2 SiO 3 nécessite un pH de 11,5. À 15 % de Na2SiO3, le pH requis est de 10,5. Les chlorures (provenant des impuretés) augmentent les exigences en pH de 0,5 à 1,0 unité de pH. Un pH-mètre calibré pour un pH élevé doit être utilisé pour surveiller la solution.

Faire une spécification avec des connaissances

Ajoutez de l'hydroxyde de sodium pour maintenir le pH au-dessus de 11,0 pour un thermoplongeur en titane dans 10 % de métasilicate de sodium à 80 degrés. Installez un contrôleur de pH avec alarme à 10,8 et verrouillage à 10,5. Ajoutez du NaOH aux systèmes existants dont le pH est inférieur à 11 pour élever le pH à 11,5. Si le pH ne peut pas être augmenté, utilisez du titane de grade 7 ou abaissez la température à 60 degrés. Vérifiez la présence de piqûres sur la surface du radiateur pendant le fonctionnement. Augmentez immédiatement le pH si des piqûres sont observées. L'ingénieur maintient le pH au-dessus de 11 pour développer un revêtement de silicate protecteur et non poreux sur le titane.