50度の5%過硫酸ナトリウム溶液中のチタン浸漬ヒーターの場合、なぜ過硫酸イオンは強力な酸化剤であるにもかかわらずチタンを不動態化せず、代わりに透過溶解を引き起こすのでしょうか?

過硫酸ナトリウム (Na₂S₂O₈) は強力な酸化剤で、S₂O₈²⁻/SO4²⁻ の標準還元電位は 2.01 V であり、硝酸の還元電位よりも高くなります。チタンの場合、過硫酸塩は持続的な不動態化ではなく、透過的な溶解を引き起こします。 50℃では、強い酸化電位によりチタン表面が従来の水素電極に対して1.8Vを超える過不動態領域に移動し、そこで不動態層が破壊され、チタンは年間0.2～0.5mmの速度でTi4 +として溶解します。透過性の溶解は均一であり、孔食はありません。しかし、ほとんどの用途では腐食速度が高すぎます。

過硫酸塩による透過的溶解のメカニズム

チタンには約 0 V ～ 1.8 V の安定した受動領域があります。1.8 V を超える電位では、TiO2 膜は可溶性 Ti 4 + 種に酸化されます: TiO2 + 2H2O → Ti 4 + + 4OH - + 2e - . 非常に強力な酸化剤である過硫酸塩中のチタンの総合電位は 1.7 ～ 2.0 V です。この範囲では、トランスパッシブ溶解電流が大きくなります。表面全体が透過領域にあるため、腐食は均一です。局所的な破断は起こらず、フィルムは継続的に溶解します。

過硫酸塩濃度の関数としての定量的腐食速度

グレード 2 チタンの場合、過硫酸ナトリウム中で 50 度、500 時間の管理された試験により、次のことが確認されています。過硫酸塩 0% (ベースライン) では、腐食速度は 0.005 ～ 0.010 mm/年、表面電位は 0.2 ～ 0.5 V、メカニズムは受動的です. 1% 過硫酸塩 0.05 ～ 0.12 mm/年 1.2 ～ 1.5 V 混合 3% 過硫酸塩の割合 0.12 ～ 0.25 mm/年 電位1.5 ～ 1.7 V のメカニズム トランスパッシブ開始 5% 過硫酸塩では、速度は 0.20 ～ 0.40 mm/年、電位は 1.7 ～ 1.9 V で、メカニズムはトランスパッシブです。速度は 10% 過硫酸塩で 0.35 ～ 0.60 mm/ 年、電位は 1.8 ～ 2.0 V、メカニズムは重度の過受動的です。

トランスパッシブ遷移に対する温度の影響

より高い温度では、トランスパッシブ領域はより低い電位にシフトします。腐食速度は透過的で、25 度、過硫酸塩 5% で 0.10 ～ 0.20 mm/年です。 40度で年間0.15～0.30mm成長します。速度は 50 度で 0.20 ～ 0.40 mm/年です。速度は 60 度で年間 0.30 ～ 0.60 mm です。 70 度を超えると、その速度は 0.50 mm/ 年を超えます。温度が高くなるほど、透過的溶解はより深刻になります。
**過硫酸塩サービスにおける材料選択ガイド

次の表は、濃度と温度に応じた過硫酸ナトリウム溶液の加熱に関する推奨事項を示しています。

過硫酸塩濃度 (%) 温度 (度) グレード 2 腐食速度 (mm/年) 腐食速度 (mm/年) グレード 7 推奨材質<1 50 0.05–0.10 0.03–0.06 Grade 7 with thick wall 1–3 40 0.08–0.15 0.05–0.10 PTFE-coated titanium 1–3 50 0.12–0.25Not recommended for titanium 3–5 30 0.10–0.20 0.06–0.12 Tantalum or PTFE >5 Any >0.20 >0.12 タンタルまたは PTFE
チタン以降のエンジニアリングの選択

グレード 7 の超不動態溶解速度は、パラジウム濃縮によりグレード 2 よりわずかに低くなります (30 ～ 50% の減少) が、この改善はチタンを過硫酸塩サービスに適したものにするのに十分ではありません。肉厚は腐食許容値として示されています。壁厚が 2.0 mm、年間 0.20 mm の腐食であれば、壁は 10 年間耐えられますが、これは無視できる程度です。 PTFE コーティングされたチタン ヒーターは優れた抵抗を提供し、金属を過硫酸塩溶液から隔離します。タンタルははるかに高い受動範囲を示し、過硫酸塩耐性があります。ジルコニウムも効果はありますが、高価です。

仕様の信頼性

5% 過硫酸ナトリウム、50 度でのチタン浸漬ヒーターの予測腐食速度は年間 0.20 ～ 0.40 mm ですが、これは長期使用には高すぎます。 PTFE コーティングされたチタン ヒーターまたはタンタル ヒーターを使用してください。. 0.5 mm PTFE 壁の厚さは 2.5 mm、チタンが必要な場合は、過硫酸塩濃度を 2%、温度を 40 度に保つ必要があります。 1年に1回、運転中にヒータの厚みを確認してください。壁厚が1.0mmの場合はヒーターを交換してください。過硫酸塩は不動態化剤ではなく、超不動態溶解剤であることを知っているので、エンジニアはこの厳しい酸化環境に適した材料を選択します。