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、PH 9 では何が起こるの?
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In sodium metasilicate (Na₂SiO₃) solutions at 80°C, silicate ions polymerize on titanium surfaces. At pH >図 11 に示すように、ケイ酸塩は厚さ 0.5 ～ 2 μm の連続した非多孔質の保護膜を形成します。 pH 9 では、フィルムは多孔質でひび割れがあり、保護力がないため、塩化物やその他の攻撃的な種が浸透して孔食を引き起こす可能性があります。その違いはケイ酸イオンの重合状態に起因します。高い pH では、ケイ酸塩はモノマー SiO44- イオンとして存在し、緻密なガラス状の膜を形成します。より低い pH では、ケイ酸塩が重合してコロイド鎖になり、多孔質でひび割れた構造が生成されます。
pH 依存性のケイ酸塩膜形成のメカニズム-
The polymerization of silicate ions follows: SiO₄⁴⁻ + H₂O → HSiO₄³⁻ + OH⁻. At high pH (>11)、平衡はモノマーイオンに有利に働き、それが高密度の非晶質シリカ膜として堆積します。 pH 9～10 では、イオンが重合して鎖状の構造になり、多孔質のネットワークが形成されます。{4}}フィルムにはナトリウムイオンも取り込まれ、ケイ酸ナトリウムガラスを形成します。保護品質は、フィルムの密度と微小亀裂の有無によって決まります。-
pH の関数としての定量的な膜品質
10% Na2SiO3 中で 80 度で 500 時間にわたる制御されたテストにより、グレード 2 チタンについて次のことが確立されました。 pH 8 では、膜の厚さは 0.1 ～ 0.3 μm、膜の気孔率は高く、腐食速度は年間 0.15 ～ 0.30 mm で、孔食が存在します。 pH 9 では、厚さは 0.2 ～ 0.5 μm、気孔率が高く、腐食速度は年間 0.08 ～ 0.20 mm、孔食が発生することがあります。 pH 10 では、厚さは 0.5 ～ 1.0 μm、気孔率は中程度、腐食速度は年間 0.04 ～ 0.10 mm、孔食はほとんどありません。 pH 11 では、厚さは 1.0 ～ 1.5 μm、気孔率は低く、腐食速度は年間 0.02 ～ 0.05 mm で、孔食は発生しません。 pH 12 では、厚さは 1.5 ～ 2.5 μm、気孔率は非常に低く、腐食速度は年間 0.01 ～ 0.03 mm で、孔食は発生しません。 pH 13 では、厚さは 2.0 ～ 3.0 μm、気孔率は非常に低く、腐食速度は年間 0.005 ～ 0.015 mm で、孔食は発生しません。
pH要件に対する温度の影響
保護フィルムに必要な最低 pH は温度とともに増加します。 60 度では、最小 pH は 10.5 で、推奨 pH は 11.0 です。 80 度では、最小値は 11.0、推奨値は 11.5 です。 100 度では、最小値は 11.5、推奨値は 12.0 です。 120 度では、最小値は 12.0、推奨値は 12.5 です。温度が高くなるとケイ酸塩の重合が促進され、モノマー状態を維持するためにより高い pH が必要になります。
メタケイ酸ナトリウムサービスの pH 管理ガイド
次の表は、80 度の 10% メタケイ酸ナトリウム中でグレード 2 チタン ヒーター上の保護ケイ酸塩膜を維持するための pH 制御の推奨事項を示しています。
| 動作時のpH | フィルムの品質 | 腐食速度 (mm/年) | 穴あきのリスク | 推奨されるアクション |
|---|---|---|---|---|
| >11 | 保護 | <0.05 | なし | なし |
| 10–11 | 限界 | 0.05–0.10 | 低い | NaOHでpHを上げる |
| 9–10 | 貧弱、多孔質 | 0.10–0.20 | 適度 | Add NaOH to raise to >11 |
| 8–9 | 非保護的- | 0.15–0.30 | 高い | ソリューションを再設計する |
| <8 | 不安定 | >0.30 | 厳しい | 受け入れられない |
pH制御を超えたエンジニアリング
チタンのグレードは必要な pH に影響します。グレード 7 (パラジウム-安定化) は、グレード 2 よりわずかに低い pH 10.5 ～ 11.0 で保護ケイ酸塩膜を形成します。グレード 12 はグレード 2 と同様の挙動を示します。膜が完全に保護していない場合、壁の厚さにより腐食許容量が得られます。ケイ酸塩の濃度は膜形成に影響します。 5% Na₂SiO₃ では、必要な pH は 11.5 です。 15% Na2SiO3 では、必要な pH は 10.5 です。塩化物（不純物による）が存在すると、必要な pH が 0.5 ～ 1.0 単位増加します。溶液は、高 pH 溶液用に校正された pH メーターで監視する必要があります。-。
情報に基づいた仕様の作成
80 度の 10% メタケイ酸ナトリウムにチタン浸漬ヒーターを使用する場合は、水酸化ナトリウムを添加して pH を 11.0 以上に維持します。アラームを 10.8 に設定し、インターロックを 10.5 に設定した pH コントローラーを設置します。 pH が 11 未満の既存のシステムの場合は、NaOH を追加して pH を 11.5 に上げます。 pHを上げることができない場合は、グレード7のチタンを使用するか、温度を60度まで下げてください。動作中に、ヒーター表面に穴があいていないかを検査してください。孔食が観察された場合は、すぐに pH を上げてください。 pH を 11 以上に制御することで、エンジニアはチタン上に保護用の非多孔質ケイ酸塩膜を確実に形成します。-
