In sodium metasilicate (Na₂SiO₃) solutions at 80°C, silicate ions polymerize on titanium surfaces. At pH >11, il silicato forma una pellicola protettiva continua, non-porosa, con uno spessore di 0,5–2 µm. A pH 9, la pellicola è porosa, fessurata e non-protettiva, consentendo al cloruro o ad altre specie aggressive di penetrare e causare vaiolature. La differenza deriva dallo stato di polimerizzazione degli ioni silicato. A pH elevato, il silicato esiste come ioni monomerici SiO₄⁴⁻ che formano una pellicola densa e vetrosa. A pH più basso, il silicato polimerizza in catene colloidali che producono una struttura porosa e fessurata.

Il meccanismo di formazione della pellicola di silicato-dipendente dal pH

The polymerization of silicate ions follows: SiO₄⁴⁻ + H₂O → HSiO₄³⁻ + OH⁻. At high pH (>11), l'equilibrio favorisce gli ioni monomerici, che si depositano sotto forma di un denso film di silice amorfa. A pH 9–10, gli ioni polimerizzano in strutture a catena-che creano una rete porosa. La pellicola incorpora anche ioni sodio, formando un vetro di silicato di sodio. La qualità protettiva è determinata dalla densità della pellicola e dall'assenza di micro-fessure.

Qualità quantitativa del film in funzione del pH

Test controllati in Na₂SiO₃ al 10% a 80 gradi per 500 ore hanno stabilito quanto segue per il titanio di grado 2. A pH 8, lo spessore del film è 0,1–0,3 µm, la porosità del film è elevata, la velocità di corrosione è 0,15–0,30 mm all’anno ed è presente vaiolatura. A pH 9, lo spessore è 0,2–0,5 µm, la porosità è elevata, la velocità di corrosione è 0,08–0,20 mm all’anno e la vaiolatura è occasionale. A pH 10, lo spessore è 0,5–1,0 µm, la porosità è moderata, la velocità di corrosione è 0,04–0,10 mm all’anno e la vaiolatura è rara. A pH 11, lo spessore è 1,0–1,5 µm, la porosità è bassa, la velocità di corrosione è 0,02–0,05 mm all’anno e non si verificano vaiolature. A pH 12, lo spessore è di 1,5–2,5 µm, la porosità è molto bassa, la velocità di corrosione è di 0,01–0,03 mm all’anno e non si verificano vaiolature. A pH 13, lo spessore è di 2,0–3,0 µm, la porosità è molto bassa, la velocità di corrosione è di 0,005–0,015 mm all’anno e non si verificano vaiolature.

Influenza della temperatura sul requisito del pH

Il pH minimo richiesto per una pellicola protettiva aumenta con la temperatura. A 60 gradi, il pH minimo è 10,5 e il pH consigliato è 11,0. A 80 gradi, il minimo è 11,0 e quello consigliato è 11,5. A 100 gradi, il minimo è 11,5 e quello consigliato è 12,0. A 120 gradi, il minimo è 12,0 e quello consigliato è 12,5. Temperature più elevate promuovono la polimerizzazione dei silicati, richiedendo un pH più elevato per mantenere lo stato monomerico.

Guida al controllo del pH per il servizio del metasilicato di sodio

La tabella seguente fornisce raccomandazioni per il controllo del pH per mantenere una pellicola protettiva di silicato sui riscaldatori in titanio di grado 2 in metasilicato di sodio al 10% a 80 gradi.

Ingegneria oltre il controllo del pH

Il grado di titanio influisce sul pH richiesto. Il Grado 7 (stabilizzato con palladio-) forma una pellicola protettiva di silicato a pH 10,5–11,0, leggermente inferiore al Grado 2. Il Grado 12 offre un comportamento simile al Grado 2. Lo spessore della parete fornisce una tolleranza alla corrosione se la pellicola non è completamente protettiva. La concentrazione di silicati influisce sulla formazione del film; al 5% di Na₂SiO₃, il pH richiesto è 11,5. Al 15% di Na₂SiO₃, il pH richiesto è 10,5. La presenza di cloruri (provenienti da impurità) aumenta il pH richiesto di 0,5–1,0 unità. La soluzione deve essere monitorata con un pHmetro calibrato per soluzioni con pH elevato.

Fare una specifica informata

Per un riscaldatore ad immersione in titanio in metasilicato di sodio al 10% a 80 gradi, mantenere il pH superiore a 11,0 aggiungendo idrossido di sodio. Installare un regolatore di pH con un allarme impostato su 10,8 e un interblocco su 10,5. Per i sistemi esistenti con pH inferiore a 11, aggiungere NaOH per aumentare il pH a 11,5. Se non è possibile aumentare il pH, utilizzare titanio di grado 7 o ridurre la temperatura a 60 gradi. Durante il funzionamento, ispezionare la superficie del riscaldatore per individuare eventuali vaiolature; se si osserva vaiolatura, aumentare immediatamente il pH. Controllando il pH sopra 11, l'ingegnere garantisce la formazione di una pellicola protettiva di silicato non-porosa sul titanio.