Kako vruća koncentrirana otopina kalijevog cijanida (5–10%) na 50–80 stupnjeva mijenja potrebnu debljinu stijenke kvarcnog plašta za grijače za rudarenje zlata i galvanizaciju?

Alkalna kompleksacija Vruće otopine cijanida Napad topljenog silicija

KCN je ključno sredstvo za ispiranje u rudarstvu zlata (proces cijanizacije) i primarna komponenta elektrolita u galvanizaciji zlata, srebra i bakra. Uobičajene koncentracije su 5-10% po težini u vodenoj otopini, s radnom temperaturom od 50-80oC (povišeno za povećanje stope ispiranja ili poboljšanje kvalitete nanošenja). Hidroliza cijanida rezultira CN− + H2O ⇌ HCN + OH− . To čini otopinu prilično alkalnom (pH 11-12). U otopinama cijanida ponekad se koriste kvarcni grijači za uranjanje jer taljeni silicij ima visoku otpornost na većinu alkalnih otopina. Ali zagrijani, koncentrirani cijanid ima vlastiti korozivni mehanizam. Hidrolizom nastaju hidroksidni ioni (OH-) koji napadaju mrežu silicija i stvaraju topive silikate. Cijanidni ion (CN - ) također je snažno sredstvo za stvaranje kompleksa, sposobno formirati topive komplekse silicij-cijanid (iako manje stabilne od napada hidroksida). Brzina korozije je usporediva s brzinom razrijeđenog natrijevog hidroksida pri istom pH, ali s dodanom komponentom za kompleksiranje. U ovom radu kvantificirani su učinci koncentracije KCN (5-10%), temperature (50-80 stupnjeva) i pH otopine na ravnomjerne stope korozije taljenog silicija. Izvedena je potrebna debljina stjenke kvarcnog plašta za grijače za rudarenje zlata i galvanizaciju u praktičnim servisnim intervalima (2000 do 8000 sati).

Kinetika korozije taljenog silicija u vrućem kalijevom cijanidu

Kvarcna korozija u otopinama KCN uzrokovana je hidroksidnim ionima nastalim hidrolizom cijanida. pH je oko 11,5-12,0 na 25 stupnjeva 5% KCN (približno . 0.8 M) pH malo raste na 70 stupnjeva zbog veće hidrolize (pKa HCN je 9,2 na 25 stupnjeva, niži na višim temperaturama). Koncentracija OH- je 0,001-0,01 M. To je otprilike 0,1% NaOH. Sam cijanidni ion također može biti izravno uključen u napad: CN− se može koordinirati s atomima silicija na površini, slabeći vezu Si-O-Si i omogućujući hidrolizu. Konačni rezultat je brzina korozije 20-40% veća nego u NaOH pri istom pH.

Ispitivanje uranjanjem u 8% KCN na 70 stupnjeva topljenog kvarca visoke čistoće pokazalo je postojanu brzinu korozije od 0,0005-0,001 mm/sat. Na 80 stupnjeva brzina se povećava do 0,001-0,002 mm/sat. Na 50 stupnjeva brzina je 0,0002–0,0004 mm/sat. Za usporedbu, kvarc korodira brzinom od 0,0003-0,0006 mm/sat u 0,01 M NaOH (pH 12) na 70 stupnjeva. Kvarcni omotač od 2,0 mm na 70 stupnjeva izgubio bi 0,0008 mm/sat × 2500 sati=2.0 mm, ili životni vijek od oko 2500 sati (3,5 mjeseci). 3.0 mm zid 3750 sati 4,0 mm zid 5000 sati Za kontinuirano rudarenje zlata praktičan je zid od 3,0-4,0 mm sa kvartalnom zamjenom. Kada je galvaniziran na nižim temperaturama (50-60 stupnjeva) njegov vijek trajanja je znatno duži.

Lokalizirani piting i sigurnosni problemi

Otopine cijanida su prilično otrovne, a kvar grijača predstavlja opasnost po sigurnost. Metalni grijači brzo korodiraju i mogu unijeti metalne nečistoće koje ometaju dobivanje zlata. Stoga se koriste kvarcni grijači. Ali ako se kvarc slomi, grijaći element (obično NiCr ili nehrđajući čelik) može reagirati s cijanidom, možda stvarajući otrovne pare. Deblji kvarcni zid nudi veću sigurnosnu zaštitu od pucanja uslijed toplinskog naprezanja ili mehaničke sile. Za uslugu cijanida predlaže se minimalna debljina stijenke od 2,5 mm bez obzira na procjene korozije.

Kristalizacija cijanida je opasnost u zoni meniskusa. Kalijev cijanid je otapajući i može proizvesti koncentrirani alkalni sloj koji potiče napad. Parni štit ili grijani gornji omotač sprječavaju kristalizaciju.

Toplinska šteta debljih stijenki u otopinama cijanida

Na 70 stupnjeva toplinska vodljivost otopina kalijevog cijanida na 8% je oko 0,60–0,65 W/(m·K)-slično vodi. Za zid od 2,5 mm R_cond=0.00181, za zid od 4,0 mm R_cond=0.00290. Za h=800 W/(m2K) U se smanjuje s ~380 na 280 W/(m2K), smanjenje od 26%. Ova kazna je prihvatljiva jer postoje sigurnosne prednosti imati deblji zid.

Matrica odabira temeljena na scenariju

Scenarij primjene Preporučena debljina stijenke Obrazloženje jezgre
Cijanidacija zlata (8 % KCN, 70 stupnjeva, kontinuirano, 3 mjeseca zamjene) 3,0 – 4,0 mm, kvarc visoke čistoće Brzina korozije ~0,0008 mm/h Sigurnosna granica protiv pucanja osigurava deblja stijenka. U ≈ 300-350 W/(m2·K)
Electroplating (5 % KCN, 55 C, continuous) 2.5 – 3.0 mm Rate ~0.0003 mm/hour → 3.0 mm yields >10 000 sati. Sigurnosna granica je obavezna.
Laboratorijski cijanid (niska koncentracija, 50 stupnjeva) 2,0 – 2,5 mm Prihvatljivo, ali se mora pomno pratiti.
Promjene dizajna koje nadopunjuju: Korozija je smanjena održavanjem niske temperature (ispod 70 stupnjeva). Dodavanje vapna (CaO) stabilizira cijanid i smanjuje hidrolizu. Redovite provjere debljine su obavezne. PTFE parne brane štite od napada meniskusa.