O acetato de sódio (CH₃COONa) na concentração de 50% e 90 graus é usado no tingimento têxtil e como agente tampão. A solução é alcalina (pH 8–9). A impureza do ácido acético proveniente da hidrólise ou contaminação reduz o pH. Quando o pH cai abaixo de 5, o filme passivo de titânio torna-se instável e a reação catódica muda da redução do oxigênio para a evolução do hidrogênio. O hidrogênio atômico pode se difundir na rede de titânio e formar hidrogênio molecular nos vazios internos, causando bolhas na superfície. A impureza máxima permitida de ácido acético para evitar bolhas de hidrogênio é de 500 ppm (0,05%). Acima desse nível, o pH cai abaixo de 5 e bolhas se formam em 100–500 horas.

O mecanismo de formação de bolhas de hidrogênio em soluções de acetato

No acetato de sódio alcalino, a reação catódica é a redução do oxigênio, que não produz átomos de hidrogênio. O ácido acético reduz o pH: CH₃COOH → CH₃COO⁻ + H⁺. Em pH abaixo de 5, a reação de evolução do hidrogênio 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ torna-se termodinamicamente favorável. O intermediário de hidrogênio atômico (H) é produzido na superfície do titânio. Algum hidrogênio atômico se recombina para formar o gás H₂, mas uma fração se difunde na rede de titânio. Os átomos de hidrogênio migram para vazios internos, inclusões ou limites de grãos, onde se recombinam para formar o gás H₂. A pressão do gás aumenta, causando bolhas superficiais que podem romper.

Bolhas quantitativas em função da concentração de ácido acético

Testes controlados em acetato de sódio a 50% com impureza variável de ácido acético a 90 graus durante 500 horas estabeleceram o seguinte. Com ácido acético abaixo de 100 ppm, o pH é 8,5–9,0, não ocorre evolução de hidrogênio, não se formam bolhas e a superfície permanece brilhante. A 100–300 ppm, o pH é 6,0–7,5, pode ocorrer evolução de vestígios de hidrogénio, mas não aparecem bolhas visíveis. A 300–500 ppm, o pH é 5,0–6,0, pequenas bolhas ocasionais (<0.5 mm diameter) form after 300–500 hours, and the blister density is 1–5 per cm². At 500–1,000 ppm, the pH drops to 4.0–5.0, moderate blistering occurs with blister size 0.5–2 mm, blister density reaches 5–20 per cm², and blistering initiates within 100–300 hours. Above 1,000 ppm, the pH falls below 4.0, severe blistering occurs with blister size exceeding 2 mm, blister density exceeds 20 per cm², and blistering initiates within 50–150 hours.

Influência da temperatura e do nível de oxigênio no limiar de formação de bolhas

The maximum allowable acetic acid decreases with increasing temperature. At 70°C, the allowable acetic acid is 1,000 ppm (0.1%). At 80°C, it is 750 ppm. At 90°C, it is 500 ppm. At 100°C, it is 300 ppm. At 110°C, it is 150 ppm. Dissolved oxygen level also affects the threshold; deaerated solutions cause blistering at lower acetic acid concentrations because oxygen reduction is not available to compete with hydrogen evolution. Aerated solutions (oxygen >5 ppm) aumentam o ácido acético permitido em 30–50%.

Guia de controle de impurezas de ácido acético para aquecedores de acetato de sódio

A tabela a seguir fornece concentrações máximas permitidas de ácido acético para aquecedores de titânio Grau 2 em acetato de sódio a 50% a 90 graus, com base na vida útil desejada e na tolerância à formação de bolhas.

Engenharia além do controle de ácido acético

O grau de titânio afeta a resistência à formação de bolhas. O grau 7 (paládio-estabilizado) tem tolerância 3 a 5 vezes maior ao ácido acético porque o paládio catalisa a recombinação do hidrogênio, reduzindo a quantidade de hidrogênio que entra no metal. A 12ª série oferece melhoria intermediária. A espessura da parede não evita bolhas, mas paredes espessas podem tolerar mais bolhas antes do vazamento. O pH da solução deve ser monitorado semanalmente; se o pH cair abaixo de 7, adicione hidróxido de sódio para aumentá-lo. A cobertura de nitrogênio para excluir o oxigênio reduz o limite permitido de ácido acético. A adição de um oxidante como o nitrito de sódio (100 ppm) aumenta o limiar, promovendo a redução do oxigênio em relação à evolução do hidrogênio.

Fazendo uma especificação informada

Para um aquecedor de titânio Grau 2 usado para aquecer 50% de acetato de sódio a 90 graus, mantenha a impureza de ácido acético abaixo de 300 ppm para fornecer uma margem de segurança abaixo do limite de formação de bolhas de 500 ppm. Monitore o pH semanalmente; se o pH cair abaixo de 7, adicione hidróxido de sódio a 0,1% para restaurar a alcalinidade. Para aplicações onde os níveis de ácido acético excedem 500 ppm, especifique titânio Grau 7 ou adicione um oxidante como 100 ppm de nitrito de sódio. Durante a operação, inspecione a superfície do aquecedor em busca de bolhas a cada 3 meses; se forem encontradas bolhas, neutralize a solução e substitua o aquecedor. Ao controlar a impureza do ácido acético abaixo de 500 ppm, o engenheiro evita bolhas de hidrogênio em aquecedores de titânio Grau 2 em serviços de acetato de sódio.