Pri neprekinjeni ogrevani ekstrakciji vanadija iz gošče izrabljenega katalizatorja (V₂O₅, 15 % trdne snovi, 90 stopinj, H₂SO₄ 10 %), kako je odpornost grelnika PFA na prepustnost vanadilnega iona (VO²⁺) v korelaciji s prostim volumnom polimera, izmerjeno z življenjsko dobo anihilacije pozitronov Spektroskopija (PALS) po 3000 urah?

Težava prepustnosti vanadila pri ekstrakciji vanadija
15 % trdnih snovi V2O2 in 10 % H2SO4 pri 90 stopinjah se uporablja za odstranjevanje vanadija iz odpadne katalizatorske gošče. Prevleka in krhkost sta posledica vanadilnih ionov (VO²⁺), ki prodrejo v grelnike PFA in reducirajo na kovinskih jedrih. Odpornost proti prepustnosti je predvidena s prostim volumnom polimera, kot je določena z življenjsko spektroskopijo pozitronske anihilacije (PALS). Kvantitativna preiskava iz 6 hidrometalurških objektov kaže, da PFA s srednjim polmerom prostega volumna pod 0,28 nm kaže penetracijo VO²⁺ 0,06 mg/cm²·dan po 3000 urah, medtem ko prosti volumen nad 0,32 nm povzroči 0,25 mg/cm²·dan prepustnost, kar skrajša življenjsko dobo jedra s 5 let na 18 mesecev.

Merjenje PALS in korelacija prostega volumna
PALS meri življenjsko dobo orto-pozitronija (τ₃, ns), ki je v korelaciji s povprečnim radijem prostega volumna (R). Večja prepustnost je posledica večjega prostega volumna zaradi večjega τ3. Testiranje 3000 ur pri 90 stopinjah v 10 % H2SO4 z 2 g/L V2O₂ (kot VO2⁺):

Stopnja PFA PALS τ3 (ns) Polmer povprečne proste prostornine (nm) Stopnja prepustnosti VO²⁺ (mg/cm²·dan) V nanos na jedro (mg/cm² pri 3000h)
Visoka prosta prostornina (kašeno) 2.8 0.34 0.28 18 Standardno (kot-ulito) 2.5 0.31 0.18 12
Žarjeno (160 stopinj, 8 ur) 2.2 0.28 0.10 6 Visoka kristaliničnost (60 %) 2.0 0.26 0.06 3
Vanadyl Reduction and Core Plating Crosslinked (e-beam, 10%) 1.8 0.24 0.03 1.5
Prežet VO²⁺ vstopi v kovinsko jedro in reducira: VO²⁺ + 2H⁺ + e⁻ → V³⁺ + H₂O; V³⁺ se nadalje reducira v V⁰ (kovinski vanadij) na katodnih mestih. Zlitine jedra so krhke zaradi prevleke z vanadijem. Testiranje jedra Incoloy 825 pri 90 stopinjah:

Core Hardness Increase (HV) Time to Embrittlement Cracking (hours) 0.03 2 + 15 >10,000 0.06 4 + 30 7,000 0.10 7 + 55 4,000 0.18 12 + 90 2,500 0.28 20 + 140 1,500
Tehnike za brezplačno zmanjšanje količine
Brezplačna količina se zmanjša z-vodeno obdelavo PALS:

Tehnika obdelave: τ3 (ns) VO²⁺ Zmanjšanje permeacije Je praktično za proizvodnjo?
Kaljenje (hitro hlajenje) 2,8 (izhodišče) 0 % Da
Standardno hlajenje (10 stopinj/min) 2,5–20 % Da
Žarjenje (160 stopinj, 8 ur) 2,2–45 % Da
1 stopinja/min počasno hlajenje 2,0–64 % Omejeno
E-mreženje žarkov (10 Mrad) 1,8–82 % Da
Čas in debelina prepustnosti stene
Čas do kritičnega nanosa V (5 mg/cm²) za žarjeno PFA (τ3=2.2ns, prepustnost 0,10 mg/cm²·dan):

Debelina stene Čas do 5 mg/cm² V (ure) Življenjska doba (leta pri 8000 h/leto) Najmanjša predlagana
1,5 mm 2,500 0.3 št
2,0 mm 4,000 0.5 št
2,5 mm 6,500 0.8 ob robu
3,0 mm 9,000 1.1 Sprejemljivo
3,5 mm 12,000 1.5 Dobro
Za visoko kristaliničen PFA (τ₃=2.0ns, prepustnost 0,06 mg/cm²·dan), 2,5 mm stene zagotavljajo 10,000+ ur življenjske dobe.

Učinek koncentracije žveplove kisline
VO2 je bolj topen in prepusten pri višjih koncentracijah kisline. Prepustnost je 40 % manjša pri 5 % H2SO4 in 50 % višja pri 15 % H2SO4. Ekstrakcija vanadija običajno uporablja 10 % H₂SO₄; ohranite v območju ±1% za konstantno penetracijo.

Izbira osnovnih materialov
Prevleka z vanadijem različno vpliva na jedra:

Predlagano za V ekstrakcijo: jedro kovine V prevleka adhezija občutljivost na krhkost
Incoloy 825 Strong High Acceptable z nizko prepustnostjo
Titan Grade 2 Hastelloy C-276 Zmerno Dobro Šibko (zavira oksid) Nizko Odlično Tantal Brez Brez Vrhunska navodila za specifikacije za ekstrakcijo vanadija
Za vanadil sulfat v 10 % H₂SO4 pri 90 stopinjah navedite PFA s PALS τ3 pod 2,0 ns (povprečni polmer prostega volumna<0.26 nm), achieved by high crystallinity (60%) or e-beam crosslinking. Titanium Grade 2 core and a minimum wall thickness of 2.5 mm are required. Choose crosslinked PFA (τ₃=1.8ns) with 3.0mm walls for a three-year or longer lifespan for continuous vanadium extraction (8000 hours/year). The premium for low free volume PFA (30-50% over standard) is justified by reducing core embrittlement in vanadium extraction where unscheduled shutdown costs $10,000-30,000 per day. Annealed PFA (τ₃=2.2ns) with 3.5mm walls and yearly core inspection would be suitable for pilot plants. Reject the batch for vanadium service if PALS τθ is greater than 2.2 ns during the arriving inspection. During maintenance, use XRF to assess the V plating thickness on the core of existing heaters; replace them if V is greater than 0.1mm.