De alkalische complexatie-aanval van hete cyanideoplossingen op gesmolten silica
Kaliumcyanide (KCN) is het essentiële vloeibaarheidsmiddel bij de goudwinning (cyanidatieproces) en de primaire elektrolytcomponent bij het galvaniseren van goud, zilver en koper. Typische concentraties variëren van 5 tot 10 gewichtsprocent in een waterige oplossing, met bedrijfstemperaturen van 50 tot 80 graden (verhoogd om de uitloogsnelheid te versnellen of de galvanisatiekwaliteit te verbeteren). De oplossing is zeer alkalisch (pH 11–12) als gevolg van cyanidehydrolyse: CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻. Kwartsdompelverwarmers worden soms gebruikt in cyanideoplossingen omdat gesmolten silica uitstekend bestand is tegen de meeste alkalische oplossingen. Heet geconcentreerd cyanide vertoont echter een uniek corrosiemechanisme. De hydroxide-ionen (OH⁻) uit de hydrolyse vallen het silicanetwerk aan en vormen oplosbare silicaten. Bovendien is het cyanide-ion (CN⁻) een sterke complexvormer die oplosbare silicium-cyanidecomplexen kan vormen (hoewel deze minder stabiel zijn dan hydroxide-aanval). De corrosiesnelheid is vergelijkbaar met die van verdund natriumhydroxide bij dezelfde pH maar met een extra complexeringscomponent. Deze analyse kwantificeert hoe de KCN-concentratie (5–10%), de temperatuur (50–80 graden) en de pH van de oplossing de uniforme corrosiesnelheid van gesmolten silica beïnvloeden. De vereiste wanddikte van de kwartsmantel om praktische onderhoudsintervallen (2.000–8.000 uur) te bereiken bij goudwinnings- en galvaniseerverwarmers is afgeleid.
Corrosiekinetiek van gesmolten silica in heet kaliumcyanide
De corrosie van kwarts in KCN-oplossingen wordt aangedreven door hydroxide-ionen uit cyanidehydrolyse. Bij 5% KCN (ongeveer 0,8 M) is de pH bij 25 graden ongeveer 11,5–12,0. Bij 70 graden stijgt de pH lichtjes als gevolg van verhoogde hydrolyse (pKa van HCN is 9,2 bij 25 graden, afnemend bij hogere temperaturen). De OH⁻-concentratie is 0,001–0,01 M, vergelijkbaar met 0,1% NaOH. Het cyanide-ion kan ook rechtstreeks deelnemen aan de aanval: CN⁻ kan coördineren met siliciumatomen aan het oppervlak, waardoor de Si-O-Si-binding wordt verzwakt en hydrolyse wordt vergemakkelijkt. Het netto-effect is een corrosiesnelheid die ongeveer 20-40% hoger is dan die van NaOH bij dezelfde pH.
Onderdompelingstests van hoog{0}}zuiver gesmolten kwarts in 8% KCN bij 70 graden laten een uniforme corrosiesnelheid zien van 0,0005–0,001 mm/uur. Bij 80 graden neemt de snelheid toe tot 0,001–0,002 mm/uur. Bij 50 graden bedraagt de snelheid 0,0002–0,0004 mm/uur. Ter vergelijking: 0,01 M NaOH (pH 12) bij 70 graden corrodeert kwarts met een snelheid van 0,0003–0,0006 mm/uur. Bij 70 graden zou een kwartsmantel van 2,0 mm 0,0008 mm/uur x 2500 uur=2.0 mm verliezen, wat een levensduur oplevert van ongeveer 2500 uur (3,5 maanden). Een wand van 3,0 mm levert 3.750 uur op; een wand van 4,0 mm levert 5.000 uur op. Voor continu lopende goudwinningsactiviteiten is een muur van 3,0–4,0 mm met driemaandelijkse vervanging praktisch. Voor galvaniseren bij lagere temperaturen (50-60 graden) is de levensduur aanzienlijk langer.
Gelokaliseerde putjes en veiligheidsoverwegingen
Cyanideoplossingen zijn uiterst giftig en elke storing van de verwarming vormt een veiligheidsrisico. Kwartsverwarmers hebben de voorkeur boven metalen verwarmers, omdat ze niet snel corroderen en geen metaalverontreinigingen introduceren die de goudwinning kunnen beïnvloeden. Als het kwarts echter barst, kan het verwarmingselement (meestal NiCr of roestvrij staal) reageren met cyanide, waardoor mogelijk giftige gassen ontstaan. Een dikkere kwartswand biedt een grotere veiligheidsmarge tegen scheuren door thermische spanning of mechanische impact. Voor cyanidetoepassingen wordt een minimale wanddikte van 2,5 mm aanbevolen, ongeacht corrosieberekeningen.
De meniscuszone is kwetsbaar voor cyanidekristallisatie. Kaliumcyanide is vervloeiend en kan een geconcentreerde alkalische film vormen die de aanval versnelt. Een dampscherm of verwarmde bovenmantel voorkomt kristallisatie.
Thermische straf van dikkere muren in cyanideoplossingen
Kaliumcyanide-oplossingen van 8% en 70 graden hebben een thermische geleidbaarheid van ongeveer 0,60–0,65 W/(m·K)-vergelijkbaar met water. Voor een wand van 2,5 mm geldt R_cond=0.00181; voor een muur van 4,0 mm daalt R_cond=0.00290. Met h=800 W/(m²·K) daalt U van ongeveer 380 naar 280 W/(m²·K), een reductie van 26%. Deze straf is acceptabel gezien de veiligheidsvoordelen van een dikkere muur.
Scenario-Gebaseerde selectiematrix
| Toepassingsscenario | Aanbevolen wanddikte | Kerngrondgedachte |
|---|---|---|
| Goudcyanidatie (8% KCN, 70 graden, continu, vervanging na 3 maanden) | 3,0 – 4,0 mm, hoog-zuiver kwarts | Corrosiesnelheid ~0,0008 mm/uur. Een dikkere wand biedt een veiligheidsmarge tegen scheuren. U ≈ 300–350 W/(m²·K). |
| Galvaniseren (5% KCN, 55 graden, continu) | 2,5 – 3,0 mm | Rate ~0.0003 mm/hour → 3.0 mm provides >10.000 uur. Veiligheidsmarge essentieel. |
| Laboratoriumcyanide (lage concentratie, 50 graden) | 2,0 – 2,5 mm | Aanvaardbaar met zorgvuldige monitoring. |
Aanvullende ontwerpwijzigingen:Het handhaven van een lage temperatuur (onder 70 graden) vermindert corrosie. Het toevoegen van kalk (CaO) stabiliseert cyanide en vermindert hydrolyse. Regelmatige diktecontrole is essentieel. PTFE-dampschermen voorkomen aanvallen van de meniscus.
