W jaki sposób gorący stężony roztwór chlorku złota (AuCl₃) o temperaturze 60–80 stopni zmienia krytyczną grubość ścianki kwarcowej osłony w przypadku grzejników do złocenia i syntezy nanocząstek?
Zostaw wiadomość
Problem osadzania metali szlachetnych z gorących-roztworów chlorków złota
Chlorek złota (AuCl₃) i jego uwodniony odpowiednik kwas chloroaurynowy (HAuCl₄) to konwencjonalne prekursory stosowane w galwanizacji złota, bezprądowym osadzaniu złota i produkcji nanocząstek złota. Typowe stężenia przemysłowe 5-20 g/l jako metaliczny złoto. Temperatura robocza 60-80 stopni dla kąpieli galwanicznych i reaktorów syntezy. Roztwory są bardzo kwaśne (pH 1-2) ze względu na hydrolizę HCl: HAuCl4 + H2O → AuCl3(OH)− + H3O+. Topiona krzemionka wykazuje dużą odporność chemiczną i nie zanieczyszcza kąpieli metali szlachetnych, dlatego często jest stosowana w roztworach złota. Z drugiej strony chlorek złota stwarza podwójną przeszkodę, a mianowicie umiarkowaną erozję kwasową przez wolny HCl i, co ważniejsze, redukcję ciepła jonów złota do metalicznego złota na powierzchni kwarcu. Złoto jest metalem szlachetnym i posiada wysoki potencjał redukcyjny (Au3+/Au, stopień E =1.50 V), co oznacza, że szybko ulega redukcji pod wpływem zanieczyszczeń organicznych, środków redukujących czy nawet wody o podwyższonej temperaturze. Osadzone metaliczne złoto to cienka, izolująca termicznie, odblaskowa warstwa, która może pochłaniać promieniowanie, tworząc w ten sposób gorące punkty. Złoto jest obojętne w przeciwieństwie do srebra i nie rozpuszcza się łatwo w konwencjonalnych kwasach czyszczących (woda królewska to jedyny kwas, który rozpuszcza złoto). Utrudnia to usuwanie złóż złota. W tej pracy szybkość osadzania się złota na topionej krzemionce i leżącej u jej podstaw korozji kwasowej określono ilościowo jako funkcję stężenia złota, temperatury (60–80 stopni) i czystości roztworu. Wyprowadzono wymaganą grubość ścianki osłony kwarcowej dla praktycznych okresów międzyobsługowych (1000–5000 godzin) w grzejnikach do złocenia i syntezy nanocząstek.
KORROSION UND ABSCHEIDUNGSGeschwindigkeiten IN HEISSEN GOLDCHHLORID-Lösungen
The attack of quartz in solutions of gold chloride is composed of two components. (0.1-0.5 M from hydrolysis) gradual acid corrosion occurs: SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O (although here it is HCl, not HF). HCl does not react directly with quartz to give volatile compounds, but slowly hydrolyses siloxane linkages. The corrosion rate at 70°C in 0.3 M HCl (pH ~0.5) is ~0.0003–0.0006 mm/hr. This is low, and seldom restricting. Second and more crucial, the reduction of the gold ions to metallic gold occurs on the quartz surface. Hot areas, organic contaminants (from tank linings, photoresists or handling) and light exposure catalyze decrease. The reduction reaction: Au³⁺ + 3e⁻ = Au⁰. Electrons are provided by reducing chemicals or by oxidation of water (2H2O ->O2 + 4H+ + 4e- ), który jest korzystny termodynamicznie w podwyższonych temperaturach.
Badanie zanurzeniowe topionego kwarcu w roztworze złota o stężeniu 10 g/l (jako HAuCl₄) w temperaturze 70 stopni przez 1000 godzin nie wykazuje zauważalnej korozji kwasowej. Jednakże w obecności jakiegokolwiek środka redukującego osadzanie się złota jest wykrywane w ciągu kilku godzin. Odkładanie złota jest niezwykle powolne (< 0.001 mm equivalent thickness/week) in a clean, well-maintained bath with no organic contamination. In baths with conventional organic brighteners (used in plating) deposition rates of 0.005–0.020 mm equivalent thickness per week are not uncommon. The gold film is adherent and very reflective. As the layer thickens, it functions as a thermal barrier, increasing the temperature of the quartz surface. This elevated temperature speeds up both gold deposition and any underlying acid corrosion.
Strefa menisku jest w dużym stopniu narażona na osadzanie się złota w wyniku koncentracji parowania. Czasami na linii cieczy tworzy się złoty pierścień, który jest trudny do usunięcia.
Wpływ grubości ścianki na żywotność grzejników na chlorek złota
Złoto można osadzać przy grubszych ściankach kwarcu. Ściana o grubości 1,5 mm będzie zbierać złoto w tym samym tempie, co ściana o grubości 3,0 mm. Grubsza ściana ma jednak większą masę termiczną, co może obniżyć wzrost temperatury wywołany przez izolacyjną powłokę ze złota i zapewnia większą odporność na naprężenia termiczne w przypadku pojawienia się gorących punktów. W przypadku wanien z dużym osadzeniem złota (np. platerowaniem rozjaśniaczami) zaleca się grubszą ściankę (2,5–3,0 mm). W przypadku kąpieli o dużej czystości (np. produkcja nanocząstek przy ścisłej kontroli zanieczyszczeń) wystarczą typowe ścianki o grubości 1,5-2,0 mm.
Złoża złota są bardzo trudne do wyeliminowania. HF atakuje kwarc, a nie wodę królewską. Aqua regia nie jest wrogo nastawiona do kwarcu. Rozcieńczona woda królewska (3:1 HCl:HNO3) rozpuszcza złoto, ale atakuje kwarc. Korekta: Aqua regia nie zawiera HF. Jest to mieszanina HCl i HNO. 3 . Nie atakuje kwarcu. Dlatego rozcieńczona woda królewska jest bezpieczna do czyszczenia kwarcu. Dobry. Dlatego okresowo usuwaj złoża złota za pomocą 10% wody królewskiej. Aqua regia jest jednak niebezpieczna i należy ją traktować z szacunkiem. Większość klientów decyduje się na wymianę grzejnika, zamiast czyścić go wodą królewską.
Kary termiczne grubszych ścianek w roztworach złota
Przewodność cieplna roztworów chlorku złota w temperaturze 70 stopni C wynosi około 0,55–0,60 W/(m·K)-podobnie jak woda. Dla ściany o grubości 1,5 mm R_cond=0.00109; dla ściany o grubości 3,0 mm R_cond=0.00217. Przy h=800 W/(m²·K), R_boundary=0.00125. U spada z 427 do 292 W/(m²·K), co stanowi redukcję o 32%. Ze względu na efektywność energetyczną preferowane są cienkie ściany.
Scenariusz-Macierz doboru w oparciu o grubość ścianki osłony kwarcowej w procesie gorącego chlorku złota
Scenariusz zastosowania i parametry operacyjne Zalecana grubość ścianki Uzasadnienie rdzenia z ilościowym wymianą-Wył.
Galwanizacja złota (10 g/L Au, obecność rozjaśniacza, 65 stopni, czyszczenie co miesiąc) 2,5 – 3,0 mm, gatunek standardowy, polerowany Umiarkowane osadzanie złota. Grubsza ściana jest odporna na naprężenia termiczne spowodowane gorącymi punktami. U ≈ 350 W/(m²·K).
Synteza nanocząstek (wysoka czystość, 70 stopni, krótkie partie, bez substancji organicznych) 1,5 – 2,0 mm, kwarc o wysokiej-czystości Minimalne osadzanie. Cienka ściana zapewniająca szybką reakcję. U ≈ 450 W/(m²·K).
Złoto bezprądowe (obecność środka redukującego, 60 stopni, ciągła) 3,0 mm, należy wziąć pod uwagę szybkie osadzanie złota z PTFE. Krótka żywotność kwarcu niezależnie od grubości. Zalecana alternatywna osłona.
Uzupełniające modyfikacje projektu: Ultraczysta woda i rygorystyczna kontrola zanieczyszczeń zapobiegają redukcji złota. Wykluczenie światła spowalnia redukcję fotochemiczną. Okresowe czyszczenie rozcieńczoną wodą królewską (10%) usuwa osady, ale wymaga środków bezpieczeństwa. Wypolerowana powierzchnia zmniejsza przyczepność złota.
