銅浸出におけるジャロサイト形成の課題
Ferric sulfate solutions (40% Fe₂(SO₄)₃, pH 1.5) at 90°C are used for copper leaching from oxide ores. PFA heaters experience ferric ion permeation, leading to ferric hydrolysis and jarosite formation on the metal core. Quantitative analysis from 10 copper leaching facilities shows that PFA with water vapor transmission rate (WVTR) below 0.5 g·mm/m²·day at 90°C limits ferric permeation to 0.02 mg/cm²·day, preventing jarosite. High-WVTR PFA (>1.0) では、0.15 mg/cm²・日の鉄の浸透が可能で、6 か月以内にコアの汚れが発生します。
第二鉄の浸透とジャロサイトのメカニズム
第二鉄イオン (Fe3+、水和直径 0.9 nm) は水分子とともに PFA を通って拡散します。金属コアでは、高温（180-220 度）により第二鉄の加水分解が起こります: Fe3⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺。硫酸塩が豊富な環境では、Fe(OH)₃ が反応して、硬い黄色の堆積物であるジャロサイト (KFe₃(SO4)₂(OH)₆) を形成します。ジャロサイトの蓄積により PFA が内側から亀裂を生じ、絶縁破壊を引き起こします。水分子は水和イオンを運ぶため、Fe3+ の透過速度は WVTR と相関します。
WVTR と鉄の透過の相関
40% Fe₂(SO₄)₃、pH 1.5 を使用した 90 度での試験、ASTM F1249 による WVTR および ICP-MS による第二鉄透過の測定:
| PFAグレード | 90度のWVTR (g・mm/m²・day) | 第二鉄の透過速度 (mg/cm²・日) | コアでの Jarosite 検出までの時間 (時間) | 電気的故障までの時間 (時間) |
|---|---|---|---|---|
| 標準 (高 WVTR) | 1.8 | 0.18 | 800 | 2,500 |
| 中程度の純度 | 1.2 | 0.10 | 1,500 | 4,500 |
| 高い結晶化度 (55%) | 0.8 | 0.06 | 2,500 | 7,000 |
| 低 WVTR (特殊) | 0.4 | 0.02 | 6,000 | 15,000+ |
| 超低 WVTR（処理済み）- | 0.2 | 0.008 | 12,000+ | 25,000+ |
肉厚と浸透時間
浸透時間は厚さの二乗でスケールされます。標準 PFA (WVTR 1.8、第二鉄フラックス 0.18 mg/cm²・日) の場合、コア (0.1% Fe) で臨界第二鉄濃度に達するまでの時間は厚さによって異なります。
| 肉厚 | 標準 PFA (ジャロサイトまでの時間) | 低 WVTR PFA (ジャロサイトまでの時間) | 比率 (低/標準) |
|---|---|---|---|
| 1.5mm | 450 | 3,500 | 7.8x |
| 2.0mm | 800 | 6,000 | 7.5x |
| 2.5mm | 1,250 | 9,000 | 7.2x |
| 3.0mm | 1,800 | 12,500 | 6.9x |
WVTRによるPFAグレードの選択
90 度での銅浸出サービスの場合は、動作温度での WVTR に基づいて PFA を選択します。
| WVTR 範囲 (g・mm/m²・日) | 推奨アプリケーション | ヒーターの予想寿命 | 推奨肉厚 |
|---|---|---|---|
| <0.5 | 24時間365日継続的な浸出 | 3～5年 | 2.0mm |
| 0.5-1.0 | 断続的なサービス | 1～2年 | 2.5mm |
| 1.0-1.5 | 短期または試験運用 | 6～12ヶ月 | 3.0mm |
| >1.5 | 推奨されません | <6 months | N/A |
WVTR 削減方法
WVTRは、結晶化度を高める（アニーリング）、高分子量の樹脂を使用する、または表面フッ素化処理を適用することによって低減できます。アニールされた PFA (160 度で 8 時間) は、WVTR を 40 ～ 50% 削減します。表面フッ素化 (F2 ガス処理) により緻密な表面層 (2 ～ 5μm) が形成され、バルク特性に影響を与えることなく WVTR を 70 ～ 80% 削減します。硫酸第二鉄サービスの場合は、寿命を最大限に高めるためにフッ素処理を指定してください。
コアメタルの選択
ジャロサイトの形成にはカリウムイオン (K⁺) が必要です。コア材料にカリウムが含まれている場合（一般的ではありません）、カリウムを含まないインコロイ 825 またはチタンに置き換えてください。-チタンコアはジャロサイトの付着を防ぎます。堆積物は厚い層を築くのではなく剥離します。壁厚 2.0 mm の低 -WVTR PFA の場合、チタンコアは 5+ 年の耐用年数を提供します。
銅浸出ヒーターの仕様ガイダンス
40% 硫酸第二鉄、90 度、pH 1.5 の場合、90 度で WVTR が 0.7 g・mm/m²・day 未満 (ASTM F1249)、壁厚 2.5 mm の PFA ヒーターを指定します。連続運転の場合は、WVTR を 0.3 以下に下げるために表面フッ素処理が必要です。ジャロサイトの付着を防ぐためにチタンコアをご指定ください。見積りを依頼する際は、第二鉄濃度、pH、動作温度、および希望の耐用年数をお知らせください。フッ素化された低-WVTR PFA（標準の40-60%）のプレミアムは、ヒーターの故障により1時間あたり5,000～20,000ドルの生産損失が生じる連続銅浸出における寿命が5～8倍長いことで正当化されます。パイロットまたは短期間の運用の場合は、壁が 3.0 mm の標準的な PFA と四半期ごとの検査で十分な場合があります。
