Oxidačně - redukční reakce železa a oceli v roztocích a taveninách soustavy NaOH-H2O

Pavel Raška

Doctoral thesis

Redox Reactions of Iron and Steel in Solutions and Melts of NaOH-H2O Systems

Abstract:

Předložená disertační práce se zabývá elektrochemickým měřením pomocí železných a oxidových elektrod v koncentrovaných roztocích a taveninách hydroxidu sodného. Pro elektrochemické experimenty v teplotním intervalu 25 – 650 oC byla sestavena experimentální aparatura. Aktivní povrch pracovní elektrody byl regulován pomocí mikrometrického šroubu. Hodnoty pH v intervalu 14 – 17 byly počítány z termodynamických údajů pro koncentrované roztoky NaOH a teplotu 110 oC. Získané hodnoty pH byly použity pro vysvětlení výsledků elektrochemických měření. Pro elektrochemické experimenty v 1M roztoku NaOH byly použity vybrané materiály na bázi železa. Byl testován vliv rychlosti polarizace na elektrochemické reakce na železné pracovní elektrodě v roztocích NaOH o různých koncentracích (31, 50 a 69 hm%). Na povrchu železné pracovní elektrody byl elektrochemicky připravován nanostrukturovaný magnetit v oblasti transpasivity při vylučování kyslíku a vzniku železanů. Byla studována přímá elektrochemická redukce takto připraveného magnetitu v roztocích NaOH o různé koncentraci. Byl studován vliv vývinu vodíku na tuto redukci. Na základě těchto experimentů byly nalezeny rozdíly mechanismu mezi roztoky o koncentraci 31 hm% a poloprovozně používaném roztoku o koncentraci 50 hm%. Byla navržena a odzkoušena metoda „in situ“ stanovení obsahu vody v kyselé a oxidu sodného v zásadité tavenině NaOH při teplotě 400 oC. V této souvislosti byl rovněž studován pomocí matematického modelování způsob vazby vody v kyselé tavenině NaOH. Rovněž byly řešeny možnosti elektrochemického stanovení stupně odmoření nerezové austenitické oceli AISI 304 v průmyslových podmínkách. Byla navržena jednoduchá a rychlá metodika založená na voltametrických a elektrochemických impedančních měřeních v prostředí 1M NaOH.

Abstract:

The thesis addresses electrochemical measurements using iron and iron oxide electrodes in concentrated solutions and melts of sodium hydroxide. The experimental apparatus was assembled for the electrochemical experiments by the temperature range 25 – 650 oC. Active surface of the experimental sondes was produced with micrometer movement of the electrode. Values of pH in the range of 14-17 were calculated from thermodynamic data for concentrated NaOH solutions for the temperature of 110 oC. The pH values were used for explanation of the received results of electrochemical experiments. Selected iron-based materials were used for experiments in 1M (4 % w/w) NaOH. A wire electrode of pure iron was prepared. Influence of scan rate on the electrochemical reactions of the wire electrode was studied in solution of NaOH with different concentrations (31, 50 and 69 % w/w). Nanostructured magnetite was electrochemically prepared on the surface of the wire electrode in the transpasivity region of oxygen and ferrates formation. Direct electrochemical reduction of the magnetite was studied in NaOH solutions with different concentrations. Influence of the electrochemically produced hydrogen on the reduction of magnetite was investigated. Based on these experimental data, several differences of reduction mechanism in the solutions having concentration of 31 and 50 % were found. A method for “in situ” determination of H2O and Na2O was designed in acidic and basic melts of NaOH at temperature of 400 oC. A mechanism of water bonds was studied in acidic melts of NaOH by mathematical modeling. Possibilities of electrochemical descaling quality determination of austenitic stainless steel AISI 304 were solved as well. Simply, easy and fastened voltammetric and electrochemical impedance methods was suggested for this determination in 1M solution of NaOH.

Keywords

Oxidy železa, magnetit, hematit, katodická redukce oxidů, hydroxid sodný, oxid sodný, tavenina hydroxidu sodného, bazicita tavenin, odmořování austenitických nerezových ocelí, struktura alkalických roztoků a tavenin.

Keywords

Iron oxides, magnetite, hematite, cathodic reduction of oxides, sodium hydroxide, sodium oxide, sodium hydroxide melt, basicity of melts, pickling of austenitic stainless steels, structure of alkaline solutions and melts.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 3. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 17. 6. 2015
• Supervisor: Juraj Leško
• Reader: Oldřich Hoffmann, Rostislav Dudek, Boleslav Taraba

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Chemická metalurgie