Der alkalische Komplexierungsangriff heißer Cyanidlösungen auf Quarzglas
Kaliumcyanid (KCN) ist das wesentliche Auslaugungsmittel im Goldabbau (Cyanidierungsprozess) und die primäre Elektrolytkomponente bei der Galvanisierung von Gold, Silber und Kupfer. Typische Konzentrationen liegen im Bereich von 5–10 Gew.-% in wässriger Lösung bei Betriebstemperaturen von 50–80 Grad (erhöht, um die Auslaugungsraten zu beschleunigen oder die Beschichtungsqualität zu verbessern). Die Lösung ist aufgrund der Cyanidhydrolyse stark alkalisch (pH 11–12): CN⁻ + H₂O ⇌ HCN + OH⁻. Quarz-Tauchsieder werden manchmal in Cyanidlösungen verwendet, da Quarzglas eine hervorragende Beständigkeit gegenüber den meisten alkalischen Lösungen bietet. Heißes konzentriertes Cyanid weist jedoch einen einzigartigen Korrosionsmechanismus auf. Die Hydroxidionen (OH⁻) aus der Hydrolyse greifen das Silica-Netzwerk an und bilden lösliche Silikate. Darüber hinaus ist das Cyanidion (CN⁻) ein starker Komplexbildner, der lösliche Silicium--cyanid-Komplexe bilden kann (obwohl diese weniger stabil sind als der Hydroxidangriff). Die Korrosionsgeschwindigkeit ist vergleichbar mit der von verdünntem Natriumhydroxid bei gleichem pH-Wert, jedoch mit einer zusätzlichen Komplexierungskomponente. Diese Analyse quantifiziert, wie sich die KCN-Konzentration (5–10 %), die Temperatur (50–80 Grad) und der pH-Wert der Lösung auf gleichmäßige Korrosionsraten von Quarzglas auswirken. Es wird die erforderliche Quarzmantelwandstärke abgeleitet, um praktische Wartungsintervalle (2.000–8.000 Stunden) in Goldbergbau- und Galvanik-Heizgeräten zu erreichen.
Korrosionskinetik von Quarzglas in heißem Kaliumcyanid
Die Korrosion von Quarz in KCN-Lösungen wird durch Hydroxidionen aus der Cyanidhydrolyse vorangetrieben. Bei 5 % KCN (ca. 0,8 M) liegt der pH-Wert bei 25 Grad bei ca. 11,5–12,0. Bei 70 Grad steigt der pH-Wert aufgrund der verstärkten Hydrolyse leicht an (pKa von HCN beträgt 9,2 bei 25 Grad und sinkt bei höheren Temperaturen). Die OH⁻-Konzentration beträgt 0,001–0,01 M, ähnlich wie 0,1 % NaOH. Das Cyanidion kann auch direkt am Angriff beteiligt sein: CN⁻ kann an Siliziumatome an der Oberfläche koordinieren, wodurch die Si-O-Si-Bindung geschwächt und die Hydrolyse erleichtert wird. Der Nettoeffekt ist eine etwa 20–40 % höhere Korrosionsrate als in NaOH bei gleichem pH-Wert.
Ein Tauchtest von hochreinem Quarzglas in 8 % KCN bei 70 Grad zeigt eine gleichmäßige Korrosionsrate von 0,0005–0,001 mm/Stunde. Bei 80 Grad erhöht sich die Geschwindigkeit auf 0,001–0,002 mm/Stunde. Bei 50 Grad beträgt die Rate 0,0002–0,0004 mm/Stunde. Zum Vergleich: 0,01 M NaOH (pH 12) bei 70 Grad korrodiert Quarz mit 0,0003–0,0006 mm/Stunde. Bei 70 Grad würde eine 2,0 mm dicke Quarzhülle 0,0008 mm/Stunde × 2.500 Stunden=2.0 mm verlieren, was einer Lebensdauer von etwa 2.500 Stunden (3,5 Monaten) entspricht. Eine 3,0-mm-Wand bietet 3.750 Stunden; Eine 4,0-mm-Wand bietet 5.000 Stunden. Für Goldabbaubetriebe, die kontinuierlich laufen, ist eine 3,0–4,0 mm starke Wand mit vierteljährlichem Austausch praktisch. Beim Galvanisieren bei niedrigeren Temperaturen (50–60 Grad) ist die Lebensdauer deutlich länger.
Lokalisierte Lochfraß- und Sicherheitsüberlegungen
Zyanidlösungen sind extrem giftig und jeder Ausfall der Heizung stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Quarzheizungen werden gegenüber Metallheizungen bevorzugt, da sie nicht schnell korrodieren und keine Metallverunreinigungen einbringen, die die Goldgewinnung beeinträchtigen könnten. Wenn jedoch der Quarz reißt, kann das Heizelement (normalerweise NiCr oder Edelstahl) mit Cyanid reagieren und möglicherweise giftige Gase erzeugen. Eine dickere Quarzwand bietet einen größeren Sicherheitsspielraum gegen Rissbildung durch thermische Belastung oder mechanische Einwirkung. Für den Zyanideinsatz wird unabhängig von Korrosionsberechnungen eine Mindestwandstärke von 2,5 mm empfohlen.
Die Meniskuszone ist anfällig für die Kristallisation von Cyanid. Kaliumcyanid zerfließt und kann einen konzentrierten alkalischen Film bilden, der den Angriff beschleunigt. Ein Dampfschutz oder eine beheizte Oberhülle verhindern die Kristallisation.
Thermischer Nachteil dickerer Wände in Cyanidlösungen
Kaliumcyanidlösungen haben bei 8 % und 70 Grad eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,60–0,65 W/(m·K)-ähnlich wie Wasser. Für eine 2,5-mm-Wand ist R_cond=0.00181; für eine 4,0 mm Wand, R_cond=0.00290. Mit h=800 W/(m²·K) sinkt U von etwa 380 auf 280 W/(m²·K), was einer Reduzierung um 26 % entspricht. Dieser Nachteil ist angesichts der Sicherheitsvorteile einer dickeren Wand akzeptabel.
Szenario-Basierende Auswahlmatrix
| Anwendungsszenario | Empfohlene Wandstärke | Kernbegründung |
|---|---|---|
| Goldcyanidierung (8 % KCN, 70 Grad, kontinuierlich, 3-monatiger Austausch) | 3,0 – 4,0 mm, hochreiner Quarz | Korrosionsrate ~0,0008 mm/Stunde. Eine dickere Wand bietet einen Sicherheitsspielraum gegen Rissbildung. U ≈ 300–350 W/(m²·K). |
| Galvanisieren (5 % KCN, 55 Grad, kontinuierlich) | 2,5 – 3,0 mm | Rate ~0.0003 mm/hour → 3.0 mm provides >10.000 Stunden. Sicherheitsmarge unbedingt erforderlich. |
| Laborcyanid (geringe Konzentration, 50 Grad) | 2,0 – 2,5 mm | Bei sorgfältiger Überwachung akzeptabel. |
Ergänzende Designänderungen:Die Aufrechterhaltung einer niedrigen Temperatur (unter 70 Grad) verringert die Korrosion. Die Zugabe von Kalk (CaO) stabilisiert Cyanid und reduziert die Hydrolyse. Eine regelmäßige Dickenüberwachung ist unerlässlich. PTFE-Dampfschilde verhindern Meniskusangriffe.
