Báo cáo thực tập công nghệ điện hóa

BÁO CÁO THỰC TẬP CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA BÀI 1: XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ DÒNG ĂN MÒN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG ĐỐI VỚI THÉP CT3 VÀ INOX 316L BẰNG PHƯƠNG Ăn mòn là một phản ứng bất thuận nghịch trên liên b

BÁO CÁO THỰC TẬP CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

BÀI 1: XÁC ĐỊNH MẬT ĐỘ DÒNG ĂN MÒN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG ĐỐI VỚI THÉP CT3 VÀ INOX 316L BẰNG PHƯƠNG

Ăn mòn là một phản ứng bất thuận nghịch trên liên bề mặt của một vật liệu (kim loại, ceramic, polyme) với môi trường dẫn đến việc hao mòn hoặc hòa tan vào vật liệu vào thành phần của môi trường Một kim loại có thể bị tấn công và phá hoại bởi các phản ứng hóa học hoặc do các phản ứng điện hóa với môi trường mà chúng đang tồn tại

2 Các nguyên nhân phổ biến gây ăn mòn:

• Sự không tinh khiết của kim loại, việc lẫn các kim loại khác trong thành phần

• Sự khác biệt kích thước hạt, tinh thể kim loại trong cấu trúc

• Sự khác biệt nồng độ của các chất gây ăn mòn giữa hai pha, hai môi trường

• Các nguyên nhân cơ học: ma sát, …

3 Ăn mòn điện hóa học:

Ăn mòn điện hóa chính là kết quả của hai phản ứng đồng thời và bổ sung với nhau, phản ứng anode – phản ứng cathode và việc trao đổi các electron có vai trò chủ đạo

Thế ăn mòn (Ecorr) là thế điện cực mà tại đó tốc độ oxy hóa của kim loại M (dòng anode Ia) bằng tốc độ dòng khử của Z x+ (dòng cathode Ic)

Tốc độ ăn mòn tức thời được tính từ dòng ăn mòn bằng phương pháp ngoại suy Tafel ( Phân cực lớn):

I = Ia + (−Ic) = 0 Icorr = Ia = −Ic

Ia = Icorr exp [αnF/RT (E − Ecorr)] = Icorr exp [2.303(E − Ecorr)/ba]

Ic = Icorr exp [−βnF/RT (E − Ecorr)] = Icorr exp [ − 2.303(E − Ecorr)/bc]

I = Icorr {exp [2.303(E − Ecorr)/ba ] − exp [ − 2.303(E − Ecorr)/bc]}

Phân cực cathode lớn: i ∼ ic

i = icorr exp [(-βnFη)/RT] ⇒ η = (2.303RT/βnF) log icorr - (2.303RT/βnF) log

ia)

Xác định tốc độ ăn mòn v (mm/year):

• icorr – mật độ dòng ăn mòn (mA/cm2 )

• EW – đương lượng gram (g/mol)

• d –khối lượng riêng kim loại (g/cm3 )

II Nghiên cứu ăn mòn điện hóa trên vật liệu kim loại: Thép CT3

1 Tóm lược về thép CT3:

Thép CT3 là thép có hàm lượng Cacbon thấp (chiếm từ 0.14% – 0.22%) Chính vì vậy tấm thép CT3 sở hữu độ bền kéo cao, khả năng chống ăn mòn tốt Thép được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như đóng tàu,chế tạo ô tô, làm thùng chứa nhiên liệu, xăng dầu, thùng container, kết cấu nhà xưởng,…

Thép CT3 là loại thép cacbon dễ kiếm, dễ nấu luyện và không chữa hợp kim đắt tiền dựa vào các thành phần của thép như sau:

2 Thí nghiệm nghiên cứu ăn mòn điện hóa trên thép CT3:

Chuẩn bị các dung dịch đo:

• 50 mL nước máy tại phòng thí nghiệm

• 50 mL dung dịch NaCl 10−2 M

• 50 mL dung dịch H2SO4 10−3 M

• Chuẩn bị điện cực thép CT3: Sử dụng các loại giấy đánh bóng từ thô đến mịn(P120, P400, P600, P800, P1000) bề mặt điện cực thép CT3 được đúc trong nhựa epoxy từ 10 đến 15 phút đảm bảo bề mặt nhẵn bóng, sạch sẽ không còn lớp oxide để tiến hành thí nghiệm Điện cực thép CT3 có đường kính D = 0,6 cm và có tỷ trọng d = 7,85 g/cm3

• Phân cực Tafel: quét thế trong khoảng ±250 mV so với thế cân bằng với tốc

• Quá trình ăn mòn của thép CT3 trong dung dịch NaCl: Đường Tafel

• Ăn mòn của thép CT3 trong dung dịch nước máy: Đường Tafel

Xác định dòng ăn mòn và tốc độ ăn mòn của thép CT3 trong 3 môt trường khác nhau:

E corr (V) Log (icorr ) log(icorr)

và nhanh gấp hơn 3 lần so với môi trường NaCl nồng độ 10-2 M , thế ăn mòn cũng giảm thấp hơn so với hai môi trường kia

Thông qua tài liệu tham khảo bên trên ta có được sự so sánh tương tối về độ chống chịu ăn mòn của thép CT3 trong ba môi trường như sau:

THÉP CT3 Môi trường v ăn mòn

(mm/year)

Độ chống chịu

ăn mòn Nước máy 0,0159 Tuyệt vời NaCl 10-2M 0,0997 Rất tốt

H2SO4 10-3M 0,313 Tốt

Nói chung thép CT3 có độ chống chịu mài mòn khá tốt trong các môi trường khác nhau, cho nên đến nay với giá thành khá tốt cùng tính chất này nó được ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống hằng đặc biệt là các công trình xây dựng, các kiến trúc…

III Nghiên cứu ăn mòn điện hóa của môi trường acid lên vật liệu:

INOX 316L

1 Tóm lược về vật liệu INOX 316L:

Inox 316 / 316L là thép không gỉ austenit molypden chịu lực Hàm lượng niken

và molipđen cao hơn trong lớp này cho phép nó thể hiện tính chất chống ăn mòn

tốt hơn so với 304, đặc biệt là đối với sự rỗ và nứt kẽ trong môi trường clorua Ngoài ra, hợp kim 316 / 316L cung cấp độ bền kéo cao, độ bền đứt và độ bền đứt nhiệt tuyệt vời, cũng như khả năng hình thành và khả năng hàn nổi bật 316L là phiên bản carbon thấp hơn 316 và ít hoạt động hơn; do đó, nó thường được sử dụng trong các thành phần hàn khổ lớn

Thép không gỉ 316 (INOX) có nhiều carbon trong nó hơn 316L Điều này rất dễ nhớ, vì chữ L là viết tắt của “low” Nhưng mặc dù nó có ít carbon hơn, nhưng 316L rất giống với 316 trong hầu hết mọi phương diện Chi phí là rất giống nhau,

và cả hai đều bền, chống ăn mòn, và một sự lựa chọn tốt cho các tình huống căng thẳng cao

Tuy nhiên, 316L là một sự lựa chọn tốt hơn cho một dự án đòi hỏi rất nhiều hàn 316L cũng là một loại thép không gỉ tuyệt vời cho nhiệt độ cao, sử dụng ăn mòn cao, đó là lý do tại sao nó rất phổ biến để sử dụng trong các dự án xây dựng và hàng hải

2 Thí nghiệm xác định các vùng ăn mòn của vật liệu hợp kim thụ động không gỉ bằng đường cong phân cực anode: INOX 316L

bảo bề mặt của điện cực làm việc không còn lớp oxide thụ động cho quá trình ăn mòn diễn ra bình thường

Lắp hệ điện hóa như hình:

• Ghi nhận giá trị OCV trong 30–45 phút

Quét thế tuyến tính với tốc độ quét thế 0.15 mV/s từ giá trị OCV đến 1.6 V (vs Ag/Ag/Cl)

3 Kết quả thí nghiệm:

Sau khi quét thế và phân tích số liệu ta có được đường cong phân cực anode là điện cưc bằng INOX 316L, đường cong được vẽ theo thế phân cực và log dòng phân cực

Từ đường cong phân cực trên ta thấy được:

+ Tại thế E < -0,3 V chính là vùng miễn dịch ăn mòn của INOX 316L, ở dưới thế này INOX 316L không bị tác động bởi ăn mòn của môi trường

+ Tại khoảng thế từ trên -0,3 V đến dưới -0,2 V là vùng hoạt động của INOX 316L, tại khoảng thế này, INOX bị ăn mòn nhanh ở trong môi trường

+ Tại thế E = -0,25V tương ứng logi = -4 ta có được dòng ăn mòn lớn nhất trong

khoảng thế [-0.3,0.2] V, đây là điểm có thế thụ động hóa sơ cấp (Ep) và dòng thụ động tới hạn (icp)

+ Tại thế E = -0, 2 V dòng ăn mòn giảm sâu, cho thấy tại đây sau khi qua vùng hoạt hoá, INOX 316L đã tái thụ động

+ Khoảng thế từ trên - 0,2 dưới 0,0 V tiếp tục là một vùng hoạt hóa của INOX

316L Cùng đó tại điểm có thế E = -0,1 và logi = -5,1 là điểm có thế thụ động

hóa thứ cấp và dòng ăn mòn thới hạn thứ cấp

+ Tại thế E = 0,03 V, dòng ăn mòn lần nữa giảm sâu logi =-7 cho thấy kim loại

tái thụ động một lần nữa

+ Khoảng thế từ trên 0,03V đến dưới 1,0 V ta có thế tăng nhanh nhưng dòng ăn mòn của kim loại có xu hướng tăng chậm hoặc không tăng, ta gọi khoảng này là vùng thụ động của kim loại Tại đây tốc độ ăn mòn kim loại rất chậm , thậm chí

có thể xem như kim loại không bị ăn mòn

+ Điểm có E = 1,0 V được gọi là điểm bắt đầu vùng thế quá thụ động (Ep) + Vùng thế trên 1,0 V ta có thế ăm mòn có xu hướng thang chậm nhưng dòng

ăn mòn tăng rất nhanh và đột biến, đây được gọi là vùng quá thụ động của kim loại Tại vùng này kim loại bị ăn mòn cục bộ với tốc độ rất nhanh

Vậy đường cong phân cực của INOX 316L có nhiều các điểm, khoảng thụ động gián đoạn nhỏ, có thể nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do tay nghề xử lý mẫu chưa tốt, sự không đồng đều trong thành phần nguyên tố của hợp kim

khiến xuất hiện sự sai khác so với lý thuyết

Tóm lại đường cong phân cực anode cho thấy được các vùng hoạt hóa, vùng thụ động và quá thụ động của INOX 316L và các hợp kim có khả năng thụ động Đây là cơ sở cho việc tìm hiểu, nghiên cứu các cách thức hiệu quả để bảo vệ các hợp kim tránh khỏi các tác động ăn mòn của môi trường bên ngoài

BÁO CÁO THỰC TẬP CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

BÀI 2: TỔNG HỢP POLYMER DẪN PANi BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT THẾ VÒNG TUẦN HOÀN VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH

CHẤT ĐIỆN HÓA

I Sơ lược về polymer dẫn và PANi:

Nghiên cứu vật liệu phát quang hữu cơ đã bắt đầu vào thập kỷ 70 khi các nhà nghiên cứu tìm ra độ dẫn của các hệ vật liệu polymer có thể thay đổi từ chất điện môi thành “kim loại” bằng cách pha tạp hoá học Polymer dẫn điện đầu tiên – polyacetylen – được chế tạo bởi Shirakawa Các khám phá tiếp theo do Heeger

và MacDiarmid chỉ ra rằng polymer tăng độ dẫn lên gấp 12 lần bằng cách pha tạp oxy hóa đã làm cả thế giới quan tâm đến các vật liệu này Việc phát triển các màng mỏng điện phát quang hữu cơ được bắt đầu vào những năm 1980 thông qua các công trình của Tang và Van Slyke , họ đã chứng minh được quá trình điện phát quang của các polymer bán dẫn bằng cách chế tạo linh kiện diod phát quang hữu cơ hai lớp thông qua phương pháp bốc bay các vật liệu “phân tử” ở nhiệt độ thấp trong chân không Các linh kiện này bao gồm một lớp truyền trống diamine nhân thơm và lớp phát quang Alq3 (8-hydroxyquinoline aluminium)…

PANi (Polyaniline): là một polymer dẫn điện Mặc dù bản thân hợp chất này đã được phát hiện hơn 150 năm trước, nhưng chỉ từ đầu những năm 1980, polyaniline mới thu hút được sự chú ý mạnh mẽ của cộng đồng khoa học Sự quan tâm này là do sự phát hiện độ dẫn điện cao của nó Trong số họ polyme, polyaniline có nhiều đặc tính hấp dẫn Do tính chất hóa học phong phú của nó, polyaniline là một trong polymer dẫn được nghiên cứu nhiều nhất trong 50 năm qua

II Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV):

Thông qua phương trình oxi hóa – khử: tại trong hệ thuận nghịch

O + ne- R

III Tổng hợp PANi:

1 Thí nghiệm tổng hợp PANi làm lớp phủ trên đế điện cực in carbon và đế điện cực đồng:

• Chuẩn bị các dụng dịch trong phòng thí nghiệm:

+ 250 mL H2SO4 0.5 M pha trong dung môi nước/IPA( isopropanol) tỷ lệ 1:1 về thể tích

+ 50 mL H2SO4 pha trong nước cất

+ 50 mL aniline 0.1 M

+ 50 mL aniline 0.1 M + 0.2 mg graphene

Điện cực in :

Lắp hệ điện phân điều chế PANi:

• Quét thế CV các dung dịch aniline với tốc độ 50mV/s trong vùng thế -1,7 đến 1,7 V ( Vs Ag/AgCl) trong 20 chu kỳ

+ Hình ảnh 20 chu kỳ quét ở 4 điện cực được phủ PANi:

Điện cực in carbon không đế đồng, aniline không graphene:

Điện cực in carbon không đế đồng, anilin + 2mg graphene:

Điện cực đế đồng, aniline không graphene:

Điện cực đế đồng, aniline + 2 mg graphene:

• Rửa điện cực với ethanol loại bỏ chất hữu cơ bám dính không cần thiết, sau đem đi sấy khô

Các mẫu sau điện phân:

2 Đánh giá tính chất điện hóa của điện cực PANi trong dung dịch H 2 SO 4

1M:

+ Dùng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn

+ Vùng quét thế thù 0V đến 1V ( Vs Ag/AgCl)

+ Tốc độ quét thế lần lượt là 10 và 25 mV/s trong 3 chu kỳ

Lắp hệ điện phân như hình:

• Mẫu điện cực in carbon không đế đồng, aniline + 0,2mg graphene quét ở

• Mẫu điện cực đế đồng, aniline không graphene quét ở tốc độ 25 mV/s: (

Mẫu 3b)

• Mẫu điện cực đế đồng, aniline +0,2 mg graphene quét ở tốc độ 10 mV/s:

( Mẫu 4a)

• Mẫu điện cực đế đồng, aniline + 0,2 mg graphene quét ở tốc độ 25 mV/s

quét (mV/s)

Tích phân IdE

diện tích điện cực

Điện dung (F/cm2)

Carbon

đế đồng

• m – khối lượng vật liệu hoạt điện (gram)

• ∆E – khoảng quét thế (V)

Nhận xét:

+ Thông qua giá trị điện dung riêng tính toán được thông qua biểu thức trên ta

có thể thấy được rằng, tại trong việc sử dụng điện cực là điện cực in chỉ có đơn thuần carbon có điện dung nhỏ hơn hẳn so với điện cực có đế đồng Vì đồng có

độ dẫn điện rất cao so với carbon cho nên hiệu suất dòng điện làm việc cao hơn hẳn so với chỉ có đơn thuần đế đồng

+ Tại dung dịch aniline có thêm vào 0,2 mg graphene ta có thể thấy được rằng điện dung của sản phẩm có xu hướng giảm nhưng độ giảm không quá lớn so với khi không có graphene, nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này có thể do các hạt graphene bám lên bề mặt điện cực khiến lớp phủ không được hoàn chỉnh hoặc

do sự phân tán không đồng điều graphene gây ra sự sai lệch và giảm hiệu suất của dòng điện

+ Tại biểu đồ quét thế của các điện cực có đế đồng, hình dạng của đồ thị có bị biến dạng và sai lệch so với hình dạng “chiếc lá” trong lý thuyết đó là do có thể trong lúc quét thế đồng có thể bị oxi hóa – khử trong môi trường acid H2SO4 , chúng ta có thể thấy được peak oxi hóa và peak khử trên biểu đồ quét thê

BÁO CÁO THỰC TẬP CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA

BÀI 3: TỔNG HỢP MANGANESE DIOXIDE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT THẾ VÒNG TUẦN

HOÀN

I Tổng quan về vật liệu Manganese dioxide:

Manganese dioxide là một hợp chất vô cơ có công thức hóa học là MnO2 Hợp chất này là một chất rắn có màu đen hoặc nâu này tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng sản pyrolusite, cũng là một quặng chính của kim loại mangan Hợp chất này được sử dụng chủ yếu để chế tạo các loại đơn pin khô, mà tiêu biểu là pin kiềm và pin kẽm-cacbon Nó còn được sử dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ,…

Manganese dioxide điện phân (EMD) được sử dụng trong pin kẽm-cacbon cùng với kẽm clorua và amoni clorua EMD cũng thường được sử dụng trong các đơn pin kiềm có thể sạc lại được kẽm mangan đioxit (Zn RAM) Đối với những ứng dụng này, độ tinh khiết là vô cùng quan trọng EMD được sản xuất theo cách tương tự như đồng cứng điện phân (ETP) : Manganese dioxide được hòa tan trong axit sulfuric (đôi khi trộn với mangan sulfat ) và chịu dòng điện giữa hai điện cực MnO 2 hòa tan, đi vào dung dịch dưới dạng sunfat, và được lắng đọng trên cực dương

Giống như nhiều chất dioxide khác, MnO2 kết tinh trong cấu trúc tinh thể rutile (dạng này được gọi là pyrolusit hoặc β-MnO2, với oxit ba tọa độ và tâm kim loại bát diện Dạng đa hình α của MnO2 có cấu trúc rất mở với các "kênh" có thể chứa các nguyên tử kim loại như bạc hoặc bari α-MnO2 thường được gọi

là hollandite

II Tổng hợp MnO2 bằng phương pháp điện phân:

1 Chuẩn bị dung dịch điện phân:

+ 250 mL dung dịch Mn(NO3)2 0.3M (pH = 1, môi trường H2SO4)

+ 250 mL dung dịch Mn(NO3)2 0.3M + Na2SO4 0.9M (pH=1)

Điện phân với các mật độ dòng 2.5 và 5 MA/ cm2 trong 30 phút Lần lượt trong hai dung dịch

Lắp đặt hệ thống điện phân dung dịch và bắt đầu điện phân:

2 Khối lượng của các điện cực trước và sau điện phân:

Khối lương thay đổi theo lý

• Mẫu 1 tốc độ quét 25 mV/s:

• Mẫu 2 tốc độ quét 10 mV/s

• Mẫu 2 tốc độ quét 25 mV/s

• Mẫu 3 tốc độ quét 10 mV/s

Giá trị điện dung riêng (Csp) được xác định thông qua biểu thức:

Trong đó:

• Area – giá trị xác định từ biểu đồ quét thế

• ν – tốc độ quét thế (V/s)

• m – khối lượng vật liệu hoạt điện (gram)

• ∆E – khoảng quét thế (V)

0,025 4,623 0,0013 71129,5 Mẫu 2 0,01 2,160 0,0017 63539,1

0,025 1,667 0,0017 19606 Mẫu 3 0,01 1,861 0,0012 77532,9

0,025 1,619 0,0012 26984,5 Mẫu 4 0,01 14,78 0,004 184806,4

0,025 7,326 0,004 36629,5

Nhận xét:

+ Theo kết quả thu được, hiệu suất điện phân của dòng điện trong khoảng từ 40% đến 65% so với tính toán lý thuyết Nguyên nhân gây ra sự tiêu hao một phần năng lượng của dòng điện có thể là do điện trở của dung dịch mà chúng ta tiến hành điện phân

+ Ở mẫu số 2 có hiệu suất dòng điện phân khá thấp Nguyên nhân ở đây rất có thể do dòng điện dùng điện phân khá lớn là 5mA ngoài ra thế khi đang điện phân cũng rất lớn khoảng 2,17 V cho nên trên điện cực xuất hiện việc điện phân nước gây ra mất hiệu suất dòng Ngoài ra việc này còn làm sản phẩn sinh ra khó bám vào bề mặt điện cực, các bọt khí chiếm hết diện tích cho nên đây cũng là nguyên nhân làm giảm sản phẩm nghiêm trọng nhất