Phương pháp và thiết bị sử dụng sensor tổ hợp điện trở và điện hóa quan trắc liên tục quá trình ăn mòn

Phương pháp và thiết bị sử dụng sensor tổ hợp điện trở và điện hóa quan trắc liên tục quá trình ăn mòn

Tạp chí Hóa học, T 41, số ĐB, Tr 35 - 39, 2003

Ph ơng pháp và thiết bị sử dụng sensơ Tổ hợp điện trở và điện hóa quan trắc liên tục quá trình ăn mòn

Đến Tòa soạn 3-12-2002

Lê Quốc Hùng1, Phạm Thy San2, Vũ Thị Thu H 1

1 Viện Hóa học, Trung tâm KHTN&CNQG 2

Viện Khoa học Vật liệu, Trung tâm KHTN&CNQG

Summary

Nowadays, sensor for corrosion research has been widely used since its suitable size, easy

to use, low cost and providing interesting information rapidly The report presents primitive research on methodology, instrumentation and sofware for continously corrosion monitoring by using a resistance sensor intergrated with an electrochemical (2 and 3 electrodes) sensor

I - Mở đầu Trong nghiên cứu ăn mòn, ph ơng pháp

điện hóa đ ợc đánh giá l một trong những

ph ơng pháp quan trọng nhất vì chúng cho

phép đánh giá nhanh, tức thời tốc độ ăn mòn,

không phá hủy mẫu Đồng thời, có thể tiến

h nh đo liên tục trên cùng một mẫu m không

l m h hại môi tr ờng nh các ph ơng pháp

khác Ph ơng pháp n y còn cho phép nghiên

cứu đ ợc cơ chế, bản chất của quá trình ăn

mòn, đánh giá đ ợc ảnh h ởng của các yếu tố

đến quá trình ăn mòn

Trong nghiên cứu ăn mòn, sensơ luôn l

một bộ phần đặc biệt quan trọng Sensơ ăn mòn

dựa trên nguyên tắc đo điện trở phân cực đD

đ ợc nghiên cứu v dùng rộng rDi [1 - 5] Trong

b i báo n y, lần đầu tiên ph ơng pháp đo điện

hóa v điện trở đD đ ợc sử dụng đồng thời để

nghiên cứu liên tục quá trình ăn mòn nhờ một

sensơ tổ hợp giữa sensơ điện trở v sensơ điện

hóa Việc nghiên cứu nhằm xác định tính phù

hợp giữa hai ph ơng pháp, trên cơ sở đó chọn

lựa ph ơng pháp thích hợp để khảo sát ăn mòn

một cách nhanh chóng v thuận tiện

Hiện nay đD có một số loại sensơ điện hóa

cho nghiên cứu ăn mòn đD th ơng mại hóa:

sensơ điện hóa ba điện cực v hai điện cực Sensơ điện hóa ba điện cực (do Petrolite Corp., Houston, Texas chế tạo) sử dụng ba điện cực cùng vật liệu, một điện cực không bị phân cực

đ ợc dùng l m điện cực so sánh Trong khi đó sensơ hai điện cực (do hDng Ronhback Cosasco, Santa Fc Springs, California chế tạo) sử dụng hai điện cực giống nhau v không có điện cực

so sánh

II - Thực nghiệm Quá trình ăn mòn trong tự nhiên xảy ra chủ yếu theo cơ chế điện hóa, khi đó, trên vùng anôt, kim loại bị oxi hóa chuyển th nh các ion tan v o trong dung dịch hoặc tạo th nh các sản phẩm ăn mòn rắn trên bề mặt kim loại (m ng oxit, muối không tan ) còn trên vùng catot xảy

ra các quá trình khử oxi hoặc thoát khí hiđrô Trong lòng kim loại có sự dịch chuyển của các electron từ vùng anôt sang catôt, vì thế các kỹ thuật điện hóa có thể đ ợc sử dụng để nghiên cứu các hiện t ợng n y Ph ơng pháp sử dụng

để khảo sát tính năng sensơ ở đây l đo sự thay

đổi của dòng trong một khoảng thế nhất định v

đo điện trở của sensơ từ đó xác định đ ợc tốc

độ ăn mòn của vật liệu l m sensơ

1 Cấu tạo sensơ

Sensơ đ ợc l m từ tấm thép cacbon d y 250

àm đ ợc gắn lên tấm phíp thủy tinh cách điện

ho n to n Cấu tạo của sensơ đ ợc trình b y

trên hình 1, trong đó phần 1, 2 v 3 đ ợc sơn

bảo vệ v ho n to n cách điện để đảm bảo rằng

trong quá trình đo, phần thép bên trong m ng

sơn l ho n to n không bị ảnh h ởng bởi môi

tr ờng, có độ d y không đổi v do đó có điện

trở (Rref) xác định Phần 1, 2, 3, 4 v 5 dùng để

đo điện trở, phần 4, 6, dùng để đo điện hóa

2 Thiết bị đo

Hệ thống máy đo có ghép nối với máy vi tính đ ợc chế tạo tại Viện Hóa học, hệ thống

n y kết hợp máy đo Potentio-galvanostat đa năng v hệ thống rơ le, các bộ khuếch đại thế

cho phép đo liên tục in situ các thông số quan

tâm nh trở kháng sensơ, mật độ dòng/dòng ăn mòn cũng nh hệ số t ơng quan kết giữa hai

ph ơng pháp đo

3 Đo điện trở xác định tổn hao ăn mòn

Đo sự thay đổi của điện trở thực chất l đo

tổn hao trọng l ợng vật liệu l m sensơ sau

những khoảng thời gian nhất định Sơ đồ đo đạc

đ ợc đ a ra trên hình 2 Dòng không đổi I đ ợc

áp v o hai điểm 1 v 5, lúc n y thế đo đ ợc

giữa điểm 2 v 3 l V2v giữa điểm 3 v điểm

4 l V1 Tốc độ ăn mòn tính toán dựa trên sự

thay đổi của giá trị điện trở nhờ v o đo đạc sự

thay đổi của giá trị điện áp theo sơ đồ đ a ra

trên hình 2

Ta có:

ref

test R

R V

V

=

2

1

ref

V

V

2

1

(1)

Giá trị của R ref không thay đổi theo thời

gian thử nghiệm Giá trị của

2

1

V

V

đo đ ợc bằng thực nghiệm Nhờ vậy, chúng ta tính toán

Phần thử nghiệm Phần so sánh

I

Nguồn dòng

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo sensơ Hình 2: Sơ đồ mạch đo điện trở sensơ

V1 V2

đ ợc giá trị của R test

M

test test

test test

test test

H D

L S

L R

ì

ì

=

ì

=

(2)

Trong đó L test v D test không đổi theo thời gian

thử nghiệm Do đó:

) (

) ( )

(

)

(

t test

o test o

test

t

test

H

H R

R

=

) (

) ( )

( )

(

t test

o test o

test t

R H

ở đây:

l điện trở suất của vật liệu

L test l chiều d i phần thử nghiệm,

D test l chiều rộng phần thử nghiệm,

H tets l chiều d y phần thử nghiệm,

R test(0) l điện trở phần thử nghiệm tr ớc khi

thử nghiệm (t = 0),

R test(t) l điện trở phần thử nghiệm theo thời

gian (t),

R ref l điện trở phần so sánh (đ ợc sơn phủ

bảo vệ chống ăn mòn)

4 Đo điện hóa xác định tổn hao ăn mòn

Đối với các phép đo điện hóa cho sensơ có

cấu tạo nh trên, chúng tôi đD thực hiện hai chế

độ đo: 2 điện cực v 3 điện cực (đ ợc chuyển

mạch tự động nhờ máy tính) Trong hệ hai điện

cực, điểm số 5 đ ợc nối v o điện cực l m việc

v thanh thép với điểm số 6 l m vai trò của cực

thế cân bằng v đo dòng đáp ứng Khi đo hệ ba

điện cực, một điện cực so sánh Ag/AgCl đ ợc

đ a v o l m việc Để tránh phá hủy điện cực so

sánh trong môi tr ờng có nồng độ axit lớn, điện

cực so sánh đ ợc nối qua cầu muối

Thông th ờng, đ ờng cong phân cực l

tuyến tính trong khoảng quá thế 10 mV, dòng

nhận đ ợc để đạt tới thay đổi 10 mV tỉ lệ với

tốc độ ăn mòn theo công thức :

p

app corr

E B R

I i

ở đây:

Eapp l biến thiên thế đặt v o,

I l biến thiên dòng đo đ ợc,

Icorr l dòng ăn mòn,

B l hằng số phụ thuộc v o hằng số Tafel anôt v catôt

Sensơ đ ợc ngâm liên tục trong môi tr ờng

đo v cứ 5 phút, hệ thống tự động thực hiện phép đo v l u giữ lại kết quả Thời gian thực hiện một phép đo l 6 giờ cho mỗi môi tr ờng

Nh vậy, tất cả các phép đo đ ợc thực hiện ở cùng một chế độ

Giao diện đo trình b y trên hình 3 Chúng

ta có thể lựa chọn các các phép đo v cả thứ tự thực hiện chúng Chẳng hạn theo hình 3 thì máy sau 60 giây một lần thực hiện các phép đo sau:

1 Chuyển mạch đo sang chế độ đo thế ổn

định Ur (thế tại i = 0) Sau 9 giây, đo Ur của

điện cực l m việc (mẫu) lấy trung bình của khoảng 2000 lần đo v o giây cuối cùng

2 Chuyển mạch đo sang chế độ đo Potentiostat 2 điện cực, tự tìm thế ổn định Ur

Đo đ ờng cong phân cực trong khoảng 24 mV xung quanh thế Ur, tính điện trở phân cực, tính tốc độ ăn mòn theo ph ơng trình (4)

3 Chuyển mạch đo sang chế độ đo Potentiostat 3 điện cực, tự tìm thế ổn định Ur

Đo đ ờng cong phân cực trong khoảng 24 mV xung quanh thế Ur, tính điện trở phân cực, tính tốc độ ăn mòn theo ph ơng trình (4)

4 Đo điện trở sensơ tính tốc độ ăn mòn (xem giải thích ở mục sau) Hiển thị v vẽ đồ thị các kết quả đo, l u trữ số liêu va chờ tới lần

đo sau Quá trình lặp lại cho dến khi dạt số lần

đo hay thời gian định tr ớc

Hình 4 trình b y kết quả đo tổn hao chiều

d y của vật liệu l m sensơ trong các môi tr ờng

có nồng độ axit khác nhau Từ đồ thị có thể

tổn hao chiều d y mẫu hầu nh không đáng kể

v có giá trị rất gần nhau Khi tăng nồng độ axit tới 0,4 N v 0,8 N, tốc độ ăn mòn (tổn hao chiều d y mẫu) tăng lên đáng kể v bắt đầu có

sự tách biệt khi tăng nồng độ axit

Hình 3: Giao diện phần mềm khi đo tự động hai/ba điện cực

Hình 5 biểu diễn kết quả đo mật độ dòng

của sensơ đo đ ợc trong môi tr ờng axit với các

nồng độ khác nhau 0,2 N, 0,4 N, 0,6 N v 0,8

N Đ ờng cong phía trên (đ ờng a) l giá trị

mật độ dòng khi đo trên hệ ba điện cực Đ ờng

cong phía d ới (đ ờng b) l giá trị mật độ dòng

khi đo trên hệ hai điện cực Các giá trị mật độ

dòng n y đ ợc đo theo quy trình đD đ ợc trình

b y ở mục 4 v đ ợc tính theo công thức (4)

Có sự phù hợp giữa các giá trị mật độ dòng thu

đ ợc khi đo trên hệ hai điện cực v hệ ba điện cực Hình 4 v 5 chỉ ra rằng dòng ăn mòn xác

định bằng ph ơng pháp đo điện trở của sensơ (hình 4) v bằng ph ơng pháp đo đ ờng cong phân cực (hình 5) cho các kết quả ho n to n phù hợp

0 2 4 6 8 10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thời gian đo (phút)

0.2N 0.4N 0.6N 0.8N

Hình 4: ảnh h ởng của nồng độ axit H2SO4đến tổn hao chiều d y mẫu

(đo qua điện trở)

Hình 5: ảnh h ởng của nồng độ axit H2SO4đến mật độ dòng khi đo

hệ hai điện cực (phía d ới) v ba điện cực (phía trên) đối với sensơ thép cacbon

IV- Kết luận Lần đầu tiên đD xây dựng đ ợc hệ thống đo

v sensơ cho phép đo điện trở v đo điện hóa

kết hợp Các phép đo đ ợc thực hiện liên tục,

đồng thời, ổn định v chính xác rất thuận tiện

cho việc quan trắc các quá trình ăn mòn nhanh

Các kết quả thu đ ợc cho thấy sự phù hợp giữa

các ph ơng pháp đD sử dụng Những kết quả

ứng dụng cụ thể của ph ơng pháp để quan trắc

liên tục quá trình ăn mòn các vật liệu sensơ

khác nhau đ ợc trình b y trong công trình tiếp

theo của tập thể tác giả tại Tuyển tập các công

trình Khoa học, Viện Hóa học (nhân dịp kỷ

niệm 25 năm th nh lập Viện Hóa học)

T I liệu tham khảo

1 Hurbert Cachet Electrochemical Sensors

for Water Quality P 71 Rencontres du Vietnam January, Hanoi, Vietnam (1999)

2 A Groysman and A Hiram Corrosion Monitoring in the Oil Refinary, 13th

International Corrosion Congress, Australia, P 148 (1996)

3 V S Agarwala Sensors for Monitoring Corrosion in Aircraft System, 13th

International Corrosion Congress, Australia, P 431 (1996)

4 P R Roberge and V S Satri On-line Corrosion Monitoring with Electrochemical Impedance Spectroscopy 1321 Eurocor

10th Barcelona (1992)

5 Denny A Jones Principle and Prevention

of Corrosion by Macmillan Publishing Company, USA (1992)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Số điển đo

Đo hai điện cực Đo ba điện cực

0,2N

0,4N

0,6N

0,8N

(b)