ỨNG DỤNG cân BẰNG điện hóa , đh nông lâm tphcm

II.Đại cương ăn mòn:1.Định nghĩa: Ăn mòn kim loại là sự tự phá huỷ kim loại do tác dụng hoá học và điện hoá giữa chúng với môi trường bên ngoài Nói một cách khác ăn mòn là quá trình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



GVHD: Đào Ngọc Duy Nguyễn Bảo Việt NHÓM THỰC HIỆN :

1/LưuThị Phượng 09139136

2/Võ Lương Nghi 09139108

3/Đào Trần Mỹ Phương 09139133

4/Lê Khánh Linh 09139089

5/Nguyễn Văn Giàu 10139048

6/Nguyễn Minh Tuấn 10139267

7/Cao Tùng Phi 10139166

Tp.HCM,ngày 30 tháng 9 năm 2011

MỤC LỤC

I/TÌNH HÌNH ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI ………1

II/ĐẠI CƯƠNG VỀ ĂN MÒN……… 2

1/Định Nghĩa……… 3

2/Phân Loại……….3

2.1 Theo cơ cấu của quá trình ăn mòn……… 3

2.2 Theo điều kiện của quá trình ăn mòn……….3

2.3 Theo đặc trưng của ăn mòn……….3

3/Cân Bằng Điện Hóa……… 5

3.1/Giới thiệu……… 5

3.2/Phản ứng điện hóa……… 6

3.3/Cơ chế ăn mòn……… 7

III/Ứng Dụng Cân Bằng Điện Hóa Trong Ăn Mòn Và Bảo vệ Kim loại 8

1/Bảo Vệ Anốt………8

2/Bảo Vệ Catốt……… 9

2.1/Bảo vệ catốt bằng protector……… 9

2.2/Bảo vệ catốt bằng dòng điện ngoài………10

3/Mạ điện……….12

4/Hệ thống chống ăn mòn tàu bằng phương pháp bảo vệ Cathode ….16

I.Tình hình ăn mòn và bảo vệ kim loại cuả thế giới và Việt Nam

Ăn mòn đã nghiêm trọng về kinh tế, sức khỏe, an toàn, hậu quả, công nghệ và văn hóa cho xã hội của chúng tôi

☺Kinh tế:

Năm 1976 tổng chi phí ăn mòn kim loại của Mỹ là $ 70 tỷ, chiếm 4,2% của tổng sản phẩm quốc gia

☺Y tế:

Những năm gần đây đã nhìn thấy việc sử dụng ngày càng tăng của các bộ phận giả bằng kim loại trong cơ thểVD: chân, đĩa, khớp hông, máy điều hòa nhịp tim… Hợp kim mới và kỹ thuật cấy ghép tốt hơn đã được phát triển, nhưng ăn mòn tiếp tục tạo ra vấn đề VD: thất bại thông qua kết nối bị hỏng máy điều hòa nhịp tim, viêm gây ra bởi các sản phẩm ăn mòn trong các mô xung quanh cấy ghép, và gãy xương chịu trọng lượng thiết bị

kỹ thuật viên chỉnh hình

☺An toàn:

Một vấn đề thậm chí còn quan trọng hơn là ăn mòn các cấu trúc, có thể dẫn đến chấn thương nghiêm trọng hoặc thậm chí mất cả của cuộc sống Ăn mòn góp phần vào thất bại của các cầu, máy bay, ô tô, đường ống dẫn khí…

☺Công nghệ :

Một số lượng lớn của sự phát triển của công nghệ mới được tổ chức trở lại vấn đề ăn mòn vì những vật liệu cần thiết để chịu được, trong nhiều trường hợp cùng một lúc, nhiệt

độ cao hơn, áp suất cao hơn, và môi trường cao ăn mòn hơn Vd: khoan dầu ở biển và trên đất liền, liên quan đến việc khắc phục các vấn đề như vậy ăn mòn như sulfide căng thẳng ăn mòn, ăn mòn vi sinh, và một mảng lớn các khó khăn liên quan đến việc làm việc trong môi trường biển ăn mòn

☺Văn hóa:

Mối quan tâm quốc tế được đánh thức bởi việc tiết lộ sự suy thoái nghiêm trọng của nghệ thuật và văn hóa đáng kể bức tượng bằng đồng mạ vàng tại Venice, Italy Quá trình

ăn mòn sẽ đẩy nhanh sự suy thoái hiện vật quý Bên trong bảo tàng bảo tồn của thế giới

và lao động phục chế bảo vệ kho tàng văn hóa chống lại sự tàn phá của ăn mòn hoặc xóa

bỏ dấu vết của nó từ các đồ tạo tác nghệ thuật, văn hoá quan trọng

II.Đại cương ăn mòn:

1.Định nghĩa:

Ăn mòn kim loại là sự tự phá huỷ kim loại do tác dụng hoá học và điện hoá giữa chúng với môi trường bên ngoài

Nói một cách khác ăn mòn là quá trình chuyển biến kim loại từ dạng nguyên tố thành hợp chất.Sự ăn mòn thường bắt đầu xảy ra trên bề mặt kim loại, rồi quá trình phát triển vào sâu kèm theo sự biến đổi thành phần và tính chất hoá lí của kim loại và hợp kim.Kim loại

có thể hoà tan một phần hay toàn bộ tạo ra các sản phẩm ăn mòn dưới dạng kết tủa trên

bề mặt kim loại(lớp gỉ,oxy,hydrat….)

2.Phân loại:

2.1.Theo cơ cấu của quá trình ăn mòn

-Ăn mòn hoá học

-Ăn mòn điện hoá

2.2.Theo điều kiện của quá trình ăn mòn

- Ăn mòn khí

- Ăn mòn khí quyển

- Ăn mòn chất điện giải

- Ăn mòn trong đất

- Ăn mòn do dòng điện ngoài

- Ăn mòn do tiếp xúc

- Ăn mòn do Vi sinh vật

2.3 theo đặc trưng của ăn mòn(hình 1.1)

-Ăn mòn điều( thép cacbon trong dung dịch acid sunphuaric

Ăn mòn không đều(thép cacbon trong nước biển)

-Ăn mòn chọn lựa,tức chỉ 1 pha bị phá huỷ(gang trong acid)

-Ăn mòn vết, tạo thành những vết dài trên bề mặt(đồng thau trong nước biển)

-Ăn mòn hố( ăn mòn trong đất)

Ăn mòn điểm,đường kính từ 0.1-2mm( thép không gỉ trong nước biển)

-Ăn mòn dưới bề mặt

-Ăn mòn giữa các tinh thể(thép Crom ở 500- 8000C)

3.Ăn mòn điện hóa:

3.1.Giới thiệu:

Khi nghiên cứu sự làm việc của pin Cu-Zn trong dung dịch điện giải nào đó ta thấy phía Zn mòn dần do hiện tượng hoà tan.như vậy zn đóng vai trò anod trong pin Cu-zn.Các phản ứng điện cực xảy ra như sau:Cu2+(l) +Zn(r) = Cu(r) +Zn2+(l)

Trong thực tế quá trình ăn mòn xảy ra trên cùng 1 kim loại,nghĩa là trên đó đồng thời xảy

ra quá trình anod và catod,đưa đến sự phá huỷ kim loại

3.2.Phản ứng điện hoá:

Phản ứng điện hoá được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật và đời sống.Tuy nhiên trong

ăn mòn và trong nghành mạ điện vấn đề cần quan tâm đó chính là đặc tính của bề mặt phân pha giữa kim loại và dung dịch:VD:tốc độ phản ứng tại bề mặt,tính chất của lớp màng trên bề mặt hoặc hình dạng của bề mặt.Công cụ để khảo sát và nghiên cứu các tính chất trên là thế và dòng.Từ hai thông số này chúng ta có thể suy luận mọi thứ có thể xảy

ra trên bề mặt phân pha.Khi chúng ta nhúng 1 thanh kim loại vào dung dịch điện li,thì

kim loại có khuynh hướng phản ứng với dung dịch điện li đó:kim loại có thể hoà tan tạo thành cation hoặc các cation trong dung dịch có thể kết tủa thành kim loại:VD:

Kết quả của những phản ứng này là kim loại có khuynh hướng tích tụ điện tích âm hoặc dương.Sự tích tụ những điện tích này sẽ làm thay đổi điện thế của kim loại và điện thế sẽ đạt đến giá trị khi tốc độ của 2 phản ứng đạt cân bằng.Điện thế này gọi là điện thế cân bằng

Trong ăn mòn kim loại có 2 phản ứng quan trọng khác là phản ứng khử oxy hoà tan để tạo thành ion hydroxyl và phản ứng khử ion hydro hoặc phân tử nước để tạo thành khí hidro:

Sự cân bắng giữa 1 hoặc nhiều phản ứng catod với phản ứng anod hoà tan kim loại thì ta xác định được mật độ chống ăn mòn.Một trong những ứng dụng của phương pháp điện hoá để nghiên cứu ăn mòn là xác định độ lớn của mật độ dóng ăn mòn và cơ chế của quá trình ăn mòn

3.3.Cơ chế ăn mòn điện hoá

Sự hoà tan điện hoá học kim loại là một quá trình phức tạp bao gồm 3 quá trình:

☻Quá trình anod:

Quá trình anod là quá trình xảy ra ở khu vực mà kim loại bị ion hoá và chuyển vào dung dịch,do đó trên bề mặt kim loại dư 1 loại điện tử tương ứng.Quá trình xảy ra theo phương trình:

ne Me + mH 2 O → Me +n mH 2 O

Quá trình này kim loại bị mất điện tử,nó bị oxi hoá.

☻Quá trình catod:

Quá trình catod là quá trình xảy ra ở khu vực mà ở đó các ion,nguyên tử hoặc phân tử của chất điện li nhận điện tử trên bề mặt kim loại.Ta gọi các ion ,nguyên tử,phân tử đó là chất khử cực.Chất khử cực đã nhận điện tử dư trên bề mặt kim loại theo phương

trình:D+ne→[D.ne]

☻Quá trình chuyển điện tử:

Khi hai quá trình điện cực xảy ra đồng thời có sự chuyển điện tử từ vùng anod sang vung catod.Trong dung dịch điện li cũng có sự chuyển cation và anion tương ứng

Như vậy quá trình ăn mòn kim loại xảy ra đồng thời với sự xuất hiện dòng điện giữa 2 cực khác nhau của kim loại.Vùng kim loại bị hoá tan đóng vai rò cực dương(anod),vùng kia đóng vai trò cực âm(anod)

III.ỨNG DỤNG CÂN BẰNG ĐIỆN HÓA TRONG ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI:

1.Bảo vệ anod:

Ta thấy rằng nhiều trường hợp kim loại bị thụ động có thể nâng cao độ bền của nó bằng cách chuyển điện thế điện cực về phía dương hơn Muốn thực hiện được điều này ta nối kim loại cần bảo vệ với cực dương của nguồn một chiều hay nối kim loại cần bảo vệ với kim loại có điện thế cực dương hơn , nhưng hiện nay việc ứng dụng bảo vệ anod vào thực

tế còn nhiều hạn chế.Phương pháp bảo vệ anod chủ yếu để nâng cao độ bền của thép cacbon ,thép không gỉ,hay titan trong 1 số môi trường như xút đặc,acid sunphuaric có nồng độ cao

Dòng điện bảo vệ phải duy trì thường xuyên khi dòng điện chính bị ngắt thì phài có dòng phụ

Anot bảo vệ đã được đề xuất để bảo vệ thép không gỉ sắt và một số môi trường một số trong đó được hiển thị dưới đây

 Trao đổi nhiệt bằng thép không gỉ được sử dụng để xử lý axít sulfuric đậm đặc

 Gang trong axit sulfuric sôi

 Một số loại thép không gỉ trong axit axetic

 Thép trong một số loại của phân bón có chứa phosphate

 Một số thép và thép không gỉ trong axit photphoric trong các nhà máy và tàu chở dầu

Một đặc trưng của môi trường này là họ thường không gây ra các loại rỗ hoặc ăn mòn địa phương khác Kiểm soát tiềm năng trên khả năng ăn mòn có thể gây ăn mòn cục bộ nếu môi trường có chứa các chất (ví dụ như clorua) được biết là bắt đầu ăn mòn cục bộ của các hợp kim đã được bảo vệ

Muốn tiến hành bảo vệ anod thì phải tuân theo các điều kiện sau:

-Trong môi trường có kim loại phải có khả năng thụ động khi phân cực anod

dòng điện bé duy trì trạng thái thụ động để đảm bào độ bền ăn mòn cao.tiêu hao năng lượng ít.Tuy nhiên ,lúc đầu phải cần mật độ dòng lớn để vượt qua dòng giới hạn đến vùng thụ động cả kim loại

-Đảm bảo có dòng điện thường xuyên khi bảo vệ anod

-Vùng điện thế hiệu quả phải lớn

*Tuy nhiên bảo vệ anod thường gặp một số khó khăn như sau:

-Bải vệ anod không thực hiện được ở phần kim loại không tiếp xúc với dung dịch

-Dòng điện ban đầu cho sự thụ động anod lớn nên cần phải có dụng cụ khống chế điện thế và duy trì dòng điện

-Rất khó khăn bảo vệ cho các đường ống dẫn dài

-Trong dung dịch có chứa các ion hoạt động như CL-, thì phải dùng ổn áp để khống chế điện thế điện cực của kim loại ở vùng thụ động nhưng phải dưới điện thế ăn mòn lỗ

2.Bảo vệ catod:

Nguyên lý của phương pháp này là cấp cho các kết cấu thép một dòng điện đủ để không xảy ra các phản ứng anốt trên bề mặt thép Vùng ca tốt vẫn xảy ra các phản ứng ca tốt bình thường nhưng với mức độ lớn hơn Dòng điện từ bên ngoài có thể tính toán đến giá trị đủ để dòng anốt bị triệt tiêu hoặc xoay ngược chiều Khi đó, tại các vùng anốt, sẽ xảy ra các phản ứng ca tốt và không còn sự ăn mòn Có hai phương pháp bảo vệ ca tốt:

sử dụng anốt hy sinh và dòng điện ngoài

2.1 bảo vệ catod bằng Protector:

Kim loại cần bảo vệ (công trình hoặc thiết bị bằng thép) được nối với một kim loại khác

có điện thế điện cực âm hơn (Hình 1) Trong quá trình làm việc, kim loại đó hoạt động như một anốt, bị hòa tan vào môi trường để bảo vệ cho công trình khỏi bị ăn mòn-từ đó

có tên gọi "anốt hy sinh", hay protector

2.2 Bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài:

Bảo vệ catod bằng dòng điện ngoài được lắp đặt như sau:

Anod phụ được chế tạo từ phế liệu,rẻ tiền.Tuy nhiên thường sử dụng anod phụ là điện cực không tan

Một số vật liệu được sử dụng làm anod phụ như sau:

Hai điểm khác so với sơ đồ bảo vệ bằng anốt hy sinh là:

- Dùng dòng điện bên ngoài để phân cực, khác với dòng điện tự hy sinh trong sơ đổ bảo vệ bằng anốt hy sinh

- Vật liệu anốt không nhất thiết phải là vật liệu hy sinh

Dòng điện ngoài lấy từ điện lưới, qua hạ thế và chỉnh lưu để trở thành nguồn một chiều Nguồn điện bên ngoài có nhiệm vụ cung cấp dòng định mức bảo vệ không đổi trong suốt thời gian vận hành đến tất cả các điện tích cần bảo vệ

Tóm lại chọn cách bảo vệ bằng protector hay bằng dòng điện ngoài phụ thuộc chủ yếu vào công trình cần được bảo vệ.Đối với công trình nhỏ phương pháp dùng protector kinh tế hơn.Phương pháp này có ưu điểm là điện thế bảo vệ phân bố đều

Bảo vệ catod bằng dòng ngoài được dùng để bảo vệ những điện tích lớn,nhưng phương pháo này có thể xảy ra nguy cơ” quá bảo vệ”.Nghĩa là điện thế điện cực cục bộ của công trình trở nên quá âm đến nỗi tốc độ của phản ứng:2H2O+2e=h+2OH- trở nên đáng kể

Các phương pháp bảo vệ trên thường được dùng kết hợp với các lớp phủ cách điện,nên vùng tác dụng bảo vệ của protector tăng lên rất nhiều

3 Phương pháp mạ điện

Khái niệm :

Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý1Luigi Galvani), là tên gọi của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật

Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện môi Cực dương của nguồn điện

sẽ hút các electron e- trong quá trình ôxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại

e- trong quá trình ôxi hóa khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ

Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ

Ví dụ: mạ đồng trong dung dịch điện môi SO42-, tại cực dương:

Cu → Cu2+ + 2e

-Cu2+ SO42-→ CuSO4

CuSO4dễ tan trong dung dịch, tại cực âm

CuSO4→ Cu2++ SO4

2-Cu2++ 2e-→ Cu

Sự hình thành lớp mạ điện

Mạ điện là một công nghệ điện phân Quá trình tổng quát là: Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot

M – ne → Mn+

-Trên 1catot xảy ra quá trình cation phóng điện trở thành kim loại mạ:

Mn++ ne → M

Thực ra quá trình trên xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao nhiều giai đoạn nối tiếp nhau như: quá trình cation hidrat hóa di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catot (quá trình khuếch tán) ; cation mất lớp vỏ hidrat, vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot (quá trình hấp phụ) điện tử chuyển từ catot điền vào vành hóa trị của cation, biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa (quá trình phóng điện)

Điện kết tủa kim loại trên catot sẽ chỉ diễn ra khi nào điện thế catot dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng về phía âm một lượng đủ để khắc phục các trở lực

Điều kiện xuất hiện tinh thể

Trong điều kiện điện kết tủa kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định tốc độ tạo mầm tinh thể là tỷ số giữa mật độ dòng điện catot Dc và mật độ dòng trao đổi i0:

β = Dc / i0

Mặt khác, theo phương trình Tafel :

η = a + b.log Dc

Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, và ngược lại Các mầm tinh thể ban đầu mới xuất hiện được ưu tiên tham gia vào mạng lưới

tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng Đó là những chỗ tập trung nhiều nguyên tử gần nhất, vì ở đó năng lượng dư bề mặt lớn nhất, các mối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nền được bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai ghép (epitaxy)), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên Sau đó sẽ dần chuyển về cấu trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo Trường hợp này cho lớp kim loại mạ có độ gắn bám rất tốt, xấp xỉ với độ bền liên kết của kim loại nền Nếu cấu trúc mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì sự lai ghép sẽ không xảy ra Đấy là một trong những nguyên nhân gây nên ứng suất nội và làm lớp mạ dễ bong

Thành phần chất điện giải

Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dung dịch nước của muối đơn hay muối

phức Dung dịch muối đơn còn gọi là dung dịch axit Cấu tử chính của dung dịch này là muối của các axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly hoàn toàn trong dung dịch thành các ion tự do Ở dung dịch này, phân cực nồng độ và phân cực hóa học không lớn lắm nên lớp mạ thu được thô, to, dày mỏng không đều, rất dễ bị lỏi Mặt khác dung dịch muối đơn cho hiệu suất dòng điện cao , và càng cao khi mật độ dòng lớn Thường được dùng để mạ những chi tiết có hình thù đơn giản như dạng tấm, dạng hộp… Dung dịch muối phức được tạo thành khi pha chế dung dịch từ các cấu tử ban đầu Ion kim loại mạ

sẽ tạo phức với các ligan thành ion phức hoạt độ của ion kim loại tự do giảm đi rất nhiều

do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm rất nhiều Điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, dày đều… được dùng để mạ các chi tiết có hình thù phức tạp… Để tăng độ dẩn điện cho dung dịch, thường pha thêm các chất điện giải trơ Các chất này không tham gia vào quá trình catot và anot mà chỉ đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ Các chất dẫn điện thường dùng là Na2SO4, H2SO4, Na2CO3… Để ổn định pH

cho dung dịch mạ, cần phải thêm vào dung dịch chất hệ đệm pH thích hợp để tạo môi trường thích hợp nhất cho phản ứng điện kết tủa xảy ra Các chất hoạt động bề mặt bao gồm các chất bóng loại I, loại II, các chất thấm ướt,chất chống thụ động anot thường là những hợp chất hữu cơ, có tác dụng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha, tham gia vào một

số quá trình mong muốn, làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn

Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ

 Gia công cơ học: