LUẬN văn sư PHẠM hóa THIẾT kế bài THÍ NGHIỆM về ăn mòn KIM LOẠI và bảo vệ KIM LOẠI BẰNG CHẤT ức CHẾ

Ăn mòn trong môi trường chất lỏng không điện li Các chất không phải là chất điện li là các chất không phân li thành các ion tự do trong dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy.. Khái niệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN HÓA

THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM VỀ ĂN MÕN KIM LOẠI

VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI BẰNG CHẤT ỨC CHẾ

Luận văn Tốt nghiệp

Ngành: SƯ PHẠM HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Lớp: Sư phạm hóa K33 MSSV: 2072001

Cần Thơ 2011

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian thực hiện đề tài ngoài sự nỗ lực học tập của bản thân, tôi còn nhận được

sự động viên giúp đỡ của thầy cô và bạn bè Nay, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

- Cô Phan Thị Ngọc Mai đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đề tài này Cô đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

- Thầy Nguyễn Mộng Hoàng tận tình hướng dẫn và góp ý cho tôi hoàn thành đề tài này

- Thầy Nguyễn Điền Trung đã luôn giúp đỡ cho tôi hoàn thành đề tài

- Quý Thầy, Cô trong bộ môn Hóa, đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian qua

- Các thành viên trong lớp Sư Phạm Hóa K33, và những người bạn thân đã nhiệt

tình giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn Trương Minh Nhật

SVTH: Trương Minh Nhật Trang ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

SVTH: Trương Minh Nhật Trang iv

ĐIỂM KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU Trang

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 1

4.1 Phương pháp 1

4.2 Phương tiện 2

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 3

1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI 3

1.1.1 Định nghĩa ăn mòn kim loại 3

1.1.2 Phân loại 3

1.1.3 Các phản ứng ăn mòn kim loại 6

1.2 ĂN MÒN HÓA HỌC 7

1.2.1 Khái niệm về ăn mòn hóa học 7

1.2.2 Ăn mòn trong môi trường chất lỏng không điện li 7

1.2.3 Ăn mòn kim loại trong môi trường khí 8

1.3 ĂN MÒN ĐIỆN HÓA 9

1.3.1 Khái niệm về ăn mòn điện hóa 9

1.3.2 Điện thế điện cực và cơ cấu ăn mòn điện hóa 9

1.3.3 Động học các quá trình điện cực 13

1.3.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn điện hóa 17

1.4 XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĂN MÒN KIM LOẠI 20

1.5 PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI 22

SVTH: Trương Minh Nhật Trang vi

1.5.1 Phương pháp hợp kim hóa 22

1.5.2 Phương pháp xử lí môi trường 22

1.5.3 Dùng chất ức chế ăn mòn 23

1.5.4 Phương pháp bao phủ bảo vệ 24

1.5.5 Bảo vệ kim loại bằng phương pháp điện hóa 26

1.5.6 Bảo vệ bằng cách cấu tạo thiết bị hợp lí 26

1.5.7 Tổ hợp các phương pháp bảo vệ 27

PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 28

2.1 DỤNG CỤ, HÓA CHẤT 28

2.1.1 Dụng cụ: 28

2.1.2 Hóa chất 28

2.1.3 Qui trình thí nghiệm 28

2.2 KHẢO SÁT SỰ ĂN MÒN KIM LOẠI 29

2.2.1 Khảo sát sự ăn mòn kim loại bằng phương pháp trọng lượng 29

2.2.2 Khảo sát ăn mòn kim loại bằng phương pháp trọng lượngvà thể tích 36

2.3 KHẢO SÁT KHẢ NĂNG BẢO VỆ KIM LOẠI BẰNG CHẤT ỨC CHẾ 38

2.3.1 Khảo sát khả năng bảo vệ kim loại trong môi trường axit 38

2.3.2 Khảo sát khả năng bảo vệ kim loại trong môi trường NaCl 3% 43

PHẦN 3 : THIẾT KẾ BÀI THÍ NGHIỆM 49

3.1 Mục đích thí nghiệm 49

3.2 Cơ sở lí thuyết 49

3.2.1 Ăn mòn kim loại 49

3.2.2 Bảo vệ kim loại bằng chất ức chế 51

3.3 Thiết bị hóa chất 51

3.4 Quá trình tiến hành thí nghiệm 52

3.4.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát ăn mòn bằng phương pháp điện hóa 52

3.4.2 Thí nghiệm 2: Kháo sát sự ăn mòn thép CT3 bằng phương pháp trọng lượng và thể tích 52

3.4.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát sự ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng chất ức chế trong môi trường axit 53

3.4.4 Thí nghiệm 4: Khảo sát sự ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng chất ức chế trong môi trung tính (NaCl) 54

3.4.5 Đánh giá độ lặp lại kết quả các thí nghiệm 55

KẾT LUẬN 58

KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

SVTH: Trương Minh Nhật Trang viii

và thể tích 37 Bảng 2.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ kali đicromat đến tốc độ

ăn mòn thép CT3 trong H2SO4 10% 40 Bảng 2.7: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ kali clorat đến

tốc độ ăn mòn thép CT3 trong H2SO4 10% 42 Bảng 2.8: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ kali đicromat đến

tốc độ ăn mòn thép CT3 trong NaCl 3% 45 Bảng 2.9: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ kali clorat đến

tốc độ ăn mòn thép CT3 trong NaCl 3% 47

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ ăn mòn theo nồng

độ axit H2SO4 sau 2 giờ khảo sát 31

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mòn theo nồng độ NaCl theo thời gian 33

Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn mòn theo nồng độ NaCl sau 2 giờ 33

Hình 2.4: Máy đo pH 34

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến tốc độ ăn mòn kim loại 36

Hình 2.6 Thiết bị đo tốc độ ăn mòn kim loại theo phương pháp trọng lượng và thể tích 38

Hình 2.7: Thiết bị đo tốc độ ăn mòn kim loại theo phương pháp trọng lượng trong môi trường axit 39

Hình 2.8:Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali đicromat sau 2 giờ 41

Hình 2.9: Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali clorat sau 2 giờ 43

Hình 2.10: Thiết bị đo tốc độ ăn mòn kim loại bằng phương pháp trọng lượng trong môi trường trung tính 44

Hình 2.11: Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali đicromat trong môi trường NaCl 3% sau 2 giờ 46

Hình 2.12 Sự phụ thuộc của hệ số tác dụng bảo vệ theo nồng độ kali clorat trong môi trường NaCl 3% sau 2 giờ 48

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 1

MỞ ĐẦU

1 LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, thiệt hại gây nên bởi ăn mòn kim loại ngày càng lớn Ví dụ, năm 1949 thiệt hại do ăn mòn tại Mĩ là 5 tỉ đôla tương đương với 2,1% tổng sản phẩm quốc nội, năm 1975 là 70 tỉ đôla và năm 1982 là 126 tỉ đôla Đó

là những mất mát trực tiếp, những mất mát gián tiếp còn lớn hơn nhiều như hư hỏng nhà máy điện nguyên tử, rò rỉ các thùng chứa hóa chất, giảm hiệu suất làm việc của thiết bị Riêng ở Việt Nam, do khí hậu nhiệt đới nóng ẩm nên tốc độ ăn mòn rất cao, gây thiệt

hại rất lớn đến nền kinh tế, hàng năm có thể tổn thất 1 – 2% tổng thu nhập quốc nội [1]

Do đó, thiệt hại do ăn mòn kim loại đang là một vấn đề mà tất cả chúng ta đều quan tâm,

đặc biệt là trong sinh viên, những người chủ tương lai của đất nước Vì vậy, đề tài “Thiết

kế bài thí nghiệm về ăn mòn kim loại và bảo vệ bằng chất ức chế” sẽ có nhiều lợi ích:

giúp sinh viên hiểu rõ hơn về hiện tượng hóa học đang diễn ra hằng ngày đó là ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại, đồng thời kích thích khả năng sáng tạo của sinh viên tìm ra những phương pháp mới góp phần giải quyết vấn đề đang rất được quan tâm hiện nay

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề tài sẽ thiết kế bài thí nghiệm về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng chất

ức chế

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu sẽ giúp cho sinh viên thiết kế được bài thí nghiệm về ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại bằng chất ức chế, qua đó nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của vần đề ăn mòn kim loại và bảo vệ kim loại

4 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

- Khảo sát nồng độ của NaCl

- Khảo sát nồng độ của các chất có khả năng gây ức chế ăn mòn kim loại:

 Sách, tạp chí hóa học, tạp chí khoa học công nghệ

 Hóa chất, dụng cụ trong phòng thí nghiệm

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn, trao đổi với giáo viên hướng dẫn, tìm tài liệu

có liên quan và hoàn thành đề cương chi tiết

Tiến hành thực nghiệm khảo sát nồng độ của H2SO4, NaCl, các chất ức chế

K2Cr2O7, KClO3 Hoàn thành công việc thiết kế bài thí nghiệm

Viết đề tài và hoàn thành báo cáo luận văn tốt nghiệp

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 3

PHẦN 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĂN MÕN KIM LOẠI [1], [6], [9]

1.1.1 Định nghĩa ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại do tác dụng hóa học và điện hóa 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 dạng 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 hóa lí của kim loại và hợp kim Kim loại có thể hòa tan một phần hay toàn bộ tạo ra các sản phẩm ăn mòn dưới dạng kết tủa trên bề mặt kim loại ( lớp gỉ, oxit, hydrat )

Sự gẫy, đứt, sự xâm thực, mài mòn, trương nở cao phân tử, sự biến dạng cấu trúc khi thay đổi nhiệt độ không gọi là ăn mòn

1.1.2 Phân loại

Có nhiều cách phân loại quá trình ăn mòn kim loại, thông thường có 3 cách:

1.1.2.1 Theo cơ chế của quá trình ăn mòn

Theo cơ chế của quá trình ăn mòn, người ta chia ra thành hai loại ăn mòn là ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

Ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn do tác dụng hóa học giữa kim loại với môi trường xung quanh Thí dụ: tương tác giữa kim loại với môi trường lỏng, không dẫn điện hay các khí khô

Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với môi trường phản ứng điện hóa, nó tuân theo qui luật động học điện hóa Ăn mòn điện hóa xảy ra hai quá trình đồng thời

- Quá trình anôt là quá trình biến đổi trực tiếp kim loại thành ion hydrat hóa trong

Me + xH O  Me(H O) + ne

Trong kim loại, còn một lượng tương đương các electron dư thừa

- Quá trình catôt là quá trình làm cho các electron dư trong quá trình anôt bị đồng hóa do một vài chất nhận electron, được gọi là chất khử phân cực

Nghiên cứu chi tiết cơ chế quá trình ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa cho thấy không có ranh giới phân biệt rõ nét giữa chúng Trong nhiều trường hợp, sự biến đổi chậm từ cơ chế hóa học sang cơ chế điện hóa và có thể xảy ra ngược lại Sự ăn mòn trong dung dịch điện li có thể xảy ra theo cả cơ chế điện hóa lẫn cơ chế hóa học

1.1.2.2 Theo điều kiện của quá trình ăn mòn

- Ăn mòn khí quyển là ăn mòn kim loại trong khí quyển hay các khí ẩm ướt khác

- Ăn mòn trong chất điện li (axit, bazơ, muối)

- Ăn mòn trong đất nghĩa là ăn mòn các công trình ngầm dưới đất

- Ăn mòn điện gây ra dưới tác dụng của dòng điện ngoài hay các dòng điện lang thang khác

- Ăn mòn dưới tác dụng của điện thế gây ra do tác dụng đồng thời của môi trường xâm thực và điện thế trên kim loại

- Ăn mòn do tiếp xúc

- Ăn mòn do ứng suất

- Ăn mòn do vi sinh vật

1.1.2.3 Theo đặc trưng của dạng ăn mòn

- Ăn mòn đều (thép cacbon trong dung dịch axit sunfuric)

- Ăn mòn không đều (thép cacbon trong nước biển)

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 5

- Ăn mòn chọn lọc, tức chỉ một pha bị phá hủy (gang trong axit)

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

- Ăn mòn hố (ăn mòn trong đất)

- Ăn mòn điểm, đường kính từ 0,1 – 2 mm (thép không gỉ trong nước biển)

- Ăn mòn dưới bề mặt

- Ăn mòn giữa các tinh thể (thép crom ở 5000C – 8000C)

- Ăn mòn nứt, do tác động đồng thời giữa ăn mòn và cơ học (ăn mòn cánh tuabin)

1.1.3 Các phản ứng ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại là phản ứng oxi hoá khử bất thuận nghịch xảy ra giữa kim loại và một chất oxi hoá có trong môi trường xâm thực Sự oxi hoá kim loại gắn liền với sự khử chất oxi hoá Có thể công thức hoá sự ăn mòn kim loại như sau:

Kim loại + chất oxi hoá → kim loại bị oxi hoá + chất khử

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 7

Trong quá trình xảy ra sự ăn mòn kim loại, phản ứng oxi hoá khử luôn bao gồm hai phản ứng riêng biệt gọi là phản ứng riêng phần: phản ứng oxi hoá gọi là phản ứng riêng phần anôt hay là phản ứng anôt và phản ứng khử gọi là phản ứng catôt Từ phản ứng (*) có thể viết:

1.2 ĂN MÕN HÓA HỌC [1], [5], [6], [9]

1.2.1 Khái niệm về ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học là quá trình phá hủy kim loại do tác dụng hóa học của nó với môi trường xung quanh Ăn mòn hóa học xảy ra khi kim loại tác dụng với chất lỏng không phân li hoặc khí khô Đặc điểm của ăn mòn hóa học là quá trình ăn mòn không sinh ra dòng điện Sản phẩm ăn mòn tạo thành ngay chỗ kim loại tiếp xúc với môi trường

1.2.2 Ăn mòn trong môi trường chất lỏng không điện li

Các chất không phải là chất điện li là các chất không phân li thành các ion tự do trong dung dịch hoặc trạng thái nóng chảy Ví dụ: brom lỏng, lưu huỳnh nóng chảy, dung môi hữu cơ (benzen, tetraclorua cacbon, clorofom ) và các nhiên liệu lỏng (dầu hỏa, xăng, dầu khoáng )là các chất không điện li

Các chất lỏng hữu cơ phần lớn không ăn mòn sắt, hợp kim của sắt Nhưng có một

số ăn mòn kim loại màu Ví dụ: dẫn xuất halogen, hợp chất mecaptan và các hợp chất chứa lưu huỳnh

Các sản phẩm dầu mỏ (dầu hỏa, xăng, dầu khoáng ) là sản phẩm hữu cơ không điện li, nó gây ăn mòn do lẫn tạp chất, hoặc trong thành phần có chứa hợp chất hydrocacbon không no, có khả năng bị oxi hóa, các sản phẩm đó sẽ ăn mòn kim loại Ví

dụ: xăng cracking trong thành phần có các andehyt, axit, nhựa và các sản phẩm khác rất

dễ bị oxi hóa bởi oxi trong không khí Chính sản phẩm này gây ra ăn mòn kim loại

1.2.3 Ăn mòn kim loại trong môi trường khí

1.2.3.1 Khái niệm

Quá trình ăn mòn kim loại do tác dụng hóa học của các chất khí với kim loại gọi là

sự ăn mòn trong môi trường khí Quá trình ăn mòn khí phổ biến nhất là sự oxi hóa kim loại trong môi trường không khí ở nhiệt độ cao

Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào tính chất của kim loại và hợp kim, tính chất của môi trường khí, nhiệt độ, tính chất của sản phẩm ăn mòn

1.2.3.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn khí

Tốc độ ăn mòn khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng có hai nhân tố chính: nhân tố bên trong và nhân tố bên ngoài

Nhân tố bên trong

- Ảnh hưởng của thành phần hợp kim Trong hợp kim có những thành phần bảo vệ tạo thành màng oxit có tính chất bảo vệ cao cho nên những cấu tử này có thể cho vào thành phần hợp kim để tạo ra hợp kim bền nhiệt

- Ảnh hưởng của cấu trúc kim loai Kim loại có cấu trúc càng sít chặt thì càng bền

- Ảnh hưởng biến dạng kim loại chỉ ảnh hưởng đến giai đoạn đầu của ăn mòn, sau

đó ăn mòn phát triển qua màng oxit nên không thể hiện rõ

- Ảnh hưởng của gia công bề mặt chỉ thể hiện rõ ở giai đoạn đầu của ăn mòn, về sau không thể hiện rõ

Nhân tố bên ngoài

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ cao, tốc độ ăn mòn lớn

- Ảnh hưởng thành phần của môi trường khi làm tăng lượng oxi trong không khí, tốc độ oxi hóa tăng theo nhưng không phải tăng theo qui luật tuyến tính

- Ảnh hưởng của tốc độ không khí Trong giai đoạn đầu, tốc độ ăn mòn kim loại tăng theo sự tăng của tốc độ không khí, nhưng giai đoạn sau không thể hiện rõ

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 9

1.3 ĂN MÕN ĐIỆN HÓA [1], [5], [6], [8], [9]

1.3.1 Khái niệm về ăn mòn điện hóa

Khi nghiên cứu sự làm việc của pin Zn-Cu trong dung dịch điện giải nào đó ta thấy phía Zn bị mòn dần do hiện tượng hòa tan Như vậy, Zn đóng vai trò anôt trong pin

Cu (l) + Zn(r)  Cu(r) + Zn (l)

Quá trình anôt Cầu nối Quá trinh catôt

Zn (r) / Zn2+ (l) // Cu2+ (l) / Cu (r) Trong thực tế, quá trình ăn mòn xảy ra trên cùng một kim loại, nghĩa là trên đó xảy ra đồng thời quá trình anôt và quá trình catôt, đưa đến sự phá hủy kim loại Như vậy, trên bề mặt kim loại có rất nhiều catôt, anôt gần nhau tạo thành hệ thống vi pin nhiều cực

ta gọi là ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn do tác dụng điện hóa học giữa kim loại với môi trường phản ứng điện hóa, nó tuân theo qui luật động học điện hóa Đặc điểm của ăn mòn điện hóa là có phát sinh dòng điện Ăn mòn điện hóa chỉ xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện li

1.3.2 Điện thế điện cực và cơ cấu ăn mòn điện hóa

Các cation kim loại trong dung dịch chuyển đến bề mặt phân chia pha giữa dung dịch và kim loại nhận electron để trở thành nguyên tử theo phản ứng:

Rất khó để xác định được điện thế điện cực một cách chính xác Người ta chỉ xác định giá trị tương đối điện thế điện cực bằng cách so sánh với điện cực tiêu chuẩn hidro

và qui ước điện thế điện cực tiêu chuẩn của hidro bằng không

1.3.2.2 Điện thế điện cực thuận nghịch và không thuận nghịch

Khi nhúng một thanh kim loại vào dung dịch chất điện li có khả năng xuất hiện điện thế điện cực thuận nghịch hoặc không thuận nghịch tùy theo bản chất của kim loại

và dung dịch chất điện li

Điện thế điện cực thuận nghịch

Khi nhúng một thanh kim loại vào dung dịch muối của nó Nếu quá trình chỉ có các

cation kim loại tham gia phản ứng, ngoài ra không còn các cation nào khác tham gia vào quá trình điện cực nữa Khi thiết lập trạng thái cân bằng động, dòng điện i = i = i1 2 0 được viết bằng phương trình thuận nghịch sau: Me + mH2O Men+.mH2O + ne

Như vậy số lượng cation hòa tan vào dung dịch bao nhiêu cũng bằng số cation kết tủa trên bề mặt kim loại Kết quả là điện cực kim loại không bị ăn mòn

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 11

Điện thế điện cực đƣợc xác định bằng công thức:

F: Hằng số Faraday

n+

Me

a : Hoạt độ ion kim loại trong dung dịch

Ta gọi đó là điện thế điện cực thuận nghịch

Điện thế điện cực không thuận nghịch

Điện thế điện cực không thuận nghịch là điện thế xác định trong điều kiện, quá

trình trao đổi ngoài ion kim loại còn có các loại ion khác cũng tham gia quá trình

Ta gọi dòng điện thuận nghịch của quá

trình oxi hóa – khử kim loại là I1 và I2 Còn

dòng điện thuận nghịch của quá trình

oxi hóa – khử của hidro là '

1

I và ' 2

I Khi dòng điện ổn định, tổng các dòng điện thuận bằng

ki

m

loại

thuận

nghịc

H  H H O

+ 2

H  H H O '

2

i

' 1

i

Sơ đồ thiết lập điện thế điện cực kim loại không thuận nghịch

ki

m

loại

thuậ

H + H2O H+.H2O + e

Điện thế điện cực không thuận nghịch chỉ có thể xác định bằng phương pháp đo, không thể tính toán theo phương trình nhiệt động Nerst

Điện thế điện cực không thuận nghịch phụ thuộc vào bản chất hóa học, trạng thái

bề mặt của kim loại, sự hấp phụ nguyên tử, phân tử trên bề mặt kim loại (đặc biệt là oxi

và hidro) Ngoài ra, nó còn phụ thuộc vào bản chất hóa học, nồng độ, nhiệt độ dung dịch

1.3.2.3 Cơ chế ăn mòn điện hóa

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

Quá trình anôt

Quá trình anôt là quá trình xảy ra ở khu vực mà kim loại bị ion hóa và chuyển vào dung dịch, do đó trên bề mặt kim loại dư một lượng electron tương ứng Quá trình xảy ra theo phương trình:

Các ion, nguyên tử, phân tử nhận electron đó nó đã bị khử

Quá trình chuyển electron

Khi hai quá trình điện cực xảy ra đồng thời có sự chuyển electron từ vùng anôt sang vùng catôt Trong dung dịch điện li cũng có sự chuyển các cation và anion tương ứng

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 13

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

1.3.3 Động học các quá trình điện cực

1.3.3.1 Hiện tượng phân cực và khử phân cực

Hiện tượng phân cực

Khi nhúng hai thanh kim loại khác nhau vào một dung dịch điện li Chúng tạo thành hai điện cực khác nhau 0

k

φ và 0

a

φ Khi nối hai điện cực với nhau bằng một dây dẫn

sẽ có dòng điện chạy qua trong mạch Điện thế điện cực lúc này lệch khỏi vị trí cân bằng Điện thế điện cực anôt dịch chuyển về phía dương Điện thế điện cực catôt dịch chuyển

về phía âm

Sự dịch chuyển điện thế ra khỏi trạng thái cân bằng gọi là sự phân cực

Đường cong phân cực

Để nghiên cứu quá trình điện cực, người ta thiết lập quan hệ sự phụ thuộc giữa thế điện cực φV với mật độ dòng điện I (mA/cm2) Biểu đồ thiết lập sự phụ thuộc của trị số điện thế điện cực vào mật độ dòng điện ta gọi đó là đường cong phân cực

Trên hệ tọa độ, trục tung của tọa độ ghi trị số âm của điện thế, trục hoành ghi trị số mật độ dòng điện Độ dốc của đường cong phân cực càng lớn độ phân cực càng kín, ngược lại độ dốc của đường cong phân cực càng nhỏ thì độ phân cực càng nhỏ, nghĩa là quá trình điện cực xảy ra dễ dàng hơn

Đường cong phân cưc có ý nghĩa thực tế để giải thích nhũng định luật cơ bản của quá trình ăn mòn

Xây dựng đường cong phân cực bằng thực nghiệm là một trong những phương pháp cơ bản để nghiên cứu cơ cấu của quá trình ăn mòn

a nd

Me

aRT

φ: giá trị âm điện thế điên cực

VA: điện thế điện cực anôt

VK: điện thế điện cực catôt

0 A

φ : giá trị âm điện thế điên cực anôt

0 K

φ : giá trị âm điện thế điên cực catôt

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 15

Tạo thành màng thụ động trên anôt: Trong dung dịch điện li có chất oxi hóa, không có các anion hoạt động nên có khả năng tạo màng bảo vệ làm cho điện thế anôt chuyển về phía dương hơn

- Làm chậm quá trình catôt do phân cực điện hóa gọi là quá thế của phản ứng khử phân cực catôt Kí hiệu (η )k dh

- Làm chậm quá trình catôt do phân cực nồng độ Kí hiệu (η )k nd Làm chậm quá trình catôt do phân cực nồng độ do hai nguyên nhân sau:

+ Khuếch tán chất khử phân cực từ dung dịch đến bề mặt cation chậm

+ Khuếch tán sản phẩm catôt từ bề mặt pha kim loại – dung dịch ra dung dịch chậm

1.3.3.4 Sự khử phân cực hidro

Quá trình ăn mòn kim loại mà chất khử phân cực là ion H+, sản phẩm thoát ra ở

catôt là hidro theo phản ứng: +

Điều kiện cơ bản để kim loại bị ăn mòn với sự khử phân cực hidro là:

P : Áp suất riêng phần của hidro

Quá trình ăn mòn khử phân cực hidro chia thành 6 giai đoạn:

- Các ion hidro bị hidrat hóa tạo thành ion hidroxan ( +

2

H H O ) sau đó khuếch tán đến bề mặt điện cực catôt

- Ở catôt các ion hidroxan bị khử thành nguyên tử hidro có khả năng hấp phụ trên

bề mặt kim loại gọi là hidro hấp phụ: +

H H O +e  H +H O

- Một phần nguyên tử hidro khuếch tán sâu vào bề mặt kim loại

- Phần lớn nguyên tử hidro hợp thành phân tử hidro: H +H hp hp  H2

- Các phân tử H2 khuếch tán vào dung dịch qua mặt thoáng khuếch tán vào không khí

- Các phân tử hidro trên bề mặt catôt tập hợp lại thành bọt khí thoát ra khỏi bề mặt kim loại

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 17

Điều kiện cơ bản:

O tn O tn

OH

PRT

φ : Điện thế điện cực tiêu chuẩn của điện cực oxi

2 O

P : Áp suất riêng phần của oxi

- Chuyển oxi qua lớp Pran (lớp chất điện giải gần bề mặt ăn mòn kim loại)

- Chuyển oxi qua lớp khuếch tán lớp điện giải

- Ion hóa oxi trong môi trường kiềm: O + 4e + 2H O 2 2  4OH

Trong môi trường axit yếu: O + 4e + 4H 2   2H O2

- Khuếch tán ion OHtừ bề mặt catôt ra dung dịch

1.3.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn điện hóa

1.3.4.1 Các nhân tố bên trong

Độ bền nhiệt động của kim loại

Kim loại bị ăn mòn điện hóa khi nó đóng vai trò điện cực anôt trong nguyên tố Gavani Về phương diện nhiệt động, quá trình ăn mòn có khả năng tự xảy ra khi biến thiên năng lượng tự do của nó ΔG < 0hoặc sức điện động của cặp nguyên tố ăn mòn

d

E > 0 Điện thế điện cực phụ thuộc vào bản chất của kim loại đó

Kim loại bị ăn mòn trong môi trường điện li còn phụ thuộc vào tính chất của sản phẩm ăn mòn hoặc khả năng thụ động của nó trong môi trường đó

Độ bền của kim loại

Độ bền của kim loại phụ thuộc vào vị trí của nó trong bảng hệ thống tuần hoàn Trong một phân nhóm, độ bền tăng từ trên xuống dưới, tức tăng theo chiều tăng của khối lượng nguyên tử

Cấu tạo và tính chất của hợp kim

Hợp kim được dùng nhiều trong kỹ thuật Độ bền của nó phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó, có hai loại hợp kim: Hợp kim một pha và hợp kim nhiều pha

- Hợp kim một pha là dung dịch rắn được dùng nhiều trong kỹ thuậnt ăn mòn

- Hợp kim nhiều pha được tạo thành do các kim loại ở các trạng thái kết tinh khác nhau Theo quan điểm điện hóa thì hợp kim nhiều pha có độ bền ăn mòn kém

Trạng thái bề mặt kim loại

Bề mặt kim loại đồng nhất, nhẵn bóng, kim loại bền hơn

Bề mặt không đồng nhất kim loại dễ bị ăn mòn

1.3.4.2 Các nhân tố bên ngoài

Độ pH của dung dịch

- Ảnh hưởng trực tiếp: Trong trường hợp ion +

H hoặc OHtrực tiếp tham gia phản ứng điện cực làm thay đổi thế điện cực

- Ảnh hưởng gián tiếp: Tạo màng sản phẩm thụ động làm giảm tốc độ ăn mòn hoặc hòa tan sản phẩm ăn mòn làm mất khả năng bảo vệ của màng

Ví dụ:

Thành phần và nồng độ chất điện li

Tốc độ ăn mòn điện hóa phụ thuộc vào bản chất dung dịch muối hòa tan và nồng

độ của nó có trong dung dịch Các muối có tính oxi hóa ở nồng độ thích hợp có tác dụng tạo màng thụ động, làm tốc độ ăn mòn kim loại giảm như KClO3, K2CrO4, KNO2,

K2Cr2O7 Nhưng nếu các muối oxi hóa có tác dụng khử phân cực thì tốc độ ăn mòn tăng

2 8

S O 

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 19

Những muối có tính axit hay bazơ khi tăng nồng độ của nó thì pH tăng nên có ảnh hưởng như pH: Na2CO3, AlCl3 Tuy nhiên, cũng có những loại muối axit khi tác dụng với kim loại tạo thành muối không tan trên anôt hay catôt sẽ làm giảm tốc độ ăn mòn MeH2PO4, Me(HPO4)2,

Tốc độ ăn mòn còn phụ thuộc vào bản chất, nồng độ của cation và anion của muối hòa tan Nếu các anion của muối có khả năng hấp phụ trên bề mặt kim loại làm thay đổi

cơ cấu lớp điện kép, làm giảm điện thế điện cực của kim loại làm cho tốc độ ăn mòn giảm Nhưng nếu anion có hoạt tính lớn sẽ phá vỡ màng thụ động làm tốc độ ăn mòn tăng

Nhiệt độ và áp suất môi trường

Đa số trường hợp nhiệt độ gây ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn Nhiệt độ cao, tốc độ

ăn mòn lớn Tuy nhiên, có một số trường hợp khi tăng nhiệt độ đến một giá trị nào đó, tốc

độ ăn mòn lại bị giảm

Áp suất cũng ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn Thay đổi áp suất làm thay đổi độ hòa tan khí trong dung dịch, thay đổi quá trình thủy phân và làm tăng ứng suất nội trong thiết

bị dẫn đến tăng tốc độ ăn mòn

Tốc độ di chuyển của dung dịch điện li

Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển của dung dịch điện li đến tốc độ ăn mòn rất phức tạp Trong công nghiệp hóa chất có rất nhiều thiết bị làm việc trong môi trường chất điện giải chuyển động như bơm, van, đường ống, tháp hấp thụ, hấp phụ, cánh khuấy, trong môi trường này tốc độ ăn mòn có thể tăng hoặc giảm

Nếu chất lỏng không chứa ion hoạt động như F , Cl , Br , I    thì ban đầu tăng tốc

độ chuyển động của chất lỏng thì tốc độ ăn mòn tăng, nhưng sau đó giảm Nếu tăng mạnh tốc độ chuyển động của chất lỏng thì tốc độ ăn mòn tăng

Nếu trong chất điện giải có chứa các anion hoạt động thì không thể nào tạo màng thụ động Do đó, tốc độ ăn mòn tiếp tục tăng

Ảnh hưởng của dòng điện rò

Dòng điện rò là dòng điện từ các nguồn khác nhau đi vào lòng đất Quá trình ăn mòn chủ yếu do dòng một chiều sinh ra Trong vùng dòng điện đi qua chia làm ba vùng nhỏ:

- Vùng catôt là vùng dòng điện tản đi vào thiết bị hoặc đường ống Vùng này kim loại không bị ăn mòn

- Vùng trung hòa là vùng không có dòng điện đi vào, vùng này kim loại không bị ăn mòn

- Vùng anôt: dòng điện từ thiết bị đi ra đi vào đất để trở về nguồn, vùng này kim loại bị ăn mòn

Ảnh hưởng của cấu tạo thiết bị

Cấu tạo thiết bị không hợp lí có thể gây ra vùng ứng suất gây nên ăn mòn mạnh Kết cấu không hợp lí gây ứ đọng chất lỏng ăn mòn

Kết cấu thiết bị hợp lí là một trong những biện pháp bảo vệ hiệu quả

1.4 XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ ĂN MÕN KIM LOẠI [1], [5], [6], [8]

 Theo phương pháp trọng lượng, tốc độ ăn mòn kim loại được tính bằng công

Trong đó: Km: Tốc độ ăn mòn kim loại (g/m2.giờ)

m1: Khối lượng mẫu trước khi khảo sát (g)

m2: Khối lượng mẫu sau khi khảo sát (g) S: Diện tích tiếp xúc của mẫu với môi trường khảo sát (m2

) t: Thời gian tiến hành khảo sát (giờ)

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 21

 Theo phương pháp thể tích, tốc độ ăn mòn kim loại được tính bằng công thức

v

V K

S t



2.giờ) Trong đó: V: thể tích hidro thoát ra sau 1 giờ

t: Thời gian ăn mòn (giờ) S: diện tích mẫu (m2

)

 Theo tài liệu [8], ta có thể chuyển đổi từ thứ nguyên thể tích sang thứ nguyên trọng lượng theo công thức: KQD = 28 K v

12000

Trong đó: 28: đương lượng gam của sắt

12000: thể tích của 1 gam khí hidro ở nhiệt độ và áp suất bình thường (cm3

)

KQD: trị số tốc độ ăn mòn qui đổi từ Kv (g/m2,giờ)

 Trị số khối lượng kim loại bị ăn mòn ở anôt được xác định theo định luật Faraday:

t: Thời gian ăn mòn (h) n: Số electron trao đổi F: Hằng số Faraday, F = 96500

 Tốc độ ăn mòn điện hóa tính bằng khối lượng kim loại ăn mòn trên đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, được xác định bằng công thức:

Trong đó:

SA: Diện tích điện cực anôt (m2

, cm2) t: Thời gian ăn mòn (h)

iA: Mật độ dòng anôt (A/m2

, A/cm2)

Km: Tốc độ ăn mòn kim loại (g/m2

.s, g.cm2.s)

 Tốc độ ăn mòn còn được tính bằng mils (1mils = 0,001 inch, 1inch = 2,54 cm) tức

là mức độ xuyên thủng trên một năm (MPY: penetration per year ) được tính theo công thức sau:

534 × m MPY =

D × A × t (cm/h) Trong đó:

534: hằng số m: khối lượng mất đi (mg) D: tỉ khối (g/cm3

) A: diện tích mẫu t: thời gian (h) 1MPY = 0,0254 mm/năm = 25,4 μm/năm = 2,90 nm/h = 0,805 pm/s

1.5 PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ KIM LOẠI [1], [5], [6], [9]

1.5.1 Phương pháp hợp kim hóa

- Đưa vào hợp kim các cấu tử có khả năng tạo màng sản phẩm

Ví dụ: Hợp kim Cu – Al, hợp kim Cu – Zn

- Đưa vào kim loại các cấu tử làm tăng hoạt tính catôt của hợp kim

- Đưa vào kim loại các cấu tử làm giảm hoạt tính anôt

Ví dụ: Hợp kim Cu – Au, N – Cu

1.5.2 Phương pháp xử lí môi trường

SVTH: Trương Minh Nhật Trang 23

1.5.2.1 Giảm hàm lượng chất khử phân cực: khử phân cực H+

ta trung hòa môi trường

bằng vôi sống

1.5.2.2 Loại trừ oxi ra khỏi môi trường

- Loại oxi bằng phản ứng hóa học

1.5.3.1 Khái niệm: Chất ức chế ăn mòn là chất khi thêm vào môi trường một lượng nhỏ

thì tốc độ ăn mòn điện hóa của kim loại và hợp kim giảm đi rất lớn Cơ cấu tác dụng của

chất ức chế ăn mòn là ngăn cản quá trình anôt và catôt hay tạo màng

Để đánh giá tính hiệu qủa của chất ức chế ăn mòn, người ta dựa vào hai chỉ số sau:

Trong đó: K0: Tốc độ ăn mòn kim loại khi không có chất ức chế (g/m2.h)

K1: Tốc độ ăn mòn kim loại khi có chất ức chế (g/m2.h)

1

K

θ = K

1.5.3.2 Chất ức chế anôt

Thường là những chất oxy hóa, những chất này ngăn cản quá trính anôt, nó làm thụ động hóa bề mặt anôt và làm giảm quá trình anôt Những chất làm chậm anôt thường được sử dụng; K2Cr2O7, Na2CrO4, NaNO2, hỗn hợp NaNO2+NaNO3,

Ví dụ: Hình ảnh mô tả crom hóa bề mặt sắt, thép:

1.5.3.3 Chất ức chế catôt

Thường là những chất hấp thụ oxy, do đó làm giảm tốc độ ăn mòn do sự khử phân cực oxy Ngoài ra, những chất này làm giảm hiệu ứng của catôt hay giảm bề mặt catôt Những chất làm chậm catôt thường được sử dụng: Na2SO3, Ca(HCO3)2, NH2-NH2, ZnSO4, Ngoài ra, cũng có một số ion kim loại như: As3+

, Bi3+ trong môi trường axit chúng sẽ phóng điện trên catôt để tạo thành As hay Bi Quá thế hidro trên các kim loại này cao hơn quá thế hidro trên thép

1.5.3.4 Chất ức chế hữu cơ

Ngày nay, người ta đã tìm ra trên 3000 chất làm chậm ăn mòn, trong đó đa số là chất làm chậm hữu cơ Tác dụng của chất làm chậm hữu cơ là hấp phụ lên bề mặt kim loại và làm giảm tốc độ ăn mòn

Ảnh hưởng chất hấp phụ đến tốc độ ăn mòn là do hai nhân tố chính:

- Mức độ bao phủ bề mặt bởi ion hay phân tử của chất làm chậm hữu cơ

- Thay đổi điện thế khi bị hấp phụ

Một số chất làm chậm hữu cơ thường được sử dụng trong môi trường axit H2SO422% như sau:

1.5.4 Phương pháp bao phủ bảo vệ

1.5.4.1 Bao phủ kim loại

Bao phủ để bảo vệ cho kim loại, chia thành hai loại: