NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ ỨC CHẾ ĂN MÒN CỦA HỆ IMIDAZOLE - MOx (M = Sm, In, Y) CHO THÉP CARBON TRONG DUNG DỊCH NaCl 3.5%

TÓM TẮT Đất nước Việt Nam hình chữ S có đường bờ biển dài 3260 km; diện tích vùng lãnh hải khoảng 1 triệu km2, 2 quần đảo lớn Hoàng Sa, Trường Sa và trên 3.000 đảo và quần đảo khác. Có nhiều tỉnh và thành phố của đất nước ta giáp biển, có nhiều thành phố biển nổi tiếng như: Đà Nẵng, Nha Trang, Phan Thiết, Vũng Tàu... Tiềm năng kinh tế biển của nước ta vô cùng lớn, từ lâu hình ảnh làng chài ven biển đã trở thành một trong những nét văn hóa của người Việt Nam và cũng từ đó du lịch biển của nước ta phát triển khá mạnh mẽ và đóng góp đáng kể vào GDP (Gross Domestic Product: Tổng sản phẩm nội địa) của nước nhà. Bên cạnh khai thác về du lịch biển còn có các nghề nuôi trồng và đánh bắt hải sản, khai thác tài nguyên khoáng sản ở biển mà nhiều nhất là công nghiệp khai thác dầu khí từ lâu đã trở thành ngành kinh tế mũi nhọn của Việt Nam, đóng góp cho GDP cả nước trung bình hằng năm từ 10% đến 13%. Việt Nam có trữ lượng dầu thô ước tính khoảng 4,4 tỉ thùng, chiếm 0,3% trữ lượng dầu thế giới, đứng thứ 2 tại khu vực và thứ 28 toàn cầu. Sản lượng khai thác dự kiến đạt 28–42 triệu tấn/năm. Tuy nhiên, bên cạnh những tiềm năm to lớn mà biển cả mang lại cho chúng ta thì cũng tồn tại nhiều vấn đề khác như các vấn đề về nhiễm mặn, ăn mòn các công trình ven biển, các công trình trên biển như các giàn khoan khai thác dầu hoặc ăn mòn vỏ tàu, thuyền bằng thép trên biển…Những ảnh hưởng này mang lại nhiều thiệt hại cho cuộc sống và sinh hoạt của người dân, mang đến nhiều tác hại đến nền kinh tế, cũng như những rủi ro bị phá hủy, hư hỏng cho các công trình ven biển và các công trình trên biển như giàn khoan dầu, nhà giàn…Chính vì những lí do này, ngay càng có nhiều nghiên cứu về việc chống lại hoặc giảm bớt sự ăn mòn sắt, thép để giảm đi sự xuống cấp và dẫn đến hư hỏng của các công trình ven biển, trên biển. Đã có nhiều nghiên cứu trước đây đưa ra các giải pháp về chống ăn mòn trong điều kiện nước biển và được thử nghiệm đã mang lại nhiều thành công trong công cuộc nghiên cứu chống ăn mòn trong môi trường biển. Kế thừa thành công từ nhóm nghiên cứu của các anh chị: Phạm Lê Minh Chánh, Nguyễn Hữu Khánh, Lê Phạm Gia Thy khảo sát hiệu quả ức chế ăn mòn thép carbon thấp của imidazole với nồng độ phân tán 10, 100 và 1000 ppm trong dung dịch NaCl 3,5%, kết quả khảo sát của nhóm cho thấy nồng độ phân tán imidazole ở 100 ppm có hiệu quả ức chế ăn mòn thép carbon thấp tốt nhất trong dung dịch NaCl 3,5%. Ở luận văn này em thực tiếp tục thực hiện nghiên cứu khả năng hỗ trợ ức chế ăn mòn của 3 oxit kim loại là Y2O3, Sm2O3 và In2O3 cho hệ ức chế ăn mòn là NaCl 3,5 % + imidazole 100 ppm. Nội dung của luận văn này gồm có 5 chương: Chương I – Tổng quan – Đưa ra cái nhìn tổng thể về ăn mòn kim loại và tình hình ăn mòn kim loại trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Trong chương này, bài báo cáo đặt ra mục tiêu thực hiện của luận văn. Chương II – Cơ sở lý thuyết – Trình bày nền tảng lý thuyết về ăn mòn, phân biệt các dạng, hình thái của ăn mòn và tác hại do ăn mòn kim loại gây ra trong đó đề cập đến các ảnh hưởng đến ăn do bị ảnh hưởng bởi môi trường nước biển. Trình bày về cơ chế ức chế ăn mòn và chất hức chế ăn mòn được dùng trong quá trình thực hiện luận văn. Chương III – Thực nghiệm – Trình bày chi tiết quá trình thực hiện luận văn. Chương IV – Kết quả và biện luận – Tổng kết quá trình thực hiện tổng hợp và khảo sát các hỗ trợ chất ức chế ăn mòn trong điều kiện phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm trong quá trình làm luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại học Quốc Gia 204.1 C4 Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Chương V – Kết luận và hướng phát triển – Trình bày các ưu, nhược điểm trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Đồng thời, chương này còn đề xuất hướng phát triển của đề tài trong tương lai.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NĂNG LƯỢNG & ỨNG DỤNG

BÁO CÁO

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

GVHD: TS VŨ ANH QUANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NĂNG LƯỢNG & ỨNG DỤNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ ỨC CHẾ ĂN MÒN

CHO THÉP CARBON TRONG DUNG DỊCH

NaCl 3,5%

BÁO CÁO

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

GVHD: TS VŨ ANH QUANG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ ỨC CHẾ ĂN MÒN

CHO THÉP CARBON TRONG DUNG DỊCH

NaCl 3,5%

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của quýthầy cô, anh chị trong bộ môn Vật liệu Năng lượng & Ứng dụng, khoaCông nghệ Vật liệu, trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM trong suốtquá trình thực hiện luận văn Thầy, cô và các anh chị đã tạo mọi điềukiện thuận lợi, truyền đạt những kinh nghiệm bổ ích và nhiều kiến thứcmới để giúp em có thể hoàn thành được luận văn này

Với sự giúp đỡ tận tình và định hướng chuyên môn của thầy Vũ AnhQuang cùng những hướng dẫn kỹ thuật của thầy Vương Vĩnh Đạt xuyênsuốt quá trình thực hiện luận văn, chúng em đã khắc phục, bổ sungnhững kiến thức còn thiếu sót và dần hoàn thiện bản thân về mặt kỹnăng Bên cạnh đó, em muốn gửi lời cảm ơn đến anh Phạm Ngọc Thành,anh Nguyễn Đức Bình đã cùng đồng hành, hỗ trợ và định hướng chochúng em vượt qua những khó khăn trong quá trình làm việc

Nhất là xin được cảm ơn ba má, cảm ơn ba má vì những hi sinh của

ba má để con được đủ đầy, cảm ơn vì ba má đã luôn bên cạnh con trongsuốt chặn đường dài vừa qua

Cuối cùng, em xin cảm ơn quý thầy cô và các bạn đã dành thời gianquý báu của mình để đọc bài báo cáo này Do hạn chế về kiến thức vàthời gian thực hiện nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, em mongquý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến chỉnh sửa để chúng em có thểhoàn thành tốt hơn trong tương lai

Em xin chân thành cảm ơn!

Tuy nhiên, bên cạnh những tiềm năm to lớn mà biển cả mang lại chochúng ta thì cũng tồn tại nhiều vấn đề khác như các vấn đề về nhiễmmặn, ăn mòn các công trình ven biển, các công trình trên biển như cácgiàn khoan khai thác dầu hoặc ăn mòn vỏ tàu, thuyền bằng thép trênbiển…Những ảnh hưởng này mang lại nhiều thiệt hại cho cuộc sống vàsinh hoạt của người dân, mang đến nhiều tác hại đến nền kinh tế, cũngnhư những rủi ro bị phá hủy, hư hỏng cho các công trình ven biển và cáccông trình trên biển như giàn khoan dầu, nhà giàn…Chính vì những lí donày, ngay càng có nhiều nghiên cứu về việc chống lại hoặc giảm bớt sự

ăn mòn sắt, thép để giảm đi sự xuống cấp và dẫn đến hư hỏng của các

công trình ven biển, trên biển Đã có nhiều nghiên cứu trước đây đưa racác giải pháp về chống ăn mòn trong điều kiện nước biển và được thửnghiệm đã mang lại nhiều thành công trong công cuộc nghiên cứu chống

ăn mòn trong môi trường biển Kế thừa thành công từ nhóm nghiên cứucủa các anh chị: Phạm Lê Minh Chánh, Nguyễn Hữu Khánh, Lê Phạm GiaThy khảo sát hiệu quả ức chế ăn mòn thép carbon thấp của imidazole vớinồng độ phân tán 10, 100 và 1000 ppm trong dung dịch NaCl 3,5%, kếtquả khảo sát của nhóm cho thấy nồng độ phân tán imidazole ở 100 ppm

có hiệu quả ức chế ăn mòn thép carbon thấp tốt nhất trong dung dịchNaCl 3,5% Ở luận văn này em thực tiếp tục thực hiện nghiên cứu khảnăng hỗ trợ ức chế ăn mòn của 3 oxit kim loại là Y2O3, Sm2O3 và In2O3 cho

hệ ức chế ăn mòn là NaCl 3,5 % + imidazole 100 ppm Nội dung của luậnvăn này gồm có 5 chương:

Chương I – Tổng quan – Đưa ra cái nhìn tổng thể về ăn mòn kim

loại và tình hình ăn mòn kim loại trên thế giới cũng như ở Việt Nam.Trong chương này, bài báo cáo đặt ra mục tiêu thực hiện của luận văn

Chương II – Cơ sở lý thuyết – Trình bày nền tảng lý thuyết về ăn

mòn, phân biệt các dạng, hình thái của ăn mòn và tác hại do ăn mòn kimloại gây ra trong đó đề cập đến các ảnh hưởng đến ăn do bị ảnh hưởngbởi môi trường nước biển Trình bày về cơ chế ức chế ăn mòn và chất hứcchế ăn mòn được dùng trong quá trình thực hiện luận văn

Chương III – Thực nghiệm – Trình bày chi tiết quá trình thực hiện

luận văn

Chương IV – Kết quả và biện luận – Tổng kết quá trình thực hiện

tổng hợp và khảo sát các hỗ trợ chất ức chế ăn mòn trong điều kiệnphòng thí nghiệm Các thí nghiệm trong quá trình làm luận văn được thựchiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Đại học Quốc Gia 204.1 C4 Đại họcBách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Chương V – Kết luận và hướng phát triển – Trình bày các ưu,

nhược điểm trong suốt quá trình thực hiện luận văn Đồng thời, chươngnày còn đề xuất hướng phát triển của đề tài trong tương lai

MỤC LỤC

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt v

Mục lục vi

Từ viết tắt và ý nghĩa x

Danh mục bảng biểu xi

Danh mục hình xii

xv

Phụ lục A – BIỂU ĐỒ ĐIỆN HÓA A-1 Phụ lục B – HÌNH ẢNH KHẢO SÁT B-1

TỪ VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1TÁC ĐỘNG CỦA ĂN MÒN KIM LOẠI ĐẾN NỀN KINH TẾ THẾ GIỚI

VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG ĂN MÒN TRONG CÔNG NGHIỆP

Trong năm 2016, Hiệp hội ăn mòn thế giới NACE International đãkhảo sát tình trạng ăn mòn ở Ấn độ, Nhật Bản, Kuwait, Anh và Mỹ để địnhlượng thiệt hại ăn mòn toàn cầu Tổ chức này ước tính giá trị này vàokhoảng 2,5 nghìn tỉ USD, khoảng 3,4% GDP toàn cầu [1] Ăn mòn kimloại gây ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ các công trình sử dụng thép vàgián tiếp đến các nhà sản xuất và cung cấp sản phẩm và dịch vụ do phátsinh chi phí chống ăn mòn kim loại, và kết quả là những người tiêu dùngcuối cùng phải gánh chịu các chi phí này Trong cuộc sống hằng ngày, ta

có thể dễ dàng nhận ra ăn mòn trên các tấm pano thân xe ô tô, lò nướng,thiết bị nội thất ngoài trời và các công dụng cụ bằng kim loại Theo thống

kê, ăn mòn kim loại gây tổn thất cho nền kinh tế Hoa Kỳ khoảng 300 tỷ

đô mỗi năm Khoảng một phần ba chi phí này có thể được cắt giảm nếu

áp dụng phương pháp chống ăn mòn phù hợp

Có thể nói điều nguy hiểm nhất là ăn mòn xảy ra ở các công trình lớnnhư nhà máy điện, hệ thống cột điện, các trạm viễn thông, đường ốngdẫn khí, giàn khoan trong ngành dầu khí hoặc nhà máy xử lý hóa chất,nhà máy quặng Nhà máy có thể phải đóng cửa do ăn mòn kim loại, dịch

vụ viễn thông bị gián đoạn Những điều được liệt kê ở trên chỉ là mộttrong vô vàn hậu quả trực tiếp và gián tiếp do ăn mòn kim loại gây ra Quá trình ăn mòn không chỉ gây tổn thất về kinh tế mà còn gây ônhiễm môi trường do các sản phẩm ăn mòn hoặc các vật liệu bảo vệ bịphá hủy và rửa trôi theo mưa, bị hòa tan và ngấm và đất, nước gây táchại đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người Không chỉ vậy, sự ănmòn hay suy giảm vật liệu còn dẫn đến sự hỏng hóc, nứt gãy chi tiếtthiết bị, nhẹ thì làm đình trệ sản xuất, thay thế; nặng thì gây nên sự cố,tai nạn thảm khốc, gây tổn hao về người và của.

Năm 2013 có 607.380 cây cầu ở Hoa kỳ được làm bằng bê tông cốt thép và có khoảng30% trong số đó bị thiệt hại do ăn mòn tổng chi phí thiệt hại là 13,6 tỷ USD [2] Năm 2014,Trung Quốc đã đầu tư một lượng sơn khổng lồ để bảo vệ kim loại chống ăn mòn và

số tiền phải chi ra là 703,78 tỉ nhân dân tệ Việc đầu tư riêng cho phầnchống ăn mòn ở thép không gỉ là 172,92 tỉ nhân dân tệ [3] Ăn mòn khôngchỉ gây thiệt hại về kinh tế mà còn gây ra nhiều tai nạn do sự nứt gãy của kim loại Cụ thể làvào năm 2013, đường ống dẫn dầu Donghuang II bất ngờ phát nổ tại miền Đông TrungQuốc Vụ nổ làm 62 người chết và 136 người bị thương Nguyên nhân của tai nạn là do hưhỏng cấu trúc đường ống dẫn dầu bằng kim loại bị ăn mòn gây nên [4]

Hình 1.1: Một phần hiện trường vụ nổ đường ống dẫn dầu Donghuang II,

Trung Quốc

Một số giải pháp chống ăn mòn kim loại được sử dụng là lớp sơn phủ, mạ điện, sửdụng vật liệu hy sinh… tùy theo môi trường làm việc Trong các hệ thống ống dẫn nước,dẫn dầu, làm mát…, việc sơn phủ hoặc mạ điện mặt trong của ống là không khả thi Do đó,phương pháp chống ăn mòn bên trong các đường ống thường được chọn là sử dụng chất ứcchế ăn mòn Một số loại chất ức chế ăn mòn được nghiên cứu đầu tiên là các muốichromate, phosphate Các loại chất ức chế vô cơ này có hiệu quả rất rõ ràng nhưng dễ gây

ô nhiễm môi trường nước Dần dần, các loại chất ức chế vô cơ được thay thế bằng chất ứcchế hữu cơ để tăng tính thân thiên với môi trường, giảm tối đa những tác hại xấu tới môitrường nước biển Việc nghiên cứu các loại chất ức chế hữu cơ có hiệu quả cao và thân thiệnmôi trường ngày càng được các nhà khoa học và công nghiệp chú ý Bên cạnh đó, để tănghiệu quả bảo vệ của các chất ức chế hữu cơ người ta luôn tìm kiếm những phụ gia để thêmvào môi trường hỗ trợ thêm tính tăng ức chế chống ăn mòn hệ các chất ức chế hữu cơ chống

ăn mòn đường ống dẫn dầu, dẫn khi trong môi trường nước biển Hiện nay, các nhà khoahọc trên thế giới đang phát triển hướng nghiên cứu về các hợp chất nano của các oxit kimloại, hoặc các hợp chất nano của các kim loại đất hiếm, kim loại chuyển tiếp… đóng vai trò

là chất phụ trợ làm tăng thêm khả năng ức chế ăn mòn cho các chất ức chế ăn mòn hữu cơđang được sử dụng hiện nay.

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.2.1 Tình hình thế giới

Các nước phát triển trên thế giới như Mỹ, châu Âu, Nhật Bản… cũng không ngừngnghiên cứu và tìm ra các hợp kim mới, tác động của ăn mòn lên vật liệu và chất chống ănmòn mang lại hiệu quả cao nhất Chất chống ăn mòn được ứng dụng trong nhiều mặt củacuộc sống Vào năm 2013, các nhà khoa học Nga đã tìm được loại sơn nhà sử dụng dungmôi thủy tinh lỏng biến hình có khả năng chống lại sự ăn mòn kim loại Đó là lớp phủ natrisilicat hoặc kali mà khi khô cứng giống như thủy tinh, ngoài ra còn có chất độn là bột kẽmđóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ ăn mòn kim loại [5]

Chromate là những hợp chất chống ăn mòn hiệu quả nhất đã đượcnghiên cứu được dùng cho các loại kim loại và hợp kim khác nhau baogồm thép cacbon thấp, thép cacbon, nhôm, kẽm, đồng và hợp kim Tuynhiên, gần đây, nhận thức về sinh thái và môi trường của con người ngàycàng phát triển, các chất chống ăn mòn trên nền tảng chromate khôngđược phép sử dụng bởi vì chúng có độc tố cao và ảnh hưởng nghiêmtrọng đến môi trường Do đó, các nước trên thế giới đang nỗ lực tạo rachất chống ăn mòn thân thiện với môi trường và sinh thái Trong nhữnghướng nghiên cứu đó, một vài loại muối vô cơ độc lập hoặc được kết hợpvới những hợp chất hữu cơ đã được xây dựng như là sự hứa hẹn cho việctạo ra chết ức chế ăn mòn đối với các loại kim loại và hợp kim khác nhau.Kết quả nghiên cứu Aramaki cho thấy nồng độ 1x10-3 M, CeCl3 và

Na2Si2O5 cho thấy hiệu quả ức chế tối ưu lên tới 95,9% và 93,6% sau 3 và

120 giờ ngâm [6]

Các hợp chất hữu cơ là một trong những chất ức chế ăn mòn được sửdụng rộng rãi để chống lại sự ăn mòn kim loại trong các dung dịch điện

môi khác nhau như NaCl Những hợp chất này hấp thụ trên bề mặt vàhình thành lớp bảo vệ vì thế cô lập khỏi sự xâm nhập của các dung dịch

ăn mòn Amar mô tả hiệu quả ức chế của hai phái sinh của phosphonicacid có tên là (4-phosphono-piperazin-1-yl) phosphonic acid (PPPA) và(piperidin-1-yl-phosphonic acid (PPA) lên trạng thái ăn mòn của sắt trongdung dịch NaCl 3% sử dụng các phương pháp hụt khối, EIS, PDP và SEM.Kết quả cho thấy PPA và PPPA hoạt động như các chất ức chế ăn mòn bềmặt loại hỗn hợp PPA và PPPA đã thể hiện hiệu quả tối ưu lên tới 77,10 %và 93,2 % ở nồng độ 5x10-3 mol/L [7,8]

Trong ngành công nghiệp dầu khí ăn mòn bởi carbon dioxide chính làyếu tố dẫn đến sự cố của đường ống trong các giếng sâu và cực sâu và

do đó nó đã được coi là khu vực nghiên cứu điểm nóng trong nhiều thập

kỷ Hiện nay, nhiều đường ống sử dụng trong ngành dầu khí được làmbằng thép hợp kim thấp vì lý do kinh tế [9] Tuy nhiên, chúng rất dễ bị

ăn mòn do sự hình thành axit cacbonic bằng phản ứng của khí cacbonicvới chất hòa tan nước mặn [10] Có nhiều phương pháp để giảm thiểu sự

ăn mòn bằng carbon dioxide, nhưng việc sử dụng chất ức chế ăn mònđược coi là tiết kiệm chi phí nhất [11,12] Imidazoline và các dẫn xuấtcủa chúng được coi là các chất ức chế hữu cơ hiệu quả nhất [13,14], và

đã được phổ biến rộng rãi dùng để chống lại sự ăn mòn của CO2 trongđường ống Hiệu quả ức chế của các dẫn xuất imidazole chủ yếu là do sựhấp phụ của chất ức chế trên bề mặt kim loại Chất ức chế hấp thụ trênbề mặt kim loại và ngăn chặn các phản ứng điện hóa của các quá trình

ăn mòn Năm 2019 một nhóm các nhà khoa học thuộc Khoa Khoa họcHóa học, Đại học Ferdowsi Mashhad, Mashhad, Iran đã cống bố côngtrình nghiên cứu của nhóm về hai chất ức chế ăn mòn dựa trênimidazole, cụ thể là axit thiazole-4-carboxylic (TCA) và 2-methyl-1,3-thiazole-Axit 4-cacboxylic (MTCA) Axit thiazole-4-carboxylic (TCA) và 2-

methyl-1,3-thiazole-Axit 4-cacboxylic (MTCA) gây ức chế ăn mòn trênthép carbon thấp bằng cách tạo ra màng mỏng phủ lên trên bề mặt thép,

từ đó giúp thép tránh khỏi những tác nhân ăn mòn từ môi trường Cũngtheo như nghiên cứu cứu này 2 loại axit khi được phân tán ở nồng độ 150ppm trong môi trường có imidazole đều đạt hiệu quả bảo vệ lên đến 90%[15] Các dẫn xuất của imidazole cũng là các chất ức chế ăn mòn hiệuquả cho thép carbon thấp, điển hình như kết quả khảo sát của nhóm

nghiên cứu “Ambrish Singh, KR Ansari , Ashok Kumar, Wanying Liu, Chen Songsong,Yuanhua Lin” đã khảo sát về hiệu suất ức chế ăn mòn của ba

dẫn xuất imidazole mới là 2- (4-methoxyphenyl) -4,5-diphenyl-imidazole(M-1) (hình 1.2), 4,5-diphenyl-2- ( p -tolyl) -imidazole (M2) (hình 1.3) và2- (4-nitrophenyl) -4,5-diphenyl-imidazole (M-3) (hình 1.4) cho thép J55trong dung dịch nước muối bão hòa Trong đó, 2- (4-methoxyphenyl) -4,5-diphenyl-imidazole (M-1) là dẫn xuất có hiệu quả ức chế tốt nhất lên đến93% [16]

Hình 1.2: (4-methoxyphenyl) -4,5-diphenyl-imidazole (M-1)

Hình 1.3: 4,5-diphenyl-2- ( p -tolyl) -imidazole (M-2)

Hình 1.4: 2- (4-nitrophenyl) -4,5-diphenyl-imidazole (M-3)

Từ sau nhiều nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới,người ta nhận thấy imidazole và các dẫn xuất của nó là những hợp chấthữu cơ lí tưởng dùng trong việc chống ăn mòn thép trong nhiều môitrường khác nhau có cả môi trường nước biển Bên cạnh đó, với mục đíchtăng thêm hiệu quả ức chế ăn mòn cho imidazole các nhà khoa họckhông ngừng tìm kiếm, nghiên cứu những phụ gia để thêm vào hệ chống

ăn mòn nhằm tăng khả năng chống ăn mòn cho chất ức chế chính Năm

2020 một nhóm các nhà khoa học thuộc đại học Bharathidasan ở Ấn Độ

đã thực hiện nghiên cứu và đưa ra kết quả khả quan về vật liệu nano

Al3+ làm tăng khả năng ức chế của chất ức chế ăn mòn là imidazole chothép nhẹ trong dung dịch axit clohydric lên đến 94% [17] Năm 2019,một nhóm các nhà khoa học thuộc trường Đại học Tehran, Iran đã công

bố nghiên cứu về khả năng làm tăng hiệu quả ức chế ăn mòn củaSamarium(III) , hệ ức chế ăn mòn được khảo sát là Benzimidazole-Samarium(III) chống ăn mòn thép trong môi trường nước biển mô phỏng.Các kết quả thực nghiệm trong nghiên cứu trên cho kết quả hệ ức chế ănmòn Benzimidazole-Samarium (III) có thể làm chậm hiệu quả các phảnứng ăn mòn catot/anot trên bề mặt thép chịu tác dụng của chất điện

phân chứa clorua và làm giảm mật độ dòng ăn mòn từ 8,5 mA/cm2 xuốngcòn 0,7 mA/cm2 [18]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong nước, đề tài nghiên cứu về ăn mòn và ức chế ăn mòn đã đượcquan tâm từ lâu Các nhà khoa học đã nghiên cứu về cơ chế ăn mòn,phương pháp chống ăn mòn của thép và các hợp kim ở những môi trườngkhác nhau Trong đó, các nhóm nghiên cứu điển hình như:

Nhóm tác giả Lê Thị Hồng Liên đã công bố nhiều nghiên cứu về ănmòn và phá hủy vật liệu trong môi trường khí quyển nhiệt đới Việt Nam[19]

Nhóm tác giả Nguyễn Nhị Trự đã khảo sát hàm lượng muối và tốc độ

ăn mòn thép cacbon trong môi trường khí quyển thành phố Nha Trang[20] Ngoài ra, những nghiên cứu của nhóm cho thấy độ bền của màngsơn phủ trên cơ sở flopolyme và polyuretan trong điều kiện nhiệt đới[21]

Nhóm tác giả Vũ Đình Huy khảo sát khả năng ức chế ăn mòn củanatri molipdat trên đường ống thép trong môi trường trung tính và môitrường kiềm Những công bố của nhóm tác giả cho thấy sự ảnh hưởngcủa natri cacbonat, natri molipdat, các ion kẽm và phốt phát đến sự ứcchế ăn mòn thép cacbon trong hệ thống làm mát [22]

Nhóm tác giả Nguyễn Thị Phương Thoa đã nghiên cứu tính chất ănmòn cục bộ và ứng dụng của các hệ ức chế ăn mòn lên thép trong khaithác dầu khí Nội dung nghiên cứu để khảo sát động học quá trình ănmòn cục bộ thép và tạo cơ sở khoa học cho việc lựa chọn các màng sơnphủ và các hệ ức chế ăn mòn nhằm bảo vệ thép trong môi trường nhiệtđới - biển của Việt Nam [23]

Nhóm tác giả Lại Thị Loan, Nguyễn Thị Mai và Bùi Thị Mai Anh thuộc

Bộ môn Hóa - Khoa Khoa học cơ bản Trường Đại học Giao thông Vận tảikhảo sát mức độ ăn mòn thép của nước biển tại 2 vùng biển Đà Nẵng,Cửa Lò (Nghệ An) và khả năng ức chế ăn mòn thép carbon trong nướcbiển của các hợp chất K2CrO4 và Na2MoO4 [24]

Nhóm tác giả Vũ Đình Huy, Lê Thị Lý, Lê Vũ Dũng của trường Đại học

Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu về khả năng ức chế ănmòn thép của Natri Silicat trong các thiết bị khia thác dầu khí ở biển [25].Trong các nghiên cứu của các nhóm tác giả kể trên, các chất ức chế

ăn mòn được nghiên cứu thường là hợp chất vô cơ Tuy nhiên, trong thờigian gần đây, các nhà khoa học dần chuyển hướng quan tâm đến cácchất ức chế ăn mòn xanh, chất ức chế hữu cơ

Những nghiên cứu trên thế giới và trong nước, các nhà khoa học đãcho thấy sự quan tâm đối với vấn đề ăn mòn và ức chế ăn mòn là rất lớn.Ngoài ra, các nghiên cứu cũng cho thấy chất ức chế hữu cơ imidazole,hợp chất của kim loại đất hiếm (oxit, hydroxit, muối hữu cơ…) có hiệuquả ức chế ăn mòn khi làm việc độc lập Hiện tại, một số hợp chất hữu cơchứa nguyên tố đất hiếm được tổng hợp bằng nhiều phương pháp phứctạp Việc sử dụng kết hợp đơn giản giữa imidazole và oxit đất hiếm khivới nhau vẫn chưa được đề cập cụ thể trong các đề công bố khoa họctrong nước và quốc tế Do đó, định hướng nghiên cứu hiệu quả ức chế ănmòn của hệ imidazole – oxit đất hiếm đang được để ngỏ và có tiềm năngphát triển mạnh mẽ

1.3 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Trong suốt quá trình làm luận văn này đã thực hiện các mục tiêu nhưsau:

- Tổng hợp tài liệu, xây dựng quy trình thực nghiệm

- Khảo sát hiệu quả ức chế ăn mòn của hệ imidazole-Sm2O3.

- Khảo sát hiệu quả ức chế ăn mòn của hệ imidazole-In2O3

- Khảo sát hiệu quả ức chế ăn mòn của hệ imidazole-Y2O3

- Tổng hợp kết quả phân tích và trình bày báo cáo luận văn

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 SƠ LƯỢC VỀ THÉP CARBON

Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ0,02% đến 2,06% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác.Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trongcấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau Sốlượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằmmục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi,tính dể uốn, và sức bền kéo đứt Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăngcường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãyhơn Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,06% theo trọng lượng (

ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1147, nếu lượng cacbon cao hơn hay nhiệt

độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit

có cường lực kém hơn Pha trộn với cacbon cao hơn 2,06% sẽ được gang.Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không cócacbon, thường là ít hơn 0,035% Ngày nay người ta gọi ngành côngnghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng tronglịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau Ngày nay có một vài loại thép màtrong đó cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác

Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phươngpháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có

hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn Với việc phátminh ra quy trình Bessemer vào giữa thế kỉ 19, thép đã trở thành mộtloại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém Trong quá trình sảnxuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi oxy, thì giá thành sảnxuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại Ngày nay thép làmột trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phầnchính trong xây dựng, đồ dùng, công nghiệp cơ khí Thông thường thépđược phân thành nhiều cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhậntheo chuẩn riêng.

Cũng như hầu hết các kim loại, về cơ bản, sắt không tồn tại ở vỏ TráiĐất dưới dạng nguyên tố, nó chỉ tồn tại khi kết hợp với oxy hoặc lưuhuỳnh Sắt ở dạng khoáng vật bao gồm Fe2O3-một dạng của oxit sắt cótrong khoáng vật hematit, và FeS2 – quặng sunfit sắt Sắt được lấy từquặng bằng cách khử oxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hoá họcnhư cacbon Quá trình này được gọi là luyện kim, được áp dụng lần đầutiên cho kim loại với điểm nóng chảy thấp hơn Đồng nóng chảy ở nhiệt

độ hơn 1080 °C, trong khi thiếc nóng chảy ở 250 °C Pha trộn với cacbontrong sắt cao hơn 2,06% sẽ được gang, nóng chảy ở 1392 °C Tất cảnhiệt độ này có thể đạt được với các phương pháp cũ đã được sử dụng ítnhất 6000 năm trước Khi tỉ lệ oxy hoá tăng nhanh khoảng 800 °C thìviệc luyện kim phải diễn ra trong môi trường có oxy thấp

Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon và sắt có thể hìnhthành nên rất nhiều cấu trúc khác nhau với những đặc tính khác nhau,điều này là rất quan trọng để luyện thép có chất lượng Ở nhiệt độ bìnhthường, dạng ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phươngtâm khối (BCC) hay sắt, một chất liệu kim loại mềm, có thể phân huỷ mộtlượng nhỏ cacbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911 °C) Nếu trên 911 °C

thì ferrit sẽ chuyển từ tâm khối (BCC) sang tâm mặt (FCC), được gọi làaustenit, loại này cũng là một chất liệu kim loại mềm nhưng nó có thểphân huỷ nhiều cacbon hơn ( 2,06% cacbon nhiệt độ 1147 °C) Một cách

để loại bỏ cacbon ra khỏi austenit là loại xementit ra khỏi hỗn hợp đó,đồng thời để sắt nguyên chất ở dạng ferit và tạo ra hỗn hợp xementit-ferrit Xementit là một hợp chất hoá học có công thức là Fe3C

Thép là hợp kim của sắt và carbon, là sản phẩm của công nghiệpluyện kim nói chung và luyện kim đen nói riêng Thép là vật liệu được sửdụng rộng rãi trải khắp mọi lĩnh vực từ xây dựng, giao thông, cầu đườngđến các trang thiết bị, chi tiết máy, xe cộ, điện gia dụng, các công trìnhkiến trúc, tác phẩm nghệ thuật Do sự tiện ích mà nó mang lại mà thépchiếm khoảng 90% vật liệu kim loại dùng trong công nghiệp của thế giới.Thép xuất hiện khá lâu nắm giữ vị trí nền tảng của các vật liệu Việc thayđổi thành phần thép có thể tạo ra loại vật liệu mới với các đặc tính kĩthuật tùy theo nhu cầu ứng dụng, đồng thời thay đổi chi phí sản xuất vàtận dụng các nguồn nguyên liệu đa dạng Ngày nay người ta đã tìm racác vật liệu khác tốt hơn thép nhưng cơ bản vẫn không thay thế được.Dựa vào thành phần có thể chia thép thành nhiều loại trong đó thépcarbon được ứng dụng rộng rãi nhất Thép carbon không chỉ có hai thànhphần là sắt và carbon (trong đó lượng C < 2,14%) mà do điều kiện nấuluyện khác nhau, trong đó còn có các tạp chất thường có như Mn, Si, P, Shoặc các tạp chất ẩn như H, N, O và các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni,

Cu, W, Ti, Mo, V… Các tạp chất lẫn vào có thể do quá trình khai thác, quátrình nấu luyện từ tự nhiên và con người Trong đó tạp chất Mn, Si lànhững tạp chất có lợi vì có khả năng nâng cao cơ tính của thép khi hàmlượng chúng đạt Mn < 0,8%, Si < 0,6% Đối với nguyên tố P, S là các tạpchất có hại, chúng làm cho thép bị giòn và khó hàn Thành phần hóa học

của thép carbon được giới hạn bởi các nguyên tố C < 2%, Mn 0,5-0,8%,

P 0,5-0,6%, Si 0,3-0,6%, S 0,05 – 0,06%

Đối với thép carbon giữ vai trò rất quan trọng trong việc quyết địnhtính chất của thép được biểu hiện rõ qua giản đồ pha Fe - C: lượng carbontăng lên, số pha cementite (cứng, giòn) tăng lên, lượng pearlite tăng lêntương ứng còn lượng pha ferrite (mềm, dẻo) giảm đi Tổ chức peclit gồmhai pha xementit và ferit xen kẽ lẫn nhau tạo thành tổ hợp pha cho độbền cao Thành phần carbon càng lớn thì độ cứng và giòn của thép càngtăng còn độ dẻo và độ dai càng giảm Khi thành phần carbon vượt qua0,8 – 1,0% thì độ bền giảm do ở giai đoạn này trong thép sẽ xuất hiệnpha xementit II ở dạng lưới cản trở sự trượt và tạo điều kiện cho việc xuấthiện và phát triển của vết nứt, làm độ bền của thép giảm xuống Xét vềmặt định lượng cứ tăng 0,1% C, độ cứng sẽ tăng khoảng 20-25 HB, giớihạn bền tăng thêm 60 -80 MPa, còn độ giãn dài giảm đi 2 -4 %, độ thắt tỉđối giảm 1- 5 %

Trong các loại thép carbon, thép carbon thấp được xếp vào nhómthép cán nóng thông dụng, chúng chiếm khoảng 80% khối lượng thépdùng trong thực tế Chúng thường được sản xuất dưới dạng tấm, thanh,dây, ống… và được ứng dụng phần lớn trong kết cấu công trình và cácchi tiết máy cơ bản Thép carbon thấp thường có thành phần hóa họcnhư sau:

- Cacbon: hàm lượng cácbon thường nằm trong giới hạn 0,1 –0,25% để lõi chi tiết có độ dẻo và dai cao Với các chi tiết lớn, đểnâng cao độ bền lõi, hàm lượng cacbon có thể đến 0,3%

- Các nguyên tố hợp kim: Hợp kim hoá cho thép thấm cacbon nhằmhai mục đích: tăng độ thấm tôi và thúc đẩy quá trình thấm cácbonvào thép Các nguyên tố tạo cacbit thường được dùng cho mụcđích này Các nguyên tố thường dùng là: Cr, Mn, V, Mo, Ti (dùng

kèm với Mn giữ nhỏ hạt vì Mn có xu hướng làm thô hạt),… Cácthép thấm thường có Ni với hàm lượng 2 – 4% vì Ni có tác dụngtăng độ thấm tôi, giữ hạt nhỏ và làm tăng mạnh độ dai va đập.

Hình 2.1: Giản đồ pha Fe-C

Trong các loại thép carbon, thép carbon thấp được xếp vào nhómthép cán nóng thông dụng, chúng chiếm khoảng 80% khối lượng thépdùng trong thực tế Chúng thường được sản xuất dưới dạng tấm, thanh,dây, ống… và được ứng dụng phần lớn trong kết cấu công trình và cácchi tiết máy cơ bản Thép carbon thấp có hàm lượng C ≤ 0,25% có độdẻo cao

2.2 KHÁI NIỆM VỀ ĂN MÒN KIM LOẠI

Ăn mòn kim loại được định nghĩa như sau: “Ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra các phản ứng oxi hóa khử trên mặt giới hạn tiếp xúc giữa kim loại và môi trường chất điện li, nó gắn liền với sự chuyển kim loại thành ion kim loại đồng thời kèm theo sự khử một thành phần môi trường và sinh ra dòng điện”

Theo ISO 8044:2012 ăn mòn kim loại là tương tác hóa lý giữa kim loại và môi trường gây nên sự biến đổi tính chất kim loại và có thể dẫn đến sự suy giảm đáng kể chức năng kim loại, môi trường hay hệ thống kỹ thuật mà chúng cấu thành.

Định nghĩa thông dụng: “Ăn mòn là quá trình tự nhiên làm biến đổi kim loại thành dạng bền vững hơn (oxit, hydroxit); là quá trình phá hủy vật liệu (thường là kim loại) do phản ứng hóa học với môi trường”

Một số ví dụ về ăn mòn kim lại như:

• Sắt thép bị gỉ trong không khí ẩm thành các loại oxit, muối có màu vàng, nâu ví

dụ như: các đinh sắt đóng trên bàn gế, các thanh sắt thép ở khung giường, chângiường ngủ, giá treo đồ

• Đồng và các hợp kim của đồng bị oxy hóa thành các oxit đồng hoặc muối đồng

ví dụ: lư hương bằng đồng, trống đồng

• Kẽm và các lớp phủ kẽm bị ăn mòn tạo thành sản phẩm có màu trắng, xám vídụ: móc treo quần áo, dây kẽm dùng trong các ngành công nghiệp …

2.3 PHÂN LOẠI ĂN MÒN KIM LOẠI

Ăn mòn kim loại thường được phân chia dựa trên các yếu tố: môitrường ăn mòn, cơ chế ăn mòn, hình thái ăn mòn Dựa trên cơ chế, ănmòn được phân làm hai loại: ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa

2.3.1 Phân loại theo cơ chế ăn mòn a) Ăn mòn hóa học

Ăn mòn hóa học được định nghĩa là: “Ăn mòn hóa học là dạng ăn mòn xảy ra trong môi trường không dẫn điện, phá hủy kim loại bằng phản ứng hóa học dị pha Ăn mòn hóa học có thể chia làm hai loại là: ăn mòn khí do tương tác của khí (O 2 , H 2 , Cl 2 ) với kim loại ở nhiệt độ cao và

ăn mòn hóa học của kim loại trong môi trường chất lỏng không dẫn điện (do tương tác giữa kim loại với các dung môi hữu cơ không phân cực

hoặc kém phân cực như xăng, dầu, chất béo, dung môi có vòng benzen ).”

Trong quá trình ăn mòn hóa học không xuất hiện dòng điện, hai quátrình oxi hóa và khử cùng xảy ra tại một vị trí cùng một giai đoạn và sảnphẩm tạo thành trực tiếp trong vùng phản ứng trên giao diện kim loại –môi trường

Cơ chế của ăn mòn hóa học: Ở nhiệt độ cao, phản ứng oxy hóa kimloại M xảy ra như sau:

xM + ½ y O2 → MxOy

xM + yH2O → MxOy + yH2Trong quá trình oxi hóa kim loại M còn xuất hiện hiện tượng giònhydro do carbon tạo ra carbide:

xM + yCO2 → MxOy + yCO

xM + yCO → MxOy + yC

b) Ăn mòn điện hóa

Ăn mòn điện hóa được định nghĩa là: “Ăn mòn điện hóa là quá trình tương tác của bề mặt kim loại với môi trường xung quanh trong dung môi dẫn điện (nước, dung dịch, màng ẩm bề mặt ), tuân theo các quy luật của động học điện hóa Ăn mòn điện hóa học xảy ra kèm theo sự xuất hiện dòng điện hóa học, bề mặt kim loại hình thành vùng anot và vùng catot.”

Sự ăn mòn điện hóa xảy ra bởi những điều kiện sau:

• Các điện cực cần phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp hai kimloại khác nhau hoặc cặp kim loại với phi kim

• Các điện cực cần phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau quadây dẫn

• Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li sẽ dẫnđến hiện tượng ăn mòn điện hóa kim loại

Ăn mòn điện hóa là dạng ăn mòn nguy hiểm phổ biến trong trongsản xuất và đời sống với tốc độ ăn mòn rất cao

Cơ chế ăn mòn điện hóa được biểu diễn qua 3 giai đoạn như sau:

● Giai đoạn I: Chất oxi hóa khuếch tán từ dung dịch đến bề mặt củađiện cực do chênh lệch nồng độ;

● Giai đoạn II: Chất oxi hóa ở sát bề mặt điện cực trao đổi điện tử vớiđiện cực tạo thành chất khử – giai đoạn chuyển điện tích;

● Giai đoạn III: Chất khử tích tụ ở bề mặt điện cực khuếch tán vàotrong lòng dung dịch

Hình 2.2: Các giai đoạn phản ứng của cơ chế ăn mòn điện hóa

2.3.2 Phân loại theo hình thái ăn mòn

Ăn mòn kim loại được chia thành các dạng cơ bản sau:

Hình 2.3: Các dạng ăn mòn trên kim loại.

a) Ăn mòn đều; b) Ăn mòn Galvanic (Ăn mòn tiếp xúc); c) Ăn mòn lỗ; d) Ăn mòn điểm; e) Ăn mòn ven tinh thể; f) Ăn mòn chọn lọc; g) Ăn mòn mài mòn; h) Ăn mòn ứng lực.

a) Ăn mòn đều

Ăn mòn đều là sự mất đi một lượng ít hoặc nhiều vật liệu kim loạiđược phân bố một cách đồng đều trên mọi phần của bề mặt kim loại tiếpxúc với môi trường ăn mòn (ăn mòn kim loại do môi trường axit) Dạng

ăn mòn này rất phôt biến với những đặc điểm như: tốc độ ăn mòn tại mọichỗ trên bề mặt gần bằng nhau Ăn mòn đều xảy ra đồng đều trên mộtdiện tích khá lớn của bề mặt kim loại, sự ăn mòn đều có thể bị thay đổikhi bề mặt kim loại chuyển từ thụ động sang hoạt động do ảnh hưởng cơhoặc sự thay đổi hóa học trong môi trường Lớp sản phẩm ăn mòn thườngmỏng và bám đều lên bề mặt Ăn mòn đều ít gây thiệt hại do có thể dựđoán được khi thiết kế thiết bị Để đánh giá tốc độ ăn mòn này người tathường dùng phương pháp trọng lượng (g/cm2.giờ) hoặc dựa vào độ giảmchiều dày của mẫu thí nghiệm Pmm/ năm hoặc mA/cm2

Hình 2.4 Chi tiết kim loại bị ăn mòn đều (Nguồn: nace.org).

b) Ăn mòn Galvanic (ăn mòn tiếp xúc)

Ăn mòn Galvanic (pin ăn mòn) còn được gọi là ăn mòn lưỡng kimloại, nó xảy ra là do sự hình thành pin điện từ hai kim loại và khôngngừng làm giảm độ bền kim loại Khi có hai kim loại khác nhau tiếp xúcvới nhau hoặc hợp kim có thành phần khác nhau tiếp xúc với môi trườngchất điện li sinh ra hiện tượng ăn mòn tiếp xúc Quá trình ăn mòn diễn ranhư là sự hoạt động của một pin điện khép kín mạch Trong đó, kim loại

có thế điện cực âm hơn sẽ đóng vai trò là cực dương, bị ăn mòn nhanhhơn kim loại có thế điện cực dương hơn Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vàohiệu số điện thế ăn mòn (xem bảng 2.1) của hai kim loại trong dung dịchchất điện li và ngoài ra nó còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác nhưđiện trở của dung dịch chất điện li, pH, nhiệt độ môi trường…

Bảng 2.1: Giá trị thế ăn mòn E ăn mòn của một số kim loại trong môi trường nước biển nhân tạo ở 25

Eăn mòn

( NHE) 0,046 0,001 -0,335 -0,667 -0,809 -1,355

Một số trường hợp xảy ra ăn mòn Ganvanic (ăn mòn tiếp xúc):

+ Các đinh ốc vít hoặc các tấm thép mạ kẽm trong môi trường chấtđiện li, kẽm có điện thế âm hơn kim loại nền và sẽ dễ dàng bị ăn mòntheo cơ chế Ganvanic

+ Các ốc vít bằng thép sẽ bị ăn mòn khi tiếp xúc với các vật liệuđồng thau trong môi trường nước biển…

Hình 2.5: Ăn mòn Galvanic (Nguồn: quora.com).

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn Ganvanic, song

có hai yếu tố quan trọng:

+ Độ dẫn điện của dung dịch chất điện li: Nếu điện trở dung dịch lớn,

ví dụ nước sông, ao hồ dẫn đến sự giảm tốc độ ăn mòn nói chung, song

có thể dẫn đến tăng tốc độ ăn mòn cục bộ tại vùng tiếp xúc

+ Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau trong môi trường ăn mòn, nếudiện tích của kim loại có điện thế dương hơn càng lớn (vùng catot), độphân cực catot càng giảm thì tốc độ ăn mòn càng lớn Vì vậy, để chống

ăn mòn kim loại điện hóa, nếu diện tích của vùng anot so với vùng catotcàng bé thì dòng ăn mòn càng giảm

+ Ngoài ra còn một số yếu tố khác ví dụ nhiệt độ, pH dung dịch cũngnhư dòng trao đổi ion đối với quá trình giải phóng H2 trên các nền kimloại khác nhau đều có ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn tiếp xúc.

Để làm giảm tốc độ ăn mòn tiếp xúc của một thiết bị hoặc của mộtcấu kiện nào trong môi trường ăn mòn cần phải tránh sự tiếp xúc của haikim loại có thế điện cực khác nhau, chọn tỷ lệ diện tích vùng catot vàanot thích hợp Có thể bảo vệ chống ăn mòn bằng phương pháp bảo vệcatot bằng cách gắn một kim loại hoạt động hơn vào chỗ tiếp xúc, ví dụkẽm hoặc nhôm hoặc Mg, kim loại này có điện thế âm hơn các kim loạitiếp xúc…

c) Ăn mòn kim loại do sự chênh lệch khí

Hiện tượng ăn mòn chênh lệch khí thường xảy ra trong các trườnghợp sau:

i) Ăn mòn khe

Ăn mòn khe thường xảy ra tại những khe giữa các mặt bích có lớpđệm của các chỗ nối hai ống kim loại, hoặc dưới các vật đệm đã tán ốc(tán rivê) hoặc có ốc xiết có thể sinh ra ăn mòn cục bộ vì trong các khe

đó nồng độ oxi của không khí nghèo hơn ở phía ngoài

Nguyên nhân xảy ra ăn mòn khe là do sự chênh lệch nồng độ giữacác vùng trên tấm kim loại trong dung dịch điện giải thiếu oxy hòa tan.Quá trình ăn mòn xảy ra ở vùng có nồng độ thấp hơn

Hình 2.6: Tấm kim loại xuất hiện xuất hiện ăn mòn khe ii) Ăn mòn tại vùng mớn nước

Tại những vùng mớn nước, ví dụ vùng mớn nước của chân cầu sắtcắm xuống sông vùng nước lợ, mớn nước của thành tàu biển… tại đó có 3pha tiếp xúc với nhau: không khí (chứa oxi), pha rắn (thép), pha nước(dung dịch muối hoặc nước lợ) và có thể tồn tại một pin hoạt động thụđộng do sự chênh lệch về độ thoáng khí (xem hình 2.7)

Hình 2.7: Ăn mòn mớn nước

T- Pha rắn thép; K- Pha khí - không khí; N- Pha lỏng - dung dịch nước

biển ;1- Vùng bị ăn mòn; 2- Lớp gỉ

Vùng mớn nước tại lớp gỉ 2 có cấu trúc xốp Sự hình thành lớp gỉ diễn

Fe + O2 + H2O → Fe(OH)2

O2 + H2O → Fe(OH)2Đồng thời xảy ra phản ứng hoá học:

2Fe(OH)2 + O2 + H2O → 2Fe(OH)3↓và 2Fe(OH)3 → Fe2O3.3H2OFe(OH)2 + Fe2O3 → Fe3O4.H2O2Fe3O4 + 3H2O + O2 → 3Fe2O3.3H2OLớp gỉ xốp bị kiềm hoá và dưới lớp gỉ này thép bị thụ động

Vùng 1: ở đó nghèo oxi nhưng lại bị ăn mòn mạnh hơn (hoà tan hoạtđộng) là do sự hoạt động của pin hoạt động - thụ động

iii) Ăn mòn do lắng đọng

Dạng ăn mòn này tương tự ăn mòn khe dưới các lớp cát, bùn, sảnphẩm ăn mòn lắng đọng Tại những chỗ bị che khuất nghèo oxi và bị ănmòn (xem hình 2.8)

Hình 2.8: Cơ chế ăn mòn lắng đọng

1 Kim loại; 2-2’ Vùng giàu oxi; 3 Vùng nghèo oxi do che khuất; 4.

Vật lắng đọng

Hình 2.9: Rãnh máng bị ăn mòn do lắng đọng

d) Ăn mòn lỗ hay còn gọi là ăn mòn điểm

Ăn mòn lỗ là ăn mòn cục bộ tạo thành các lỗ xuất hiện trên diện tíchrất nhỏ với tốc độ rất lớn Các lỗ phát triển từ bề mặt xuyên sâu vào lòngkim loại Đây là dạng ăn mòn khó phát hiện do lượng kim loại mất đikhông đáng kể nhưng tốc độ rất nhanh Ăn mòn lỗ cũng là nguyên nhângây ra ăn mòn ứng lực làm xuất hiện các vết nứt và gẫy đứt vật liệu.Quá trình ăn mòn lỗ xảy ra gồm quá trình oxy hóa bên trong lỗ vàquá trình khử bên ngoài bề mặt lỗ, các lỗ xuất hiện trên các vết trầyxước, khuyết tật bề mặt Ăn mòn lỗ xảy ra trên hầu hết vật liệu đặc biệtlà thép dụng cụ, đồng và hợp kim đồng, lớp phủ kẽm

Các lỗ ăn mòn phát triển theo những hình dạng khác nhau, rất khóquan sát từ bề mặt mang lại nguy cơ hư hỏng vật liệu rất lớn Đây là kiểu

ăn mòn nguy hiểm nhất cho các kết cấu xây dựng kín như đường ống vàcác máy sản xuất hóa chất

Hình 2.10: Tấm kim loại xuất hiện ăn mòn lỗ

e) Ăn mòn ranh giới

Hiện tượng ăn mòn ranh giới có liên quan đến sự tồn tại của các pha

dị thể tại biên giới các hạt trong hợp kim đa tinh thể, ví dụ thép FeNi8Cr18,khi làm nguội dần từ 1100 có dạng tinh thể cacbua crom (CrFe)23C6 sẽ kếttủa ở biên giới hạt Lượng crom ở biên giới hạt giảm và mất khả năng thụđộng, vùng thế thụ động bị hẹp lại, dòng thụ động lớn lên và sự hoà tantrong miền thụ động lớn lên Vậy ở một điện thế thụ động nhất định bêntrong mặt biên giới bị thụ động, còn biên giới hạt thì hoạt động, trongtrường hợp này có hiện tượng ăn mòn giữa các tinh thể Để tránh hiệntượng ăn mòn giữa các tinh thể đối với thép hợp kim FeCr, trong quátrình ủ thép cần tránh hiện tượng kết tủa hoặc dùng thép có chứa một sốnguyên tố như Ti hoặc Nb, chúng kết hợp với cacbon

Hình 2.11: Mảnh kim loại bị xuất hiện ăn mòn ranh giới

f) Ăn mòn nứt do ứng suất

Ăn mòn nứt là do sự nứt gãy bởi ứng suất kéo và môi trường ăn mòngây ra Hầu hết các hợp kim kết cấu dùng trong kĩ thuật (ví dụ các kết

khoan, tàu thuyền ) đều có thể bị rạn nứt và sau đó bị gãy dưới tácdụng của môi trường ăn mòn đồng thời dưới tác dụng của lực kéo

Hình 2.12: Đường ống dẫn khí bị ăn mòn nứt

Trong quá trình các cấu kiện bị ăn mòn dạng nứt dưới ứng suất phầnlớn bề mặt kim loại không bị xâm hại rõ ràng, nhưng lại có những vết nứt

nhỏ xuyên qua chúng, vì thế hiện tượng ăn mòn nứt rất nguy hiểm, đặcbiệt xảy ra trong các bình nén khí.

Có thể nói rằng loại ăn mòn này rất phức tạp, cho đến nay người tavẫn chưa biết đầy đủ về nó Dưới đây là một số yếu tố ảnh hưởng đếnhiện tượng ăn mòn này:

+ Một số môi trường có thể gây ra sự ăn mòn nứt do ứng suất đối với một

số vật liệu:

- Thép không gỉ FeNi8Cr18 trong dung dịch có chứa ion Cl– (BaCl2,NaCl, H2O2 )

- Thép thường trong môi trường chứa OH– hoặc NO3–

- Hợp kim nhôm trong dung dịch chứa ion Cl–, trong nước biển, hơinước

- Hợp kim đồng trong môi trường khí NH3 hoặc trong dung dịchchứa ion NH4+, tiếp xúc với các hợp chất amin, hơi nước…

- Hợp kim magie trong dung dịch NaCl

- Hợp kim titan trong HNO3 bốc khói, nước biển…

+ Các giai đoạn của ăn mòn nứt:

Khởi đầu của sự ăn mòn nứt:

Sự ăn mòn nứt do ứng lực bao gồm nhiều giai đoạn: Phát sinh vết nứt(từ vài giây đến nhiều ngày), sự lan truyền vết nứt (tốc độ nứt 10–11 ÷ 10–

2 m/ngày), cuối cùng là giai đoạn gãy vì tải trọng cơ học quá cao Dướitác dụng của ứng suất kéo trên bề mặt nhẵn của kim loại thường xuấthiện các chỗ hỏng cục bộ gọi là bậc trượt, tại đó xảy ra sự khởi đầu ănmòn Nếu kim loại nhanh chóng bị thụ động thì không nguy hiểm, cònnếu thời gian để thụ động kéo dài thì sẽ có sự ăn mòn điểm và như vậy làkhởi đầu sự ăn mòn nứt Có trường hợp sự khởi đầu ăn mòn nứt khôngphải là bắt đầu từ ăn mòn điểm mà xuất hiện vết nứt tại các biên giới hạttinh thể Nếu biên giới hạt không đồng nhất về thành phần hoá học cũnggây ra sự ăn mòn, không nhất thiết là ở dạng vết nứt

- Sự lan truyền các vết nứt do biến dạng của màng bảo vệ bị nứtgãy, tốc độ gãy màng hoặc còn gọi là tốc độ biến dạng, tốc độ lantruyền khi có tải trọng tĩnh phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Khả năng tiếp xúc tại đầu mút của vết nứt với các phần tử xâmthực, ví dụ ion Cl– hoặc oxi

+ Tốc độ thụ động, nếu tốc độ tái thụ động diễn ra quá chậm thìtốc độ hoà tan kim loại sẽ xảy ra đáng kể tại các đầu mút và vếtnứt bên cạnh Nếu sự tái thụ động diễn ra nhanh thì tốc độ lantruyền vết nứt sẽ bị chậm lại

Đối với kim loại thụ động, khi dịch chuyển thế về phía quá âm sẽ cóhiện tượng ăn mòn nứt do hiđro thấm trong kim loại, điều này càng cảnhbáo về tác hại của sự bảo vệ catot quá mức Ngược lại, khi phân cực anotvới thế dương khá cao vượt ngưỡng sẽ tạo ra oxi cũng dẫn đến sự ănmòn nứt

Nếu trên bề mặt kim loại có sự hấp phụ đặc biệt của các phân tửhoạt động từ dung dịch cũng làm suy giảm độ bền cơ học tại đầu mútcác vết nứt dẫn đến phá huỷ liên kết giữa kim loại-kim loại làm cho kimloại dễ dàng bị phá huỷ Ví dụ sự hấp phụ của các nguyên tử hiđro sẽ làmyếu liên kết kim loại- kim loại

Một số biện pháp chống ăn mòn ứng lực:

Có một số biện pháp sau:

- Thay đổi điều kiện ứng lực Ví dụ thay đổi thiết kế sao cho cường

độ ứng lực giảm tối đa hoặc xử lí nhiệt làm giảm nội ứng lực

- Thay đổi môi trường ăn mòn Ví dụ loại các chất gây ăn mòn nứt(ion Cl–) hoặc thêm vào môi trường chất gây thụ động hoặc ức chếquá trình ăn mòn

- Thay đổi thế điện cực đưa kim loại vào trạng thái bền vững

- Thay đổi cấu trúc kim loại: làm giảm khuyết tật, giảm sự kết tủatại biên giới hạt bằng cách ủ nhiệt

- Sơn phủ bề mặt kim loại, ngăn cách bề mặt kim loại với môitrường ăn mòn

g) Ăn mòn chọn lọc

Ăn mòn chọn lọc là sự oxi hóa một thành phần của hợp kim vàthường tạo ra một cấu trúc kim loại xốp Hai dạng ăn mòn chọn lọc điểnhình nhất, làm suy giảm và hư hỏng cấu trúc vật liệu là ăn mòn là “khửkẽm – dezincification và ăn mòn graphit – graphitization corrosion

Ăn mòn khử kẽm thường gặp trong đồng thau hoặc các hợp kimđồng-kẽm chứa hơn 15% kẽm, ăn mòn khử kẽm xảy ra khi có mặt hơi ẩmvà oxi Khi đó,cả đồng và kẽm đều tan vào dung dịch nhưng đồng kết tủacòn kẽm ở lại dung dịch Vật liệu trở nên xốp, giàu đồng, cơ tính giảm vàchuyển từ màu vàng thau sang màu đỏ

Để tránh hiện tượng ăn mòn chọn lọc nên sử dụng các hợp kim chứa

ít kim loại có điện thế âm Ví dụ giảm hàm lượng kẽm trong hợp kimđồng kẽm Thường với lượng kẽm trong hợp kim nhỏ hơn 15% thì kẽmkhông bị hoà tan Nếu thêm vào hợp kim đó 1% Sn hoặc một hàm lượngnhỏ asen (As) thì tốc độ ăn mòn chọn lọc đồng thau giảm một cách đángkể

Hình 2.13: Mô tả hình thái ăn mòn khử kẽm

Hình 2.14: Bề mặt kim loại có hiện tượng ăn mòn chọn lọc

Ăn mòn graphit xảy ra đối với gang xám khi nguyên tử sắt bị loại bỏchỉ còn lại các hạt graphit và lớp bề mặt có thể cắt dễ dàng Lúc này,gang bị mất sức bền và tính chất vốn có của nó Sự graphit hóa xảy rachậm, trong môi trường ăn mòn mạnh thì toàn bộ bề mặt gang xám bị ănmòn đều

Tổn hại do ăn mòn chọn lọc rất nguy hiểm, làm giảm cơ tính vât liệu,gây đứt gẫy chi tiết, công trình Vì ăn mòn chọn lọc diễn ra từ từ nên kimloại bị ăn mòn trở nên dòn, dễ bong tróc, dễ vỡ

h) Ăn mòn do mài mòn

Ăn mòn mài mòn là sự phá hủy kim loại do bề mặt kim loại tiếp xúcvới dòng chảy ở tốc độ cao Đặc điểm bên ngoài của ăn mòn mài mòn là

có xuất hiện các rãnh, vết xước có hướng trên bề mặt kim loại Dạng ănmòn này phổ biến trên các vật liệu mềm như đồng, nhôm, kẽm… Cónhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến ăn mòn mài mòn như:

- Ảnh hưởng của màng bề mặt

- Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy

- Ảnh hưởng của dòng chảy xoáy

- Do bản chất kim loại hoặc hợp kim

Ăn mòn - mài mòn được chia thành hai dạng là ăn mòn mài mòn dodòng chảy và ăn mòn mài mòn do đọng bọt khí

Hình 2.15: Ăn mòn do mài mòn ống trục đứng cửa van cống

2.3.3 Phân loại ăn mòn do môi trường

a) Ăn mòn trong môi trường khí quyển

Hiện tượng ăn mòn kim loại trong điều kiện khí quyển ẩm là ăn mònđiện hoá Do sự ngưng tụ hoặc ngưng đọng của nước trên bề mặt kim loại

có một màng mỏng nước, sự hoà tan của các khí CO2 hoặc SO2 tạo radung dịch có pH thấp và kim loại bị ăn mòn một cách dễ dàng Hơn nữa,