Nghiên cứu tính chất điện hóa và khả năng ức chế ăn mòn thép cacbon thấp trong môi trường axit của một số hợp chất có gốc tự nhiên

B GIÁO D C VÀ ÀO T O

VI N KHOA H C VÀ CƠNG NGH VI T NAM

VI N HĨA H C
********

TRƯƠNG TH TH O

NGHIÊN C U TÍNH CH T I N HĨA VÀ KH NĂNG
C CH ĂN MỊN THÉP CACBON TH P TRONG
MÔI TRƯ NG AXIT C A M T S
CÓ NGU N G C T

H P CH T

NHIÊN

LU N ÁN TI N SĨ HÓA H C

Hà N i – 2012


B GIÁO D C VÀ ÀO T O

VI N KHOA H C VÀ CƠNG NGH VI T NAM

VI N HĨA H C
********
TRƯƠNG TH TH O

NGHIÊN C U TÍNH CH T I N HĨA VÀ KH NĂNG
C CH ĂN MỊN THÉP CACBON TH P TRONG
MÔI TRƯ NG AXIT C A M T S
CÓ NGU N G C T

H P CH T

NHIÊN

Chuyên ngành: Hóa lý thuy t và Hóa lý
Mã s ngành: 62.44.31.01

LU N ÁN TI N SĨ HÓA H C

NGƯ I HƯ NG D N KHOA H C
1. GS.TS. Lê Qu c Hùng
2. PGS.TS. Vũ Th Thu Hà

Hà N i - 2012


L i c m ơn

Tôi xin g i l i c m ơn t i Ban lãnh vi n, B ph n

ào t o, các phòng

ch c năng Vi n Hóa h c, Vi n Khoa h c và Cơng ngh Vi t Nam.
Tơi xin bày t lịng kính tr ng và bi t ơn sâu s c

n th y giáo, GS.TS

Lê Qu c Hùng, cô giáo PGS.TS Vũ Th Thu Hà ã t n tình hư ng d n và t o
m i i u ki n giúp
tôi trong su t quá trình th c hi n lu n án.
Tơi xin
nghiên c u hóa
Nam và anh ch
Ngun ã h tr

ư c c m ơn anh ch em t p th
ng d ng tin h c trong
h c – Vi n Hóa h c – Vi n Khoa h c và Cơng ngh Vi t
em trong Khoa Hóa h c, trư ng H Khoa h c, H Thái
tôi r t nhi u trong quá trình th c hi n lu n án.

Tôi cũng xin g i l i c m ơn n Phòng Ăn mòn, Trung tâm ánh giá
Hư H ng v t li u – Vi n Khoa h c V t li u và phòng T ng h p H u cơ –
Vi n Hóa h c – Vi n Khoa h c và Công ngh Vi t Nam.
Tơi chân thành c m ơn gia ình, b n bè, h c trò ã quan tâm,
viên và t o i u ki n giúp tơi hồn thành lu n án.

Hà N i, tháng 05 năm 2012
Nghiên c u sinh

Trương Th Th o

ng

M CL C
Trang
L I C M ƠN
DANH M C CÁC KÝ HI U VI T T T
DANH M C B NG
DANH M C HÌNH

1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.

M
U
CHƯƠNG 1: T NG QUAN
T ng quan v ăn mòn kim lo i
nh nghĩa ăn mòn kim lo i
Phân lo i ăn mòn
Khái quát v thép
Các phương pháp b o v ch ng ăn mòn kim lo i
Thi t k h p lý
L a ch n v t li u thích h p
X lý mơi trư ng

1
5

5
5
5
8
10
10
10
10

1.2.4.
1.2.5.
1.3.
1.3.1.

T o l p ph b o v
Phương pháp i n hóa
S d ng các ch t c ch b o v ch ng ăn mòn kim lo i
Gi i thi u v ch t c ch ch ng ăn mòn kim lo i

11
11
11
11

1.3.2.
1.3.3.
1.3.4.
1.3.5.
1.3.5.1.
1.3.5.2.

1.3.5.3.

Cơ ch ho t ng c a ch t c ch ăn mòn kim lo i
Phân lo i ch t c ch ăn mòn kim lo i
Các ch t c ch ăn mòn kim lo i th c t ã ư c s d ng
Ch t c ch thân thi n mơi trư ng
Khái ni m
Tình hình nghiên c u v ch t c ch xanh trong và ngoài nư c
Thu n l i và h n ch

2
14
15
19
19
19
9

1.3.6.

Gi i thi u m t s cây tr ng có ti m năng dùng c ch ăn mòn kim
lo i Thái Nguyên

30

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U VÀ TH C
NGHI M

36

Hóa ch t, d ng c , thi t b
Hóa ch t

36
36

2.1.
2.1.1.


2.1.2.
2.1.3.
2.2.

D ng c
Thi t b

i u ch và kh o sát thành ph n hóa h c các ch t c ch ăn
mòn kim lo i
2.2.1.
i u ch các ch t c ch
2.2.1.1 X lý m u lá tươi
2.2.1.2. Chi t m u th c v t
2.2.1.3. Tách cao chi t chè trong nư c

36
36
37
37
37

37
38

2.2.1.4.
2.2.2.
2.2.2.1.
2.2.2.2.
2.2.3.
2.3.

Tách caffein
Phương pháp kh o sát thành ph n hóa h c m u th c v t
Phương pháp s c ký l p m ng
Phương pháp ph c ng hư ng t h t nhân(NMR)
Th c nghi m kh o sát thành ph n hóa h c các m u th c v t
Phương pháp nghiên c u ăn mòn kim lo i

39
39
39
40
42
42

2.3.1
2.3.1.1
2.3.1.2
2.3.1.3

Các phương pháp nghiên c u ăn mòn kim lo i

Phương pháp quan sát
Phương pháp t n hao kh i lư ng
Các phương pháp i n hóa

42
42
44
45

2.3.2.
2.3.2.1.
2.3.2.2.
2.3.2.3

Th c nghi m nghiên c u ăn mòn kim lo i
Các lo i m u kim lo i nghiên c u
Chu n b m u kim lo i
Chu n b dung d ch

50
50
50
51

2.3.2.4. Th nghi m
CHƯƠNG 3: K T QU TH O LU N
3.1.
Kh o sát c ch ăn mòn thép b ng các s n ph m chi t t các
m u th c v t
3.1.1.

Chi t m u th c v t
3.1.2.
Kh o sát kh năng c ch ăn mòn thép c a các cao chi t thu ư c
3.1.2.1. nh hư ng c a n ng
cao chi t
axit
3.1.2.2. nh hư ng c a n ng
3.1.2.3. nh hư ng c a th i gian th nghi m
3.1.3.
K t h p m t s phương pháp nghiên c u ăn mòn và b o v ăn mòn
thép CT38 b ng m t s ch t c ch khác nhau

52
55
55
55
55
56
62
65
69


3.2.

c ch ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng axit b ng các s n

ph m tách t cao chi t chè trong nư c
3.2.1.
Tách và kh o sát thành ph n hóa h c cao chi t chè trong nư c

3.2.1.1. Tách cao chi t chè trong nư c W(C)

81
81
81

3.2.1.2. Kh o sát sơ b thành ph n hóa h c các c n chi t phân o n t cao
chi t W(C)
3.2.2.
Kh năng c ch ăn mòn thép CT38 trong môi trư ng axit c a các
c n chi t phân o n t cao chi t chè

82

Kh o sát m t s y u t trong s c ch ăn mịn thép CT38 trong
mơi trư ng axit c a c n nư c tách t cao chi t chè
3.2.3.1. nh hư ng c a n ng
axit và n ng
c n chi t
3.2.3.2. nh hư ng c a th i gian th nghi m
3.2.4.
Tách caffein và kh o sát kh năng dùng caffein làm ch t c ch ăn
mịn thép CT38 trong mơi trư ng axit

87

3.2.3.

3.2.4.1. Tách và xác
3.2.4.2. nh hư ng c

3.2.4.3. nh hư ng c
3.2.4.4. nh hư ng c
3.3.

xu t ban

nh cofein
a n ng
cofein
a nhi t
a th i gian th nghi m
u cơ ch

c ch ăn mịn thép CT38 trong mơi

3.3.1.
3.3.2.

trư ng axit c a các ch t c ch nghiên c u
Cơ ch h p ph
Nhi t ng h c quá trình h p ph và q trình ăn mịn

3.3.3.

Cơ ch

c ch ăn mịn

K T LU N
DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH Ã CƠNG B

TÀI LI U THAM KH O
PH L C

83

87
89
92
92
94
100
101
105
105
110
114
116
118
119
128


DANH M C CÁC KÝ HI U VI T T T
Ký hi u

Ý nghĩa

AES

Ph

i n t Auger

AFM

Atomic force microscopy - Kính hi n vi l c nguyên t

B

C n n-butanol

C

N ng

Cdl

ch t c ch (g/l)

i n dung l p kép

CPE

Nguyên t pha

D

C n diclometan

DNA

Acid Deoxyribo Nucleic (ADN - ti ng pháp hay DNA - ti ng anh)

DPD

Phương pháp phân c c th

ng

E*

Năng lư ng ho t hóa q trình ăn mòn

Eam

Th ăn mòn (Th m ch h , th ngh , th oxy hóa kh ) (V)

EA

C n etylaxetat

E(C)

D ch chi t chè trong etanol (cao chi t)

EDS

Ph tán s c năng lư ng tia X

EGCG

EIS

∆E
FTIR

Epigallocatechin-3-gallat
o t ng tr
Năng lư ng c ng hư ng t h t nhân
Fourier transform infrared spectroscopy - Quang ph
chuy n

∆Ghp
H
H (%)

i Fourier

Bi n thiên th

ng nhi t

ng áp quá trình h p ph

C n hexan
Hi u qu b o v (%)

Hz

Hertz (héc)T n s

∆H

Bi n thiên entanpi quá trình (h p ph )

iam

M t

i

M t o dòng o ư c áp ng theo th áp vào (mA/cm2)

o

dòng ăn mòn (mA/cm2)

h ng ngo i


K
LSA

H ng s cân b ng h p ph
Vi t t t tên hóa ch t - d-lysergic axitamin

M

N ng

m

Kh i lư ng (g)

M80(T)

mol/l

D ch chi t thu c lá trong dung môi methanol:nư c = 8:2

NRM

Ph c ng hư ng t h t nhân

NTG

N-(5,6-diphenyl-4,5-dihydro-[1,2,4]ưtriazin-3-yl)-guanidin

ppm

part of million - N ng

Qhp

Nhi t h p ph

Rp
RS(Rdd)
S
SEM

m t ph n tri u g/lít (mg/l)

i n tr phân c c ( )
i n tr dung d ch
Di n tích (cm2)
Phương pháp kính hi n vi i n t quét

t

Th i gian (phút, ngày)

T

Nhi t

UV

Utraviolet - Tia t ngo i hay tia c c tím
ăn mịn

v

T c

V

Th tích (l)

XPS,
ESCA

W

Ph huỳnh quang tia X
C n nư c

W(C)

D ch chi t chè trong nư c

WDS

Phôt tán s c bư c sóng tia X

WL
W(T)

Weight lost - t n hao kh i lư ng
D ch chi t thu c lá trong nư c

η

Quá th

β

H ng s tafel


DANH M C B NG
Tên b ng

Trang

B ng 2.1:

Danh m c các s n ph m chi t m u th c v t

37

B ng 2.2:

Các m u kim lo i nghiên c u

50

B ng 3.1:

T l kh i lư ng cao chi t so v i kh i lư ng m u th c v t khô

55

B ng 3.2:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 1M có m t các cao chi t các n ng
khác nhau

58

B ng 3.3:

Các
c trưng quá trình ăn mịn thép so sánh trong mơi
trư ng HCl 1M có m t các cao chi t các n ng
khác nhau

61

B ng 3.4:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
khác nhau
HCl 0,01M có m t cao chi t W(C) các n ng

64

B ng 3.5:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 0,01M có m t W(C) và W(T) các n ng
khác nhau
theo th i gian

68

B ng 3.6:

Các c trưng quá trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 0,01M có m t các ch t c ch khác nhau theo th i gian
(Phương pháp t n hao kh i lư ng)

70

B ng 3.7:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 0,01M có m t các ch t c ch khác nhau theo th i gian
(Phương pháp i n hóa)

73

B ng 3.8:

Hàm lư ng các phân o n tách cao chi t W(C)

81

B ng 3.9:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl có m t các c n phân o n tách t cao chi t W(C) n ng
khác nhau

85

B ng 3.10:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl HCl có m t c n W tách t cao chi t chè W(C) n ng
khác nhau 25oC

88

B ng 3.11:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 0,01M có m t c n W n ng
1g/l theo th i gian 25oC

90

B ng 3.12:

K t qu phân tích EDS b m t thép CT38 ngâm trong dung
d ch HCl 1M có và khơng có m t c n W 5g/l sau 1 gi
25oC

91

B ng 3.13:

Các thơng s q trình th nghi m ăn mịn thép CT38 trong
mơi trư ng HCl 1M có m t caffein n ng
khác nhau 25oC
theo phương pháp t n hao kh i lư ng

94

B ng 3.14

Các c trưng quá trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 1M có m t caffein n ng
khác nhau
25oC theo

96


phương pháp i n hóa
B ng 3.15:

Các c trưng quá trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 1M có m t caffein n ng
khác nhau
25oC theo
phương pháp t ng tr

98

B ng 3.16:

K t qu phân tích EDS b m t thép CT38 ngâm trong dung
d ch HCl 1M có và khơng có m t caffein 3g/l sau 1 gi
25oC

100

B ng 3.17:

Các c trưng q trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng

HCl 1M có m t caffein n ng
3g/l nhi t
khác nhau

102

B ng 3.18:

Các c trưng quá trình ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
HCl 1M có m t caffein n ng
3g/l theo th i gian (phương
pháp i n hóa)

94

B ng 3.19:

Phương trình h p ph
ng nhi t Langmuir và các thông s
nhi t ng quá trình h p ph W(C) và W lên thép CT38 trong
dung d ch HCl

110


DANH M C HÌNH
Tên hình

Trang

Hình 1.1:

Sơ
ăn mịn i n hố c a kim lo i
i n li

Hình 1.2:

Mơ hình q trình h p ph

13

Hình 1.3:

Liên k t gi a polysaccarit v i Fe

23

Hình 1.4:

Thành ph n hóa h c chính c a d u Fennel

23

Hình 1.5:

C u trúc phân t LSA

24

Hình 1.6:

C u trúc hóa h c Andrographolid - thành ph n chính c a d ch
chi t lá Kalmegh

25

Hình 1.7:

C u trúc hóa h c NTG

27

Hình 1.8:

C u trúc hóa h c c a Penicillin V Kali.

28

Hình 1.9:

Cơ ch h p ph c a Penicillin v i b m t thép

28

Hình 1.10:

Cành, lá, hoa và qu chè.

31

Hình 1.11:

Các d n xu t catechin thư ng có trong lá chè xanh

29

Hình 1.12:

Cafein(Cofein)

29

Hình 1.13:

Cây và hoa thu c lá.

34

Hình 2.1:

Sơ

tách cao chi t chè trong nư c

38

Hình 2.2:

C u t o c a kính hi n vi i n t quét SEM

43

Hình 2.3:

t trong dung d ch ch t

ư ng phân c c E-I

6

46

Hình 2.4:

ư ng cong phân c c (E-logi)c a kim lo i Me trong mơi
trư ng axit

46

Hình 2.5:

Áp d ng ư ng phân c c tuy n tính dịng th

47

Hình 2.6:

i n tr phân c c tính t th c nghi m

47

Hình 2.7:

Bi u di n hình h c các ph n t ph c

48

Hình 2.8:

M ch tương ương trong ph t ng tr

49

Hình 2.9:

T ng tr trên m t ph ng ph c- Gi n

Hình 2.10:

C u t o i n c c làm vi c

50

Hình 2.11:

M u th nghi m ăn mòn theo phương pháp t n hao kh i lư ng

51

Nyquist

49

và quan sát b m t vi mơ
Hình 2.12:

Ngâm m u th nghi m ăn mòn theo phương pháp t n hao kh i
lư ng và quan sát b m t vi mô

52


Hình 2.13:

H th ng thi t b : Máy Potentio – galvanostat CPA-HH3

53

Hình 3.1:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 ngâm 60 phút
trong môi trư ng HCl 1M có m t các cao chi t các n ng
khác nhau t i nhi t
phịng

56

Hình 3.2:

Hi u qu c ch ăn mòn thép CT38 trong dung d ch HCl 1M
c a các cao chi t v i n ng
khác nhau

58

Hình 3.3:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép so sánh ngâm 60
phút trong mơi trư ng HCl 1M có m t các caoh chi t các
n ng
khác nhau t i nhi t
phịng

60

Hình 3.4:

Hi u qu c ch ăn mòn thép so sánh trong dung d ch HCl 1M
c a các cao chi t n ng
khác nhau.

61

Hình 3.5:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
khác nhau
d ch HCl 1M có m t W(C) các n ng

63

Hình 3.6:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl 0,01M có m t W(C) các n ng
khác nhau

63

Hình 3.7:

Hi u qu c ch ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng axit HCl
n ng
khác nhau theo n ng
cao chi t

64

Hình 3.8:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl 0.01M có m t cao chi t khác nhau theo th i gian
ngâm m u khác nhau t i 25oC

68

Hình 3.9:

ăn mịn c a thép CT38 trong dung d ch HCl

S thay i t c
0,01M có m t cao chi t khác nhau theo th i gian

69

Hình 3.10:

T c ăn mịn thép CT38 theo th i gian trong mơi trư ng HCl
0,01M có m t các ch t c ch theo phương pháp t n hao kh i
lư ng

71

Hình 3.11:

ư ng cong phân c c d ng logc a thép CT38 trong dung d ch
HCl 0,01M khơng và có m t các ch t c ch theo th i gian
ngâm t i nhi t
phịng

72

Hình 3.12:

ư ng bi u di n t c
ăn mòn c athép CT38 trong dung
d ch HCl 0,01M theo th i gian (Phương pháp i n hóa)

74

Hình 3.13:

Ph t ng tr Nyquist c a i n c cthép CT38 trong môi trư ng
HCl 0,01M có và khơng có ch t c ch theo th i gian ngâm

75

Hình 3.14:

nh SEM m u thép CT38 trong dung d ch HCl 0,01M
có các ch t c ch khác nhau sau 3 ngày ngâm nhi t
phịng

78

Hình 3.15:

nh SEM m u thép CT38 trong dung d ch HCl 0,01M
có các ch t c ch khác nhau sau 6 ngày ngâm nhi t

79


phịng
Hình 3.16:

nh SEM m u thép CT38 trong dung d ch HCl 0,01M
có các ch t c ch khác nhau sau 10 ngày ngâm nhi t
phịng

80

Hình 3.17:

nh ch p ph c ng hư ng t h t nhân 13C -1H c n D

82

Hình 3.18:

S c ký l p m ng các c n EA,B và W so v i ch t chu n

83

Hình 3.19:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl có m t các c n chi t phân o n c a cao chè nư c
n ng
khác nhau

84

Hình 3.20:

T c
ăn mòn thép CT38 ngâm 60 phút t i 25oC trong các
dung d ch HCl có m t các ch t c ch khác nhau

86

Hình 3.21:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
khác nhau
d ch HCl 0,01M có m t c n W các n ng

87

Hình 3.22:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
khác nhau
d ch HCl 1M có m t c n W các n ng

88

Hình 3.23:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl 0.01M có m t c n nư c các th i gian ngâm m u
khác nhau.

89

Hình 3.24:

S thay i i n tr phân c c thép CT38 trong dung d ch HCl
0,01M có m t W(C) và W 1g/l theo th i gian ngâm m u 25oC

90

Hình 3.25:

nh ch p b m t thép CT38 ngâm trong dung d ch HCl 1M
(a,b) có m t c n W 5g/l (c,d) sau 1gi ngâm 25oC

91

Hình 3.26:

nh ch p ph c ng hư ng t h t nhân 13C -1H c a caffein tách
tr c ti p t chè xanh

93

Hình 3.27:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl 1M có m t caffein các n ng
khác nhau

95

Hình 3.28:

Ph t ng tr (a) và m ch tương ương (b)thép CT38 ngâm 60
phút trong dung d ch HCl 1M có m t cafffein n ng
khác
nhau 25oC

97

Hình 3.29:

nh ch p b m t thép CT38 ngâm trong dung d ch HCl 1M
(a,b) có m t caffein 3g/l (c,d) sau 1gi ngâm 25oC

99

Hình 3.30:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl 1M khơng và có m t caffeine 3g/l các nhi t
khác
nhau

100

Hình 3.31:

ư ng cong phân c c d ng log c a thép CT38 trong dung
d ch HCl 1M có m t caffein 3g/l các th i gian ngâm m u
khác nhau

102


Hình 3.32:

T c
ăn mịn thép CT38 trong dung d ch HCl 1M
có m t caffein 3g/l 25oC theo th i gian th nghi m

103

Hình 3.33:

Ph t ng tr c a thép CT38 trong dung d ch HCl 1M (a) có
m t caffein 3g/l (b) các th i gian ngâm m u khác nhau

103

Hình 3.34:

Mơ hình tương tác gi a ch t b h p ph v i b m t kim lo i

108

Hình 3.35:

ư ng h p ph
ng nhi t Langmuir c a các ch t c ch khác
nhau lên thép CT38 trong dung d ch HCl 25oC

109

Hình 3.36:

Phương trình Arrhenius cho quá trinh ăn mòn c a thép CT38

ngâm 60 phút trong dung d ch HCl 1M có và khơng có caffein
3g/l

113


1

M

U

Kim lo i v i nhi u ưu i m n i tr i như: kh năng d n nhi t, d n i n t t;
b n cơ h c cao,
co ít,
kháng kéo cao;
b n nhi t cao; d dàng ch t o
ra các thi t b , máy móc v.v... nên ã ư c ng d ng trong h u h t các ngành
công nghi p ch t o các thi t b , các c u ki n, máy móc cũng như trong i s ng
hàng ngày như
dùng nhà b p, m t s phương ti n sinh ho t, nguyên li u xây
d ng nhà hay các cơng trình dân d ng, … Kim lo i ư c ng d ng r ng rãi
nh t chính là thép.
V n
t ra cho các nhà s n xu t và ngư i s d ng v t li u là: trong môi
trư ng làm vi c khác nhau, kim lo i (thép) ln b ăn mịn d n m t cách t
nhiên. S ăn mòn làm bi n i m t lư ng l n các kim lo i (thép) thành s n
ph m ăn mòn, làm suy gi m các tính ch t c trưng c a kim lo i, có th d n n
nhi u h u qu n ng n
i v i quá trình s n xu t và an toàn lao ng, gây ra t n

th t l n i v i n n kinh t qu c gia. Ngoài ra, m t chi phí n a dùng cho vi c
nghiên c u tìm ra các v t li u m i h n ch ăn mòn hay các phương pháp b o v
v t li u ch ng ăn mòn. T ng chi phí này khá l n các n n kinh t phát tri n và
ang phát tri n. Theo s li u th ng kê năm 2011 c a Sastri [22], t ng chi phí cho
v n
nghiên c u và x lý ăn mòn kim lo i M năm 1975 là 82 t ôla, năm
1995 ã lên 296 t ôla và năm 2010 là 549 t ơla. Vì v y vi c nghiên c u v
ăn mòn và b o v kim lo i là m t v n r t có ý nghĩa v khoa h c và th c ti n.
Có nhi u phương pháp b o v kim lo i (và thép) kh i ăn mòn ã ư c
th c hi n. Trong ó, s d ng ch t c ch là m t trong nh ng phương pháp b o
v truy n th ng khá hi u qu , có th kéo dài tu i th c a các cơng trình lên 2- 5
l n và có tính kinh t cao. Nhi u lo i ch t c ch ã ư c s d ng r ng rãi như
mu i nitrit, mu i cromat, mu i photphat, các amin h u cơ,… Tuy nhiên, s nh
hư ng c a ch t c ch
n ngư i lao ng và mơi trư ng ã ít ư c quan tâm
trong m t th i gian dài, th c t ã s d ng nh ng hóa ch t r t c h i như nitrit,
cromat,…. Hi n nay, v n này ã tr thành m t trong nh ng tiêu chí hàng u
khi l a ch n m t ch t ưa vào s d ng, nhi u ch t c ch truy n th ng ã b h n
ch , th m chí c m s d ng do nh hư ng c h i c a chúng v i con ngư i và
môi trư ng.


2

M t xu hư ng nghiên c u m i i v i các nhà nghiên c u ăn mòn Vi t
Nam cũng như trên th gi i, ó là tìm ki m các ch t c ch thân thi n môi
trư ng. Trong kho ng vài ch c năm tr l i ây, trên th gi i ã công b nhi u
k t qu nghiên c u v các ch t c ch xanh khác nhau, nhi u nh t là l y t cây
tr ng. D ch chi t cây tr ng có thành ph n h u cơ a d ng, có kh năng h p ph
lên b m t kim lo i h n ch ăn mòn mà l i d ki m, d ch bi n, giá thành khơng

cao; nh ng ch t có ngu n g c cây tr ng có th t ng h p ư c d mà không c
hai cũng ư c nghiên c u. Ngồi ra cịn m t s nghiên c u s d ng nh a cây,
m t mía, m t ong, d u th c v t,… thu c và các h p ch t c a các nguyên t
t
hi m. Tuy nhiên, khuynh hư ng này v n ang d ng giai o n nghiên c u, tìm
ki m, ch n l c, hư ng i n áp d ng còn chưa rõ. nư c ta, v i phân lo i th c
v t a d ng, hư ng nghiên c u này còn khá m i m , m i b t u trong vài năm
g n ây.
Chính vì v y, vi c nghiên c u các ch t c ch ăn mòn xanh thân thi n v i
môi trư ng t các cây tr ng nhi t i là m t hư ng i quan tr ng và phù h p v i
nư c ta. Do ó chúng tơi ch n
tài “Nghiên c u tính ch t i n hóa và kh
năng c ch ăn mịn thép cacbon th p trong mơi trư ng axit c a m t s h p
ch t có ngu n g c t nhiên”.
M c ích : Tìm ki m, nghiên c u c trưng i n hóa và kh năng b o v
thép cacbon th p kh i s ăn mịn trong mơi trư ng axit c a các ch t c ch xanh,
có ngu n g c t nhiên, thân thi n v i môi trư ng nh m thay th m t s ch t c
ch truy n th ng c h i, gây ô nhi m môi trư ng.
N i dung nghiên c u t p trung vào các i m sau:
- Tách, chi t l y d ch chi t (cao chi t) m t s cây tr ng ph bi n
phương (Thái Nguyên) như t cây chè và thu c lá.

a

- Kh o sát kh năng c ch ăn mòn thép trong môi trư ng axit c a các s n
ph m chi t thu ư c. L a ch n s n ph m chi t n nh, có hi u qu c ch ăn
mòn t t th c hi n các nghiên c u sâu hơn.
- Xác nh thành ph n hóa h c c a s n ph m chi t ư c, tách phân o n
ho c tách l y tinh ch t ph c v nghiên c u hi u qu c ch ăn mòn.

3

- Bư c u gi i thích cơ ch c ch ăn mòn c a các ch t c ch th
nghi m và tính tốn các thơng s nhi t ng h c c a quá trình.
i m m i c a lu n án:
- ây là lu n án u tiên Vi t Nam ti n hành nghiên c u v kh năng c
ch ăn mòn kim lo i c a m t s ch t c ch xanh thân thi n môi trư ng.
- Chi t, tách ư c m t s ch t c ch ăn mòn có hi u qu khá cao t các
cây tr ng ph bi n t i a phương: Cao chi t thu c lá trong nư c, cao chi t chè
trong nư c, c n nư c c a cao chi t chè trong nư c, caffein trong chè. K t qu
cho th y hi u qu c ch c a các ch t kh o sát là có th so sánh v i ch t c ch
hóa h c truy n th ng như urotropin. ây là cơ s cho vi c ti n t i ng d ng các
ch t c ch xanh trong b o v ch ng ăn mịn kim lo i.
- Ch ng t q trình c ch ăn mòn thép c a các d ch chi t cây tr ng theo
cơ ch h p ph v t lý ơn l p. Quá trình h p ph này tuân theo quy lu t h p ph
ng nhi t Langmuir có hi u ch nh h s tuy n tính.
- Tính tốn các thơng s nhi t ng h c q trình ăn mịn và q trình h p
ph c a ch t c ch . Ch ng minh ư c quá trình h p ph là quá trình t di n
bi n (∆G<0), t a nhi t (∆H>0), năng lư ng ho t hóa q trình ăn mịn tăng khi
dung d ch có m t ch t c ch .
Ý nghĩa khoa h c và th c ti n c a lu n án
Lu n án ã kh o sát b ng th c nghi m m t cách h th ng v kh năng c
ch ch ng ăn mòn i v i thép cacbon th p trong môi trư ng axit c a các cao
chi t chè, thu c lá, m t s s n ph m tách t chè Thái Nguyên. S li u th c
nghi m ã ch ng minh có th h n ch ăn mịn thép cacbon th p trong mơi
trư ng axit b ng cao chi t chè, thu c lá cũng như m t s s n ph m tách ư c t
chè. K t qu ch rõ các thông s th c nghi m v i u ki n b o v c ch ăn mòn
như n ng , th i gian, nhi t
cũng như phương pháp ti n hành th c nghi m

và tính tốn k t qu . Lu n án cũng tính tốn ư c các thơng s nhi t ng h c
q trình h p ph , q trình ăn mịn và c ch ăn mịn. Có th th y ây là các s
li u m i có giá tr , óng góp c v m t th c ti n và lý thuy t cho chuyên ngành
nghiên c u h p ph , x lý b m t và b o v kim lo i.


4

Hơn n a, k t qu lu n án còn góp ph n nh hình m t hư ng nghiên c u
m i, phù h p v i xu th chung trên th gi i cũng như các i u ki n c a Vi t
Nam: Tìm ki m, th nghi m các ch t c ch xanh thân thi n mơi trư ng. Lu n
án cịn óng góp vào vi c kh ng nh kh năng t i u ch các ch t c ch ăn
mòn, áp ng ư c yêu c u nghiên c u và hư ng t i vi c ng d ng trong nư c.
C u trúc lu n án
Ph n m

u: gi i thi u lý do ch n

tài, m c ích, ý nghĩa khoa h c c a lu n án.

Chương 1: T ng quan
1) T ng quan v ăn mòn kim lo i, các phương pháp b o v ch ng ăn mòn
kim lo i.
2) Chi ti t v

c ch ăn mòn kim lo i và c ch xanh.

Chương 2: Th c nghi m và phương pháp nghiên c u
1) Hóa ch t, d ng c , thi t b .
2)

i u ch và kh o sát thành ph n hóa h c các ch t c ch ăn mòn kim
lo i.

3) Phương pháp nghiên c u ăn mòn kim lo i.
Chương 3: K t qu và th o lu n.
1) Kh o sát kh năng c ch ăn mòn thép cacbon b ng các s n ph m
chi t t các m u th c v t.
2)
c ch ăn mòn thép CT38 trong môi trư ng axit b ng các c n phân
o n tách t cao chi t chè trong nư c.
3)
xu t ban u cơ ch c ch ăn mịn thép CT38 trong mơi trư ng
axit c a các ch t c ch nghiên c u.
Ph n k t lu n trình bày các k t qu chính c a lu n án.


5

CHƯƠNG 1: T NG QUAN
1. 1. T NG QUAN V ĂN MỊN KIM LO I
1.1.1

nh nghĩa ăn mịn kim lo i
Có nhi u cách

nh nghĩa ăn mịn kim lo i [1-5,21-23]:

S ăn mịn kim lo i là q trình làm gi m ch t lư ng và tính ch t c a kim
lo i do s tương tác c a chúng v i môi trư ng xâm th c gây ra.

Ho c, Ăn mòn kim lo i là m t ph n ng không thu n ngh ch x y ra trên b
m t gi i h n gi a v t li u kim lo i và môi trư ng xâm th c ư c g n li n v i s
m t mát ho c t o ra trên b m t kim lo i m t thành ph n nào ó do mơi trư ng
cung c p.
N u xem hi n tư ng ăn mòn kim lo i x y ra theo cơ ch i n hoá thì s ăn
mịn kim lo i có th nh nghĩa như sau: Ăn mòn kim lo i là m t q trình x y ra
ph n ng ơxy hố kh trên m t gi i h n ti p xúc gi a kim lo i và môi trư ng
ch t i n li, nó g n li n v i s chuy n kim lo i thành ion kim lo i ng th i kèm
theo s kh m t thành ph n c a môi trư ng và sinh ra m t dịng i n.
1.1.2 Phân lo i ăn mịn
Có nhi u cách phân lo i ăn mòn kim lo i[1-5,21-23]:
a) Phân lo i theo b n ch t quá trình.
Theo b n ch t q trình, ăn mịn thư ng chia hai lo i:
Ăn mịn hố h c:Ăn mịn hoá h c là s phá hu kim lo i ho c h p kim do
kim lo i ph n ng v i các ch t khí (O2; Cl2…) và hơi nư c nhi t
cao.
2 Fe +

3Cl2

(x+2y)Fe + (x+3y)/2 O2
3Fe +

4H2O(h)

To
To
To

2FeCl3

xFeO.yFe2O3
Fe3O4 + 4H2↑

B n ch t c a ăn mòn hố h c là q trình ơxy hố kh , trong ó các
electron c a kim lo i ư c chuy n tr c ti p n các ch t ôxy hóa trong môi
trư ng.


6

Ăn mịn i n hố: Ăn mịn i n hố là quá trình phá hu kim lo i t di n
bi n khi kim lo i ti p xúc v i dung d ch i n li làm phát sinh dòng i n gi a
vùng anot và vùng catot.
B n ch t c a ăn mịn i n hố là m t q trình ơxy hố kh x y ra trên b
m t gi i h n hai pha kim lo i/dung d ch i n li. Khi ó kim lo i b hoà tan
vùng anot kèm theo ph n ng gi i phóng H2 ho c tiêu th O2 vùng catot, ng
th i sinh ra dòng i n t o thành m t pin i n khép kín (Hình 1.1).

Hình 1.1: Sơ

ăn mịn i n hố c a kim lo i
[3]

t trong dung d ch ch t i n li

x y ra ăn mịn i n hóa, ba y u t c n thi t là: Dung d ch i n ly, anot
và catot.
* Anot : Anot là khu v c mà t i ó kim lo i b ăn mịn hay kim lo i b hịa tan
(q trình ôxy hoá):
M → Mn+ + ne

T i anot, kim lo i chuy n thành ion tách kh i b m t kim lo i i vào dung
d ch và
l i electron trên b m t kim lo i. Do ó, b m t kim lo i dư i n tích
âm hơn. Các electron vùng anot ư c chuy n d n n vùng catot.
*Catot: Catot là nơi x y ra s tiêu th electron (qúa trình kh ) b i các tác nhân
ơxy hóa:
Ox + ne

s n ph m


7

N u quá trình catot hay trong dung d ch i n ly xu t hi n các ion có kh
năng t o k t t a v i cation kim lo i b hịa tan thì s x y ra k t t a s n ph m ăn
mòn trên b m t kim lo i.
Ví d :
b) Phân lo i theo
Ăn mòn

Fe3+ + PO43- → FePO4
c trưng phá h y b m t:

u

Ví d : s ăn mịn thép cacbon trong khí quy n, s ăn mịn k m trong mơi
trư ng axit là các q trình ăn mòn u.
Trong ăn mòn u, tác nhân ăn mòn t n cơng v i t c
như nhau trên tồn
b m t kim lo i,

dày kim lo i gi m th ng nh t. i u ki n c n t ư c ăn
mòn u là:
- Kim lo i và dung d ch trong cùng m t môi trư ng.
- Ph n ng gi a kim lo i và tác nhân ăn mòn t o s n ph m tan vào dung d ch.
S ăn mịn u có th b thay i khi b m t kim lo i chuy n t th
ng
sang ho t ng do m t nh hư ng cơ h c, thay i t c
dòng ch y hay m t
thay i hóa h c trong mơi trư ng.
Ăn mòn c c b
Ăn mòn c c b bao g m các d ng ăn mịn khơng u như ăn mòn i m, ăn
mòn l , ăn mòn v t, ăn mòn h , ăn mòn ven tinh th , ăn mòn dư i l p ph ,….
Các d ng ăn mòn này x y ra khi màng th
ng hay l p b o v b phá h y m t
vài khu v c d n t i s t o thành các vùng anot nh . Cư ng
ăn mịn có th
quan sát ư c t i các khu v c này vì ph n cịn l i c a b m t b ăn mòn t c
th p hơn nhi u. Tuy nhiên, do màng ôxit b phá h y, vùng anot nh hơn so v i
vùng catot khá l n làm tăng t l di n tích catot/anot, t l này xác nh m c
ăn mòn c c b và ăn mòn pitting. Ăn mòn c c b cũng x y ra khi v t li u ư c
b o v b ng l p ph mà l p ph có m t vài khi m khuy t, các khi m khuy t s
là nơi x y ra ăn mòn c c b . Ăn mòn c c b cũng x y ra dư i l p k t t a gi a
hai pha k ti p nhau. Khu v c nh này có mơi trư ng r t khác so v i toàn kh i
v t li u gây ra ăn mòn khe


8

M t s y u t quan tr ng gây ăn mịn c c b :
- S c khí khác nhau: d ng s c khí khác nhau làm n ng

ơxy khơng ng
nh t trong pin ăn mịn, t o ra các khu v c có n ng
ơxy cao hơn hay th p hơn.
Ôxy chuy n vào dung d ch nh khu ch tán và i lưu. Vùng giàu ôxy hơn s
thành catot và vùng ít ơxy hơn chuy n thành anot và gây ra ăn mòn.
- Giá tr pH trên các vùng khác nhau.
- Tăng t l di n tích khu v c catơt/anơt
- Tính ch t và nh hư ng c a s n ph m ăn mòn, t p ch t ô nhi m trong
dung d ch.
- Th áp d ng.
- Nhi t

.

- Thành ph n kh i dung d ch.
- Thành ph n và vi c u trúc c a h p kim.
- Thành ph n, c u trúc màng ơxit.
- D ng hình h c c a v t li u.
1.1.3. Khái quát v thép
Thép là h p kim c a s t (Fe) v i cacbon (C) t 0,02 n 2,06% theo tr ng
lư ng và m t s nguyên t hoá h c khác (Mn, Cr, Ni…) [3,6,7].
S lư ng khác nhau c a các nguyên t và t l c a chúng trong thép nh m
m c ích ki m sốt các m c tiêu ch t lư ng như:
c ng,
àn h i, tính d
u n và s c b n kéo t. Hàm lư ng các nguyên t khác nhau t o ra lo i thép
khác nhau.
a) S ăn mòn thép cabon
Thép cacbon là thép có hai thành ph n chính là s t và cacbon, hàm lư ng
các nguyên t khác có m t khơng áng k . Thép cacbon ư c chia thành thép

m m (thép cacbon th p, %mC ≤0,29%), thép cacbon trung bình (%mC ≤0,59%),
thép cacbon cao (%mC ≤0,99%), thép cacbon
lo i v t li u ư c dùng ph bi n trong xây d ng.

c bi t (%mC = 1÷ 2%).

ây là


9

Trong khơng khí m, nhi t
thư ng (trên b m t thép có màng nư c)
q trình ăn mịn x y ra theo cơ ch i n hoá:
Ph n ng anot:
Fe + HOH

→

FeOH+ + H+ +2e

FeOH+ + HOH

→

FeOOH + 2H+ +2e

Ph n ng này kh ng ch s ăn mòn thép trong khí quy n.
Ph n ng catot:
FeOOH + e

Ti p theo:

→

Fe3O4 + H2O + OH-

Fe3O4 + 1 O2 + 3 H2O
4

2

→

3FeOOH

Trong khơng khí, FeOH+ và OH- tác d ng v i ôxy và nư c t o thành
hydrôxit, ôxit s t (II) và ôxit s t (III) và chúng t o thành l p r s t. Theo th i
gian r s t phát tri n thành các l p x p và làm gi m t c
ăn mòn thép. N u
trong khơng khí có t p ch t, ví d : Cl vùng ven bi n, s h p th Cl- c a các
l p r làm thay i hình thái l p r , ơi khi làm tăng t c
ăn mịn thép.
Trong mơi trư ng axit, t c
ăn mòn thép ph thu c vào ph n ng catơt
và thép b ăn mịn áng k n u khơng ư c b o v
b) S ăn mòn thép h p kim th p
Thép h p kim th p g m s t và m t lư ng nh kho ng dư i 2% các
nguyên t h p kim Cu, Ni, Cr, P: có
b n ch ng ăn mịn cao i v i mơi
trư ng ăn mịn khí quy n.

Trên b m t c a thép h p kim th p t o ra l p ơxit Fe3O4 có c u trúc sít
ch t ngăn c n s tác ng c a mơi trư ng làm gi m q trình r hoá ti p theo.
L p b o v này b n trong mơi trư ng khí quy n hay khi thay i th i ti t. Thép
này ư c g i là “thép th i ti t” và ư c dùng r ng rãi trong cơng nghi p.
Khi có m t ion Cl- trong các vùng khí h u bi n và ven bi n ho c khi
nhúng vào nư c, l p ôxit này không b n v ng. Trong i u ki n khí h u bi n
thư ng s d ng thép h p kim hoá ch a các nguyên t Ni, Cr, ho c Mo.


10

Thép h p kim th p nh y c m v i hi n tư ng ăn mòn n t khi ti p xúc v i
các môi tru ng ch a các ion NO3-, OH-, và NH3 l ng.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP B O V CH NG ĂN MÒN KIM LO I
Nghiên c u các bi n pháp ch ng ăn mịn kim lo i nh m m c ích nâng cao
tu i th các c u ki n, các cơng trình và thi t b có ý nghĩa khoa h c và c bi t
em l i hi u qu kinh t áng k . Các bi n pháp ã và ang áp d ng hi n nay [15,21] g m:
1.2.1. Thi t k h p lý
h n ch ăn mịn, trong q trình thi t k và l p ráp c n tuân th các quy
t c sau:
- Tránh t o nên các vùng có tính ch t khác nhau, k c các vùng có tính
ch t khác nhau c c b v nhi t , áp xu t, ti p xúc v i các dung d ch có n ng
khác nhau. Tránh t o nên các khe, các rãnh ng nư c.
- Có nh ng ph n thi t k b t bu c ph i dùng các v t li u d b ăn mòn trong
i u ki n v n hành, khi thi t k ph i lưu ý bi n pháp thay th ho c s a ch a
- Nhà ch t o ph i tuân th nghiêm ng t, không ư c tùy ti n thay
phương án thi t k n u chưa có y y u t v phương di n ăn mịn.

i

1.2.2 L a ch n v t li u thích h p
Hi n nay có r t nhi u lo i v t li u v i các tính ch t khác nhau trong các
môi trư ng làm vi c khác nhau. Tùy theo môi trư ng làm vi c s có s l a ch n
lo i v t li u t i ưu nh t. Có th k ra các v t li u chính hi n nay là: Thép cacbon;
Thép h p kim th p; Thép không g ; ng và các h p kim ng; titan và h p kim
titan; niken và h p kim niken; ...
1.2.3. X lý mơi trư ng
Có hai hư ng x lý môi trư ng thông d ng;
- Lo i tr c u t gây ăn mịn có trong mơi trư ng như H+, O2, hơi nư c,
NOx,… b ng các phương pháp v t lý ho c hóa h c.


11

- S d ng ch t c ch ăn mòn: ưa thêm m t ch t t bên ngoài vào h mà
có tác d ng làm gi m q trình ăn mòn.
1.2.4. T o l p ph b o v
Bi n pháp này nh m ngăn cách kim lo i ti p xúc v i mơi trư ng ăn mịn
b ng các l p ph . Các l p ph thư ng dùng là l p ph kim lo i, ví d k m trên
n n thép; l p ph vô cơ: l p mu i photphat các kim lo i Mn, Fe, Zn,… lên trên
n n thép; l p ph phi kim lo i như sơn, vecni, tráng men, polyme,…
1.2.5. Phương pháp i n hóa
Nguyên t c: d ch chuy n th v phía âm n m trong mi n th lo i tr ăn mòn
b ng phân c c b i dịng ngồi ho c t phân c c c a s khép kín pin ăn mịn (anot
hy sinh), ho c có th t o l p th
ng trên m t kim lo i b ng s phân c c anot.
1.3. S D NG CÁC CH T C CH B O V CH NG ĂN MÒN KIM LO I
1.3.1. Gi i thi u v ch t c ch ch ng ăn mòn kim lo i
Ch t c ch ch ng ăn mòn là các ch t khi thêm m t lư ng nh vào môi
trư ng làm vi c c a kim lo i, nó s có tác d ng làm gi m áng k t c

ăn mòn
kim lo i [21,22].
T r t s m, vi c b o v s t b ng bitum và h c ín ã ư c th c hi n b i
ngư i Roman c
i. Vi c s d ng ch t c ch ăn mòn b o v kim lo i có th
ã ư c b t u vào n a cu i th k 19. Marangonivaf Stefanelli ã dùng ch t
chi t xu t t keo, galatin, cám g o
c ch ăn mòn s t trong axit, ây là k t
qu c a hàng th p k nghiên c u. Thành qu
u tiên này ưa Baldwin n xem
xét vi c dùng m t mía và d u th c v t cho t y các t m thép trong axit [22].
Nói chung, b t kỳ q trình làm ch m ăn mịn nào cũng có th xem xét là
c ch ăn mòn. Ch t c ch ăn mòn thêm vào h có th
d ng l ng ho c d ng
hơi ho c c hai.
Ch t c ch ăn mòn ư c s d ng r ng rãi b o v bên trong ư ng ng,
bình ch a thép cacbon, cũng như cho các v t li u khác như thép h p kim, l p
ph ... Các ngành công nghi p s d ng c ch ch ng ăn mòn kim lo i nhi u là:
công nghi p khai thác khí và d u, tinh ch d u, s n xu t hố ch t, cơng nghi p