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

35
Tạp chí Hóa học, T. 41, số ĐB, Tr. 35 - 39, 2003
Phơng pháp và thiết bị sử dụng sensơ Tổ hợp điện
trở và điện hóa quan trắc liên tục quá trình ăn mòn
Đến Tòa soạn 3-12-2002
Lê Quốc Hùng
1
, Phạm Thy San
2
, Vũ Thị Thu H
1
1
Viện Hóa học, Trung tâm KHTN&CNQG
2
Viện Khoa học Vật liệu, Trung tâm KHTN&CNQG

Summary
Nowadays, sensor for corrosion research has been widely used since its suitable size, easy
to use, low cost and providing interesting information rapidly. The report presents primitive
research on methodology, instrumentation and sofware for continously corrosion monitoring by
using a resistance sensor intergrated with an electrochemical (2 and 3 electrodes) sensor.

I - Mở đầu
Trong nghiên cứu ăn mòn, phơng pháp
điện hóa đợc đánh giá l một trong những
phơng pháp quan trọng nhất vì chúng cho
phép đánh giá nhanh, tức thời tốc độ ăn mòn,
không phá hủy mẫu. Đồng thời, có thể tiến
hnh đo liên tục trên cùng một mẫu m không
lm h hại môi trờng nh các phơng pháp
khác. Phơng pháp ny còn cho phép nghiên

cứu đợc cơ chế, bản chất của quá trình ăn
mòn, đánh giá đợc ảnh hởng của các yếu tố
đến quá trình ăn mòn....
Trong nghiên cứu ăn mòn, sensơ luôn l
một bộ phần đặc biệt quan trọng. Sensơ ăn mòn
dựa trên nguyên tắc đo điện trở phân cực đD
đợc nghiên cứu v dùng rộng rDi [1 - 5]. Trong
bi báo ny, lần đầu tiên phơng pháp đo điện
hóa v điện trở đD đợc sử dụng đồng thời để
nghiên cứu liên tục quá trình ăn mòn nhờ một
sensơ tổ hợp giữa sensơ điện trở v sensơ điện
hóa. Việc nghiên cứu nhằm xác định tính phù
hợp giữa hai phơng pháp, trên cơ sở đó chọn
lựa phơng pháp thích hợp để khảo sát ăn mòn
một cách nhanh chóng v thuận tiện.
Hiện nay đD có một số loại sensơ điện hóa
cho nghiên cứu ăn mòn đD thơng mại hóa:
sensơ điện hóa ba điện cực v hai điện cực.
Sensơ điện hóa ba điện cực (do Petrolite Corp.,
Houston, Texas chế tạo) sử dụng ba điện cực
cùng vật liệu, một điện cực không bị phân cực
đợc dùng lm điện cực so sánh. Trong khi đó
sensơ hai điện cực (do hDng Ronhback Cosasco,
Santa Fc Springs, California chế tạo) sử dụng
hai điện cực giống nhau v không có điện cực
so sánh.
II - Thực nghiệm
Quá trình ăn mòn trong tự nhiên xảy ra chủ
yếu theo cơ chế điện hóa, khi đó, trên vùng
anôt, kim loại bị oxi hóa chuyển thnh các ion

tan vo trong dung dịch hoặc tạo thnh các sản
phẩm ăn mòn rắn trên bề mặt kim loại (mng
oxit, muối không tan...) còn trên vùng catot xảy
ra các quá trình khử oxi hoặc thoát khí hiđrô....
Trong lòng kim loại có sự dịch chuyển của các
electron từ vùng anôt sang catôt, vì thế các kỹ
thuật điện hóa có thể đợc sử dụng để nghiên
cứu các hiện tợng ny. Phơng pháp sử dụng
để khảo sát tính năng sensơ ở đây l đo sự thay
đổi của dòng trong một khoảng thế nhất định v
đo điện trở của sensơ từ đó xác định đợc tốc
độ ăn mòn của vật liệu lm sensơ.
36
1. Cấu tạo sensơ
Sensơ đợc lm từ tấm thép cacbon dy 250
àm đợc gắn lên tấm phíp thủy tinh cách điện
hon ton. Cấu tạo của sensơ đợc trình by
trên hình 1, trong đó phần 1, 2 v 3 đợc sơn
bảo vệ v hon ton cách điện để đảm bảo rằng
trong quá trình đo, phần thép bên trong mng
sơn l hon ton không bị ảnh hởng bởi môi
trờng, có độ dy không đổi v do đó có điện
trở (Rref) xác định. Phần 1, 2, 3, 4 v 5 dùng để
đo điện trở, phần 4, 6, dùng để đo điện hóa.
2. Thiết bị đo
Hệ thống máy đo có ghép nối với máy vi
tính đợc chế tạo tại Viện Hóa học, hệ thống
ny kết hợp máy đo Potentio-galvanostat đa
năng v hệ thống rơ le, các bộ khuếch đại thế
cho phép đo liên tục in situ các thông số quan

tâm nh trở kháng sensơ, mật độ dòng/dòng ăn
mòn cũng nh hệ số tơng quan kết giữa hai
phơng pháp đo.

3. Đo điện trở xác định tổn hao ăn mòn
Đo sự thay đổi của điện trở thực chất l đo
tổn hao trọng lợng vật liệu lm sensơ sau
những khoảng thời gian nhất định. Sơ đồ đo đạc
đợc đa ra trên hình 2. Dòng không đổi I đợc
áp vo hai điểm 1 v 5, lúc ny thế đo đợc
giữa điểm 2 v 3 l V
2
v giữa điểm 3 v điểm
4 l V
1
. Tốc độ ăn mòn tính toán dựa trên sự
thay đổi của giá trị điện trở nhờ vo đo đạc sự
thay đổi của giá trị điện áp theo sơ đồ đa ra
trên hình 2.
Ta có:
ref
test
R
R
V
V
=
2
1

reftest
R
V
V
R ì=
2
1
(1)

Giá trị của R
ref
không thay đổi theo thời
gian thử nghiệm. Giá trị của
2
1
V
V
đo đợc
bằng thực nghiệm. Nhờ vậy, chúng ta tính toán
Phần thử nghiệm Phần so sánh
R
test
R
ref

I
Nguồn dòng
Hình 1: Sơ đồ cấu tạo sensơ Hình 2: Sơ đồ mạch đo điện trở sensơ
V1 V2
37

đợc giá trị của R
t
est

M
testtest
test
test
test
test
HD
L
S
L
R
ì
ì
=
ì
=

(2)
Trong đó L
t
est
v D
t
est
không đổi theo thời gian
thử nghiệm. Do đó:

)(
)(
)(
)(
ttest
o
test
otest
ttest
H
H
R
R
=

)(
)(
)()(
ttest
otest
otestttest
R
R
HH ì=
(3)
ở đây:
l điện trở suất của vật liệu
L
test

l chiều di phần thử nghiệm,
D
test
l chiều rộng phần thử nghiệm,
H
tets
l chiều dy phần thử nghiệm,
R
test(0)
l điện trở phần thử nghiệm trớc khi
thử nghiệm (t = 0),
R
test(t)
l điện trở phần thử nghiệm theo thời
gian (t),
R
ref
l điện trở phần so sánh (đợc sơn phủ
bảo vệ chống ăn mòn)
4. Đo điện hóa xác định tổn hao ăn mòn
Đối với các phép đo điện hóa cho sensơ có
cấu tạo nh trên, chúng tôi đD thực hiện hai chế
độ đo: 2 điện cực v 3 điện cực (đợc chuyển
mạch tự động nhờ máy tính). Trong hệ hai điện
cực, điểm số 5 đợc nối vo điện cực lm việc
v thanh thép với điểm số 6 lm vai trò của cực
đối. Quét tuyến tính trong khoảng 10 mV khỏi
thế cân bằng v đo dòng đáp ứng. Khi đo hệ ba
điện cực, một điện cực so sánh Ag/AgCl đợc
đa vo lm việc. Để tránh phá hủy điện cực so

sánh trong môi trờng có nồng độ axit lớn, điện
cực so sánh đợc nối qua cầu muối.
Thông thờng, đờng cong phân cực l
tuyến tính trong khoảng quá thế 10 mV, dòng
nhận đợc để đạt tới thay đổi 10 mV tỉ lệ với
tốc độ ăn mòn theo công thức :
p
app corr
EB
R
Ii

==

, (4)
ở đây:
E
app
l biến thiên thế đặt vo,
I l biến thiên dòng đo đợc,
R
p
l điện trở phân cực,
I
corr
l dòng ăn mòn,
B l hằng số phụ thuộc vo hằng số Tafel
anôt v catôt.
Sensơ đợc ngâm liên tục trong môi trờng
đo v cứ 5 phút, hệ thống tự động thực hiện

phép đo v lu giữ lại kết quả. Thời gian thực
hiện một phép đo l 6 giờ cho mỗi môi trờng.
Nh vậy, tất cả các phép đo đợc thực hiện ở
cùng một chế độ.
Giao diện đo trình by trên hình 3. Chúng
ta có thể lựa chọn các các phép đo v cả thứ tự
thực hiện chúng. Chẳng hạn theo hình 3 thì
máy sau 60 giây một lần thực hiện các phép đo
sau:
1. Chuyển mạch đo sang chế độ đo thế ổn
định Ur (thế tại i = 0). Sau 9 giây, đo Ur của
điện cực lm việc (mẫu) lấy trung bình của
khoảng 2000 lần đo vo giây cuối cùng.
2. Chuyển mạch đo sang chế độ đo
Potentiostat 2 điện cực, tự tìm thế ổn định Ur.
Đo đờng cong phân cực trong khoảng 24 mV
xung quanh thế Ur, tính điện trở phân cực, tính
tốc độ ăn mòn theo phơng trình (4).
3. Chuyển mạch đo sang chế độ đo
Potentiostat 3 điện cực, tự tìm thế ổn định Ur.
Đo đờng cong phân cực trong khoảng 24 mV
xung quanh thế Ur, tính điện trở phân cực, tính
tốc độ ăn mòn theo phơng trình (4).
4. Đo điện trở sensơ tính tốc độ ăn mòn
(xem giải thích ở mục sau). Hiển thị v vẽ đồ
thị các kết quả đo, lu trữ số liêu va chờ tới lần
đo sau. Quá trình lặp lại cho dến khi dạt số lần
đo hay thời gian định trớc.
III - Kết quả v thảo luận
Hình 4 trình by kết quả đo tổn hao chiều

dy của vật liệu lm sensơ trong các môi trờng
có nồng độ axit khác nhau. Từ đồ thị có thể
thấy rằng ở nồng độ axit H
2
SO
4
0,2 N v 0,4N,
tổn hao chiều dy mẫu hầu nh không đáng kể
v có giá trị rất gần nhau. Khi tăng nồng độ axit
tới 0,4 N v 0,8 N, tốc độ ăn mòn (tổn hao
chiều dy mẫu) tăng lên đáng kể v bắt đầu có
sự tách biệt khi tăng nồng độ axit.
38
Hình 3: Giao diện phần mềm khi đo tự động hai/ba điện cực
Hình 5 biểu diễn kết quả đo mật độ dòng
của sensơ đo đợc trong môi trờng axit với các
nồng độ khác nhau 0,2 N, 0,4 N, 0,6 N v 0,8
N. Đờng cong phía trên (đờng a) l giá trị
mật độ dòng khi đo trên hệ ba điện cực. Đờng
cong phía dới (đờng b) l giá trị mật độ dòng
khi đo trên hệ hai điện cực. Các giá trị mật độ
dòng ny đợc đo theo quy trình đD đợc trình
by ở mục 4 v đợc tính theo công thức (4).
Có sự phù hợp giữa các giá trị mật độ dòng thu
đợc khi đo trên hệ hai điện cực v hệ ba điện
cực. Hình 4 v 5 chỉ ra rằng dòng ăn mòn xác
định bằng phơng pháp đo điện trở của sensơ
(hình 4) v bằng phơng pháp đo đờng cong
phân cực (hình 5) cho các kết quả hon ton
phù hợp.

0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Thời gian đo (phút)
Tổn hao chiều d-y mẫu
(micromet)
0.2N 0.4N
0.6N 0.8N
Hình 4: ảnh hởng của nồng độ axit H
2
SO
4
đến tổn hao chiều dy mẫu
(đo qua điện trở)
39
Hình 5: ảnh hởng của nồng độ axit H
2
SO
4
đến mật độ dòng khi đo
hệ hai điện cực (phía dới) v ba điện cực (phía trên) đối với sensơ thép cacbon

IV- Kết luận
Lần đầu tiên đD xây dựng đợc hệ thống đo
v sensơ cho phép đo điện trở v đo điện hóa

kết hợp. Các phép đo đợc thực hiện liên tục,
đồng thời, ổn định v chính xác rất thuận tiện
cho việc quan trắc các quá trình ăn mòn nhanh.
Các kết quả thu đợc cho thấy sự phù hợp giữa
các phơng pháp đD sử dụng. Những kết quả
ứng dụng cụ thể của phơng pháp để quan trắc
liên tục quá trình ăn mòn các vật liệu sensơ
khác nhau đợc trình by trong công trình tiếp
theo của tập thể tác giả tại Tuyển tập các công
trình Khoa học, Viện Hóa học (nhân dịp kỷ
niệm 25 năm thnh lập Viện Hóa học).
TI liệu tham khảo
1. Hurbert Cachet. Electrochemical Sensors
for Water Quality. P. 71. Rencontres du
Vietnam. January, Hanoi, Vietnam (1999).
2. A. Groysman and A. Hiram. Corrosion
Monitoring in the Oil Refinary, 13
th

International Corrosion Congress,
Australia, P. 148 (1996).
3. V. S. Agarwala. Sensors for Monitoring
Corrosion in Aircraft System, 13
th

International Corrosion Congress,
Australia, P. 431 (1996).
4. P. R Roberge and V. S Satri. On-line
Corrosion Monitoring with Electrochemical
Impedance Spectroscopy 1321. Eurocor

10
th
Barcelona (1992).
5. Denny A. Jones. Principle and Prevention
of Corrosion by Macmillan Publishing
Company, USA (1992).

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Số điển đo
Mật độ dòng (mA/cm2)
Đo hai điện cực Đo ba điện cực
0,2N
0,4N
0,6N
0,8N
(b)